探討SDN流表的回溯式負載均衡技術應用與優化

李瑩

摘 要：SDN軟件定義網絡是新型的網絡架構，體現出良好的轉發與控制解耦、集中控制等特性，較好地解決流量不均衡分布而引發的熱路徑瓶頸問題，對于解決網絡流量不均衡分布而引發的熱路徑問題有重要的作用。為此，本文重點探討和研究基于SDN流表的回溯式負載均衡技術，構建基于SDN流表的回溯式負載均衡系統，提升網絡路徑負載均衡的適應性。

關鍵詞：SDN流表 回溯式 負載均衡 技術

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-02

本文探討基于SDN的新型網絡架構，實現網絡數據和控制功能的解耦合，并引入負載均衡技術，收集和獲取網絡狀態實時信息，極其有效地實現對網絡流量的合理分配和管理，避免網絡鏈路中的阻塞現象，提升網絡鏈路資源利用率和用戶體驗。

1 負載均衡技術及流表研究概述

1.1 以單控制器為主的負載均衡技術

該負載均衡技術可以從數據層面和控制層面加以分析和理解，其中，數據層面的負載均衡技術是基于單控制器場景實現對流量的均勻分布和調控，利用路由技術和重路由技術，提升網絡鏈路的利用率，避免網絡鏈路疊合或閑置的問題?？刂茖用娴呢撦d均衡技術關注控制器與交換機的頻繁交互性能的研究，相關學者提出了主動混合流表與被動混合流表安裝的模式，以減輕控制器與交換機頻繁交互的問題；還有些學者提出改進的快速流調度技術，減輕控制器和交換機之間的通信負載壓力。

1.2 分布式控制器下的負載均衡技術

分布式控制器包括有主控制器、輔控制器和等價控制器，是一種動態的負載均衡技術，動態優化控制器與交換器節點的關系，其缺陷在于遷移技術部署相對復雜和繁瑣，增大了時間和資金成本。

1.3 流表研究

SDN流表在交換機中增添高速TCAM表與低速表存儲相結合的存儲空間，借助于流表項關聯度算法、前綴聚合算法、無前綴聚合算法，實現對SDN流表的壓縮存儲，較好地優化流表容量。同時，還要注重對網絡流量細粒度的有效管理和控制，及時更新表項，解決流表容量不足的問題。

2 SDN流表的回溯式負載均衡優化方案分析

2.1 方案思路

基于SDN流表的回溯式負載均衡技術思路，主要表現為以下內容：LLDP報文全網流表—鏈路測量—擁塞檢測（流表容量及隊列容量）—擁塞預處理—路徑找尋、節點變更—流表清理并進行路徑評價。

2.2 基于SDN流表的回溯式負載均衡技術信息

基于SDN流表的回溯式負載均衡技術中的外部信息包括有LLDP報文、節點黑名單集合、端口隊列緩存數信息、表項緩存數、節點序列集合等；內部信息包括有：可擴展的Packet-In消息、網絡測量信息、節點類型標志信息、尋徑消息、可達路徑節點序列集合、較優路徑集合信息、回溯請求消息、回溯記錄信息、Flowmod消息等。

2.3 SDN流表的回溯式多路徑負載均衡系統構建

2.3.1 基于SDN流表的負載均衡基本活動及行為分析

在SDN流表的回溯式多路徑負載均衡系統之中，主要包括以下基本活動和行為：（1）網絡鏈路測量。主要是指LLDP報文、全網流表集合信息的映射活動。（2）擁塞檢測。主要是映射端口隊列信息、流表容量信息、擁塞信息等內容。（3）擁塞預處理。主要映射擁塞信息、測量信息和尋徑信息等內容。（4）路徑回溯。主要是映射原路徑信息、回溯請求信息、二次尋徑信息、回溯記錄信息等。（5）路徑評價。主要是映射路徑、測量信息和較優路徑等內容。

2.3.2 基于SDN流表的負載均衡系統結構及其行為特性分析

SDN流表的負載均衡系統結構以擁塞檢測為起點，以擁塞預處理為分叉點，實現系統流量擁塞負載均衡和流表擁塞負載均衡，包涵有鏈路測量、擁塞檢測、擁塞預處理、路徑尋找、路徑回溯、路徑評價、表項生成及清理、節點刪除及添加等子項。具體來說，其行為特性可以描述為：（1）由LLDP報文和全網流表獲悉鏈路測量信息，通過擁塞檢測獲悉擴展的PACKET-IN消息，經由擁塞預處理獲取路徑集合信息，評價得出較優路徑并生成表項。（2）由LLDP報文和全網流表獲悉鏈路測量信息，通過擁塞檢測獲悉擴展的PACKET-IN消息，經由擁塞預處理獲取回溯請求、二次尋徑等信息，評價得出較優路徑并生成最終輸出調度流表項。

2.4 SDN流表的回溯式多路徑負載均衡關鍵技術

2.4.1 SDN流表負載均衡框架算法

這主要包括流量擁塞型負載均衡子框架算法和流表擁塞型負載均衡子框架算法，其中：（1）流量擁堵型負載均衡子框架算法。由控制器實現對網絡狀態的周期性更新，檢測交換機的擁堵現象，并生成擴展的Packet-In消息，由相應的負載均衡處理模塊進行路徑尋找、評價和表項生成。（2）流表擁堵型負載均衡子框架算法。該算法針對流表容量不足而出現的網絡擁堵現象進行分析，要設立兩個閾值，在流表容量超出第一個閾值的情形下，可以通過路由算法修改流表所在交換機的節點黑名單；在流表容量超出第二個閾值的情形下，導入表項清理行為，以避免網絡流量轉發過大而引發的擁堵現象。

2.4.2 SDN流表負載均衡關鍵算法

框架算法中的關鍵子算法主要包括以下內容：（1）擁堵檢測關鍵子算法。該算法的步驟為：提取輸入的端口隊列長度信息→提升輸入的流表容量信息→計算提取隊列長度與總隊列長度的比值→計算提出流表項數目與流表總容量比值，在計算得出比值大于70%、80%、90%時，則會發送擁堵信息至控制器，由此實現對網絡擁堵現象的檢測。（2）回溯尋徑關鍵子算法。該算法的步驟為：讀取尋徑信息—提取交換機和目標流的信息—深度搜索所有路徑。

3 SDN流表的回溯式負載均衡技術實現

基于SDN流表的回溯式負載均衡系統能夠實現網絡交換機擁堵狀態的主動檢測，并將信息傳送至控制器；能夠回溯節點尋徑特性，對流表缺位的交換節點進行記錄，生成節點黑名單，并清理超載交換機，以達到提升系統均衡及效率的能力。

SDN流表的回溯式負載均衡技術依照三層網絡架構進行部署和設計，由下到上為交換機、RYU控制器、SDN負載均衡系統框架，由底層交換機實現網絡擁堵檢測，生成擴展的PACKET-IN消息，并傳送至控制器的預處理模塊，由控制器的測量模塊實時測量獲取網絡鏈路及拓撲表信息，再實施流表項的清理、添加和刪除等活動。在SDN流表的回溯式負載均衡技術之中，主要采用順序圖和協作圖的交互設計表達方式，其中：順序圖注重執行動作的先后順序關聯；協作圖則側重于執行活動的交互與協作，兩種表達方式是可以轉換并對應操作的。

4 結語

綜上所述，多路徑的網絡拓撲環境中可以采用SDN負載均衡技術和系統，在明晰SDN負載均衡的相關概念前提下，搭建SDN流表負載均衡運行機制，引入SDN負載均衡框架算法和子程序的關鍵算法，設計多路徑的SDN負載均衡系統，有效解決網絡擁堵時延現象，合理進行流量調度和優化。未來還要關注非特殊拓撲環境下降低尋徑算法復雜度的問題，深度利用流表容量參數，更好地提升網絡負載均衡能力和效率。

參考文獻

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