分布式軟件定義網絡中多域流量工程的路由優化方法

摘要：針對分布式軟件定義網絡（software-defined networking，SDN）中流量管理調度不均衡的流量工程問題，提出一種基于負載均衡的多控制域流量路由優化的解決方案。首先分析控制消息流量的組成、域內通信及域間通信規則；然后基于4 種控制消息定義控制鏈路流量的構成，明確鏈路承載流量分為控制消息流量和業務流量，建立平衡控制器負載和最小化最大鏈路利用率的優化模型；最后基于域內通信和域間通信提出兩層路由算法。為提高模型求解精度，進一步提出改進離散螢火蟲算法求解最優路由。結合ABILENE 網絡和GEANT 網絡，分析控制消息流量、控制器負載和鏈路負載等評價指標。實驗結果表明，優化模型能有效實現控制器和鏈路負載均衡，控制消息流量是流量工程重要組成部分。相比集中控制模式，扁平分布式控制模式的平均控制器負載降低47.3%，最大鏈路利用率相差不超過15%。

關鍵詞：軟件定義網絡；流量工程；多控制域；離散螢火蟲算法

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）07-110-15

軟件定義網絡（software-defined networking，SDN）是將網絡分為控制平面和數據平面的一種新型網絡結構，能有效解決傳統網絡中流量擁塞、延遲、抖動等痛點，實現流量調度動態靈活、流量測量準確有效的高效流量工程模式[1]。單控制器集中式流量控制模式存在單點故障、負載過高等問題，多控制器分布式管理網絡資源成為一種必要保障[2]。SDN 基于全局網絡視圖、網絡狀態和流量模式等特征能實現新穎的流量工程解決方案[3]，特別是多控制器部署方案下的流量工程是研究熱點之一[4]。

基于SDN 的流量工程能提供可靠、全面、高效的流量調度策略，實現交換機之間的業務流量轉發[5]，通過多控制器之間互相協作規劃最優路由。相關學者從集中式控制平面提出流量工程方案[6?10]。Agarwal 等[6]首次提出基于流量工程實現SDN 網絡動態路由算法，以達到時延和丟包率的最小化，降低網絡鏈路的負載。Guo 等[7]基于混合SDN 架構，提出了一個混合整數非線性規劃問題，采用啟發式算法SDN/OSPF 流量工程（SDN/OSPF traffic engineering， SOTE）聯合優化SDN 節點的開放式最短路徑優先（open shortest path first，OSPF）權值設置和流量分割比，提高SDN 節點部署效益。Ammal 等[8]提出使用新的白蟻啟發的優化算法優化網絡鏈路利用率，實現網絡動態路徑分配，有效避免應用程序對帶寬的彈性需求擁塞。Wang 等[10]研究如何在線對流量矩陣和流量工程聯合優化，提出一種最大負載優先的流量規則生成策略，有效解決流量矩陣測量問題。多控制器解決方案是大規模SDN 網絡推廣的必然，部分學者進一步研究多控制器協作規劃路由[11?14]。Huang 等[11]實現一個多控制器的流量工程，建立流請求與多個交換機的映射關系，找到最小化流量設置時間的長期交換機-控制器映射和流量分布方案，實現預先計算備份控制器以及控制器故障時的流量分配。Sridharan 等[12]提出一種多控制器流量工程方案，實現控制器與交換機映射和流量分配，使流量設置時間最小化，能有效解決鏈路變化和控制器故障問題。Hua 等[14]考慮多域多層SDN 架構，基于分層控制平面提出一種多域SDN 流量工程方案，通過共享網絡信息庫，實現本地控制器規劃路由和根控制器集中決策路由，有效解決層次控制架構下的流量工程。上述研究未討論分布式控制器架構下的流量工程問題，忽略控制器控制路徑產生流量對整個網絡流量路由的影響，特別是控制鏈路擁堵、負載較高時，易引發網絡控制崩潰的風險。

在扁平分布式控制平面中，控制消息是多控制器之間網絡視圖和鏈路信息同步的載體；對流量工程的研究不能忽略控制消息流量對鏈路流量的影響。同時，從查閱的相關研究中未發現同時探討鏈路負載和控制器的負載均衡。基于此，筆者通過分析控制消息流量的生成規則，提出一種域間流量路由的流量工程方案。

1） 引入4 種控制消息流量，分析控制消息流量所在路由對鏈路負載的影響。

2） 基于多控制器聯合控制機制，討論域內通信和域間通信的策略，建立優化控制器負載和鏈路負載的流量優化模型。

3） 提出兩層路由（two-layered routing，TLR）算法求解流量的域內和域間路由。考慮到模型復雜度，進一步提出一種改進的離散螢火蟲（discrete firefly algorithm，DFA）算法提高模型求解精度。

實驗結果表明，流量優化模型能實現控制器和鏈路負載同時均衡的目標，證明控制鏈路流量對流量工程的重要性。