多域SDN網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡路由算法研究

張 丹，朱興浩，李 書

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

多域SDN網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡路由算法研究

張 丹，朱興浩，李 書

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可分離數(shù)據(jù)平面和控制平面。其通常利用集中控制器來管理所有的網(wǎng)絡(luò)中的交換機。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，單個控制器的有限性能將導(dǎo)致控制平面擁塞，一些方案被提出以解決可擴(kuò)展性問題，即將網(wǎng)絡(luò)分離多個域。文章分析了現(xiàn)有的跨域交互技術(shù)以及負(fù)載均衡算法，并對已有的負(fù)載均衡算法作出比較。

SDN；跨域交互；負(fù)載均衡

軟件定義網(wǎng)絡(luò)[1]（Software Defined Network，SDN）是目前認(rèn)為最具有前景的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向未來網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的未來網(wǎng)絡(luò)，具有可編程性、易于管理、快速創(chuàng)新的特點。不像傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，在SDN架構(gòu)中控制平面和數(shù)據(jù)平面是相分離的。一個集中控制的平面被稱為控制器，帶來了以下好處：一是不涉及底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過應(yīng)用編程網(wǎng)絡(luò)；二是只有一個集中的結(jié)點控制網(wǎng)絡(luò)等。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，單個集中式的控制器不能滿足網(wǎng)絡(luò)的需求。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索性地提出了集群的概念和分布式控制器。分布式控制器在一定程度上解決了可擴(kuò)展性問題，但是同時可帶來了控制器間的信息交互和一致性問題。針對這一問題，Onix，B4通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫獲取去他控制器的基本網(wǎng)絡(luò)信息，但只能滿足上層算法和應(yīng)用最基本的需求。一個域內(nèi)的交換機有控制器進(jìn)行管理控制，這些交換機和控制器自成一個自治域（AS）。在軟件定于網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域，OpenFlow協(xié)議具有成熟的域內(nèi)管理能力，但對于域間來說，并沒有一種成熟的域間控制器交互機制解決域間通信問題。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)概述

SDN起源于斯坦福大學(xué)的校園網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)，它的核心理念是將傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制進(jìn)行分離，實現(xiàn)集中控制，分布轉(zhuǎn)發(fā)，通過軟件可編程的方式來簡化和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。目前業(yè)界理解的SDN的一般架構(gòu)，主要由以下3個層面組成：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層、應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集等功能；控制層由SDN控制軟件組成，可通過標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議與下層進(jìn)行通信，控制底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為，處理數(shù)據(jù)平面的編排，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹顟B(tài)信息；應(yīng)用層，不同的應(yīng)用邏輯通過控制器開放的API管理能力控制設(shè)備的報文轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)中多域交互技術(shù)研究

隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加，單一的網(wǎng)絡(luò)域被進(jìn)行劃分。多域網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)中心和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的運用，為解決網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題提供了新的思路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大時，需要部署多域的組網(wǎng)方案。其中每個SDN域都由各自的控制平面控制。多域組網(wǎng)方案有水平架構(gòu)和垂直架構(gòu)兩種。水平架構(gòu)形式的多域組網(wǎng)方案中，域控制平面之間的關(guān)系是對等的。而在垂直架構(gòu)中，則劃分為域控制器層和超級控制器層。其中域控制器層負(fù)責(zé)自身域內(nèi)的控制，超級控制器層負(fù)責(zé)管理域間的通信。

實現(xiàn)水平架構(gòu)的多域控制器的解決方案有分布式集群和東西向接口協(xié)議兩種方式。部署分布式集群可以實現(xiàn)同類型多控制器實例的協(xié)同工作，無法支持異構(gòu)控制器之間的協(xié)同工作。而東西向接口協(xié)議支持異構(gòu)多域控制器之間的協(xié)同工作，其通過交換路由等信息實現(xiàn)多域網(wǎng)絡(luò)通信。垂直架構(gòu)的多域控制器組網(wǎng)中超級控制器負(fù)責(zé)域間通信，而域控制器負(fù)責(zé)域內(nèi)的通信。超級控制器相當(dāng)于集中式的路由器，負(fù)責(zé)域間的通信，而每一個域由的域控制器模擬成獨立的網(wǎng)絡(luò)域，從而實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)的管理。目前實現(xiàn)垂直架構(gòu)的多域控制器協(xié)同工作的協(xié)議有Open eXchange協(xié)議。

從有單個控制器控制的網(wǎng)絡(luò)域拓展到多個控制器協(xié)同工作的多域網(wǎng)絡(luò)，還有一系列的工作需要解決。從網(wǎng)絡(luò)的實際需求來說，首先需要解決網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題。這一問題在軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)下可以歸結(jié)為跨域控制器的協(xié)同工作問題。目前有一些研究解決跨域控制器的協(xié)同工作問題，文獻(xiàn)[1]提出了一種可擴(kuò)展的會話協(xié)議（Extensible Session Protocol，XSP）。XSP是一個位于傳輸層之上的高級會話協(xié)議，被作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間的交互接口。此工作雖然存在它的應(yīng)用價值，但是不能成為解決SDN域間交互的有效機制。SDN旨在解決SDN多域協(xié)作的適用性的方法和機制，為新型域間路由等規(guī)模較大的互聯(lián)網(wǎng)下SDN域間應(yīng)用的可編程性提供關(guān)鍵的方法和機制。文獻(xiàn)[2]提出了EWBridge機制，即EWBridge是多域網(wǎng)絡(luò)的高性能網(wǎng)絡(luò)交換機制。EWBridge主要包括控制器/NOS發(fā)現(xiàn)過程、定義不同場景下的網(wǎng)絡(luò)視圖信息、網(wǎng)絡(luò)視圖信息存儲和轉(zhuǎn)換模式、高性能網(wǎng)絡(luò)視圖交換機制等5個功能模塊，由這5個功能模塊相互協(xié)作已實現(xiàn)跨域控制器的協(xié)同工作。

3 負(fù)載均衡算法

負(fù)載均衡是流管理領(lǐng)域中的一個非常重要的問題。在一個網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載平衡的目的是在多個路徑之間均勻地分配流，從而使它使用更少的時間能夠處理更多的數(shù)據(jù)流。為了避免服務(wù)器擁堵，許多數(shù)據(jù)中心使用負(fù)載均衡器硬件設(shè)備來幫助網(wǎng)絡(luò)的流量分布到多臺機器。然而，這些設(shè)備往往過于昂貴而不能被廣泛使用。SDN技術(shù)的出現(xiàn)帶來了一個有效和負(fù)擔(dān)得起的網(wǎng)絡(luò)流量控制方案。

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，常用負(fù)載均衡算法常見有流分割后再傳輸、流聚合后再傳輸和流透明傳輸3種方法。文獻(xiàn)[3]提出了流分割策略，將控制器匹配到的大流進(jìn)行分割后再進(jìn)行多路徑傳輸。首先設(shè)定了一個流速率閾值，當(dāng)某條大流f的速率超過該閾值時，即判定該流為大流，并需要進(jìn)行分割。針對流聚合再傳輸?shù)姆绞剑墨I(xiàn)[4]提出了MiceTrap方案。同時考慮到直接調(diào)度小流會導(dǎo)致調(diào)度效率過低，因此，該方案將網(wǎng)絡(luò)中的小流聚合后，再根據(jù)計算的路徑權(quán)重對聚合后的流進(jìn)行多路徑轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[5]基于模糊控制理論提出了模糊綜合評估機制(Fuzzy Synthetic Evaluation Mechanism，F(xiàn)SEM)實現(xiàn)路徑負(fù)載均衡。在網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)中并沒有流量，此時使用Top-K最短路徑算法計算出K條最短路徑。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量流量分布時，則采用FSEM對路徑進(jìn)行評估，并計算出最佳傳輸路徑。

4 結(jié)語

通過文獻(xiàn)和總結(jié)，文章分析了現(xiàn)有的多域交互技術(shù)以及SDN中已有負(fù)載均衡算法，并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征，需要進(jìn)一步對多域SDN中負(fù)載均衡算法研究。

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Research on load balancing routing algorithm in multi domain SDN networks

Zhang Dan, Zhu Xinghao, Li Shu
（Communication and Information Engineering College of Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China）

SDN is a new kind of network architecture, which can separate the data plane and the control plane. It usually uses a centralized controller to manage all the switches in the network. With the expansion of network scale, the limited performance of controller will lead to control plane congestion. Some schemes have been proposed to solve this problem by separating multiple domains from the network. In this paper, the existing inter-domain interactive technology and load balancing algorithm were analyzed, and the existing load balancing algorithms were compared.

SDN; inter-domain interaction; load balancing

張丹（1989— ），女，河南商丘。