倪曉軍，段元新，章 韻，張敏敏

(南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院·軟件學(xué)院，江蘇 南京 210003)

一種多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)負(fù)載均衡路由策略研究

倪曉軍，段元新，章 韻，張敏敏

(南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院·軟件學(xué)院，江蘇 南京 210003)

目前，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)還沒有一套完整的負(fù)載均衡解決方案，使得整體網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。文中利用OpenFlow網(wǎng)絡(luò)控制器集中控制的優(yōu)勢(shì)，在控制器上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡路由策略。該策略能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)制定數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)策略：以鏈路多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值作為鏈路新的權(quán)重，并以此新權(quán)重計(jì)算源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)路徑，從而引導(dǎo)數(shù)據(jù)流時(shí)刻處于最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上。最后利用Mininet仿真技術(shù)，對(duì)文中提出的負(fù)載均衡路由策略進(jìn)行性能驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，文中提出的負(fù)載均衡路由策略有效緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了鏈路利用率。

OpenFlow；負(fù)載均衡；多指標(biāo)；路由算法

1 概 述

從20世紀(jì)70年代互聯(lián)網(wǎng)開始到現(xiàn)在，隨著業(yè)務(wù)和應(yīng)用的不斷豐富與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及應(yīng)用需求的大幅增長，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的矛盾越來越明顯。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)以IP核心為網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)逐漸暴露出了各式各樣的問題，網(wǎng)絡(luò)承載功能已從數(shù)據(jù)處理、報(bào)文傳輸?shù)然拘枨髷U(kuò)展到從安全性、穩(wěn)定性等多方面對(duì)服務(wù)質(zhì)量做出承諾。隨著近年來數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，作為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典問題，網(wǎng)絡(luò)鏈路的負(fù)載均衡開始得到大量關(guān)注。尤其是龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，如何對(duì)其進(jìn)行管理和充分利用鏈路資源，正面臨來自流量工程、路徑優(yōu)化、負(fù)載均衡等多個(gè)方面的挑戰(zhàn)。如果不能合理分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，就很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的有效交付。鏈路負(fù)載均衡可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡化，避免出現(xiàn)某些鏈路負(fù)載過重而其他鏈路閑置的情況。數(shù)據(jù)流均衡算法可以根據(jù)獲取的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)路徑，具有自適應(yīng)能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，從而提高整體系統(tǒng)的吞吐量和資源的優(yōu)化。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用的負(fù)載均衡路由算法大都基于跳數(shù)或時(shí)延參數(shù)，通過最短路徑優(yōu)先算法實(shí)現(xiàn)。這些路由策略為相同源地址、目的地址的數(shù)據(jù)建立唯一傳輸路徑，而且在建立路徑時(shí)，未考慮網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀態(tài)。這樣的路由策略由于其參數(shù)過于固定，路徑選擇結(jié)果相對(duì)單一，可能造成網(wǎng)絡(luò)局部鏈路擁塞，導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下；同時(shí)，與最短路徑相比，次最短路徑或者花費(fèi)稍長的路徑卻處于空閑狀態(tài)。

面對(duì)這些問題，研究者不得不借助硬件和相關(guān)協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展，這種功能擴(kuò)展和固化的硬件高度耦合的形式，將會(huì)導(dǎo)致新的想法和協(xié)議無法通過規(guī)?；渴鸬玫津?yàn)證。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從最初的TCP/IP發(fā)展到現(xiàn)在的TCP/IP協(xié)議簇和上千種補(bǔ)丁協(xié)議。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，架構(gòu)還是一如既往的封閉，缺少靈活性，難以跟上日益變化的網(wǎng)絡(luò)需求。

在這樣的背景下，亟需加快網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新的步伐，開發(fā)一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)來改善這種局面。其中軟件定義網(wǎng)絡(luò)[1-2](Software Defined Networking，SDN)則是近年來未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域諸多方向中堅(jiān)實(shí)且明確的一個(gè)研究方向。它提出了一種更加靈活高效的部署模式，以適應(yīng)企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)越來越靈活多變的需求。在SDN技術(shù)中尤以O(shè)penFlow[3]技術(shù)發(fā)展最快。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)采用集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，控制平面利用OpenFlow相關(guān)協(xié)議對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行集中控制，以此來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)?？刂破骷锌刂颇軌?qū)崿F(xiàn)對(duì)全網(wǎng)絡(luò)中每一條鏈路的信息進(jìn)行跟蹤檢測，保證制定數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)策略時(shí)，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能特征，從而改善網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，提高其傳輸效率。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2008年，Nick McKeown教授提出OpenFlow的概念，并詳細(xì)介紹了OpenFlow協(xié)議。OpenFlow憑借集中控制的優(yōu)勢(shì)能夠有效處理復(fù)雜的流量模型，并基于負(fù)載狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、精細(xì)的調(diào)整。就負(fù)載均衡技術(shù)而言，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡通常是由負(fù)載均衡器完成。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，OpenFlow交換機(jī)本身只負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，負(fù)載均衡則由控制器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡而言，雖然傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已有很多相關(guān)研究和解決方案，但在全新架構(gòu)的SDN網(wǎng)絡(luò)中，如何利用OpenFlow協(xié)議原理去實(shí)現(xiàn)鏈路負(fù)載均衡策略的相關(guān)研究并不多，仍然有待開發(fā)與完善。目前基于OpenFlow的負(fù)載均衡研究主要集中在控制器上，利用控制器集中管理優(yōu)勢(shì)，定時(shí)對(duì)交換機(jī)的流量狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流。

但OpenFlow技術(shù)目前還處于發(fā)展初期，在協(xié)議和處理機(jī)制上還存在諸多需要改進(jìn)和完善的地方[4]?，F(xiàn)有的OpenFlow控制器系統(tǒng)，如NOX[5]、FloodLight[6]等，均提供了用于完成數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的模塊，其采用Dijkstra最短路由算法，為OpenFlow交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供一種簡單策略，實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。然而，這種轉(zhuǎn)發(fā)方式很容易造成鏈路阻塞。

針對(duì)控制器在負(fù)載均衡方面存在的不足，國內(nèi)外許多學(xué)者都在進(jìn)行這方面的研究。文獻(xiàn)[7]中提出的名為Hedera的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)流調(diào)度系統(tǒng)，具有可擴(kuò)展、自適應(yīng)調(diào)度的特點(diǎn)，但其使用的ECMP和VLB等路由策略未考慮路徑的帶寬剩余容量，很可能會(huì)導(dǎo)致多條帶寬需求較大數(shù)據(jù)流的傳輸路徑存在部分公共鏈路，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞。文獻(xiàn)[8]中提出的基于OpenFlow的可適應(yīng)QoS視頻流優(yōu)化框架，采用帶時(shí)延約束的拉格朗日松弛路由算法計(jì)算視頻流轉(zhuǎn)發(fā)路徑。但該論文只單獨(dú)研究了視頻流的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并未考慮鏈路傳輸過程中數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性。文獻(xiàn)[9]提出了一種在胖樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，基于OpenFlow的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡路由算法DLB。雖然DLB這種針對(duì)單跳使用貪婪算法的選路策略簡單有效，但它沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的分布情況。該方法選出的源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的整條路徑，可能并不是當(dāng)前最優(yōu)路徑，在這種情況下，甚至?xí)觿【W(wǎng)絡(luò)的擁塞。文獻(xiàn)[10]中的GLB負(fù)載均衡算法改進(jìn)了文獻(xiàn)[9]中的DLB算法，使用當(dāng)前路徑最大剩余帶寬容量作為選路依據(jù)。在進(jìn)行路徑?jīng)Q策時(shí)，計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有路徑，以當(dāng)前路徑最大剩余帶寬容量為依據(jù)選出最優(yōu)傳輸路徑。然而，GLB負(fù)載均衡算法在選擇路徑時(shí)，只考慮了剩余帶寬容量的影響，并未考慮網(wǎng)絡(luò)中其他鏈路指標(biāo)，如：時(shí)延、丟包率、鏈路花費(fèi)等。

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)目前尚未形成一個(gè)完整、可信服的負(fù)載均衡路由策略，并且各個(gè)學(xué)者的研究方案采用的控制器、路由策略、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、仿真環(huán)境也各不相同，還無法對(duì)其性能優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比。這些路由策略都是在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的一些有益嘗試，為后續(xù)流量工程解決方案的研究提供了新的思路。

綜合上述研究成果，文中就數(shù)據(jù)流在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的路徑選擇問題，利用OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中控制器集中控制的優(yōu)勢(shì)，在控制器上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的負(fù)載均衡路由策略—多指標(biāo)評(píng)價(jià)的鏈路負(fù)載均衡路由策略。文中使用多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)每條鏈路進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，充分考慮鏈路傳輸數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，并采用基于主觀判斷的方法改變鏈路各指標(biāo)的權(quán)重，引導(dǎo)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到最適宜的路徑上。

3 多指標(biāo)全局負(fù)載均衡路由算法設(shè)計(jì)

3.1 多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型

目前，網(wǎng)絡(luò)性能的分析和評(píng)價(jià)主要側(cè)重于對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法的性能進(jìn)行分析，所涉及到的往往只是某個(gè)具體性能指標(biāo)。然而，對(duì)實(shí)際或設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)本身進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)，單個(gè)性能指標(biāo)有時(shí)并不能反映網(wǎng)絡(luò)的整體性能。例如，在比較A、B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣時(shí)，A網(wǎng)絡(luò)有些性能指標(biāo)優(yōu)于B網(wǎng)絡(luò)，而B網(wǎng)絡(luò)亦有些性能指標(biāo)優(yōu)于A網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下，就很難根據(jù)其中某一個(gè)性能指標(biāo)來比較A、B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體性能的優(yōu)劣。所以，必須采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，即將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)能夠反映網(wǎng)絡(luò)綜合性能的指標(biāo)，來對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系的鏈路負(fù)載均衡路由策略。

全球互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)權(quán)威核心組織IETF的IPPM(IP Performance Metrics)[11]工作組提出了一系列網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)：時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、路徑利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)帶寬等，用于評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量[12]。在日常網(wǎng)絡(luò)使用過程中，可用帶寬剩余容量、時(shí)延、丟包率三個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量影響最大。因此，文中選取可用帶寬剩余容量、時(shí)延、丟包率三個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以O(shè)penFlow交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口作為測量對(duì)象，建立網(wǎng)絡(luò)性能的綜合評(píng)價(jià)模型，如圖1所示。該模型以網(wǎng)絡(luò)接口的流量信息為數(shù)據(jù)源，對(duì)經(jīng)過接口的流量進(jìn)行分析，得出該鏈路的性能指標(biāo)信息。

圖1 鏈路性能綜合評(píng)價(jià)模型

文中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)測量獲得的各性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立一套行之有效的評(píng)價(jià)模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而更直觀地反映網(wǎng)絡(luò)的綜合性能情況。因各個(gè)指標(biāo)之間的大小評(píng)價(jià)程度和影響力不同，無法進(jìn)行統(tǒng)一比較，需要通過數(shù)學(xué)變換的方式，消除各測量指標(biāo)數(shù)值之間的影響。模糊評(píng)估方法廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是評(píng)價(jià)參數(shù)較多、評(píng)估結(jié)論比較模糊的場合，效果更加明顯，如大小、高低、好壞的評(píng)估。模糊評(píng)估方法主要有模糊矩陣法[13-14]、Delphi法[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[16]等。文中運(yùn)用模糊集之父—美國學(xué)者L.A.Zadeh提出的模糊隸屬度函數(shù)的方法，結(jié)合文獻(xiàn)[13-14,17]等提出的模糊評(píng)價(jià)模型，采用直線型模糊無量綱化方法評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能。此方法的操作步驟是：

(1)正指標(biāo)，指標(biāo)測量值越大，網(wǎng)絡(luò)性能越好，如帶寬等。

(2)負(fù)指標(biāo)，指標(biāo)測量值越大，網(wǎng)絡(luò)性能越差，如時(shí)延等。

最后，采用加權(quán)平均評(píng)價(jià)模型計(jì)算路徑的綜合性能評(píng)價(jià)值，計(jì)算方法如下：

wk的取值可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型做相應(yīng)調(diào)整。例如，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬需求較大的文件傳輸，可通過相應(yīng)提高鏈路可用帶寬剩余容量的權(quán)重系數(shù)來滿足其需求。通過調(diào)整鏈路各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，就可以適應(yīng)各種類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.2 鏈路選擇

在得到每一條鏈路的綜合性能評(píng)價(jià)值后，下一步就是根據(jù)該綜合評(píng)價(jià)值選出一條最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。由于需要?jiǎng)討B(tài)制定轉(zhuǎn)發(fā)策略，每當(dāng)有新數(shù)據(jù)流到達(dá)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)時(shí)，F(xiàn)loodlight控制器都會(huì)綜合全網(wǎng)絡(luò)中各鏈路的負(fù)載情況，為新數(shù)據(jù)流選擇適宜的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)鏈路的負(fù)載均衡。同時(shí)，由于流表中沒有與到達(dá)交換機(jī)的新數(shù)據(jù)流相匹配的流表項(xiàng)，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)流的分組封裝Packet-in消息發(fā)送到控制器，控制器經(jīng)過以下步驟完成對(duì)該數(shù)據(jù)流的處理：

Step1：解析數(shù)據(jù)包的源地址、目的地址；

Step2：根據(jù)源地址與目的地址，分別查找與其直連的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；

Step3：根據(jù)鏈路狀態(tài)計(jì)算鏈路的綜合評(píng)價(jià)值；

Step4：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路綜合評(píng)價(jià)值，為該數(shù)據(jù)流選取最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑；

Step5：創(chuàng)建流規(guī)則，并將該數(shù)據(jù)流的處理規(guī)則告知轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的所有交換機(jī)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)方案，文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在一臺(tái)Windows 8系統(tǒng)主機(jī)上運(yùn)行兩臺(tái)Ubuntu系統(tǒng)虛擬主機(jī)。一臺(tái)虛擬主機(jī)運(yùn)行Mininet[18]仿真軟件并部署sFlow[19]代理采集器，另一臺(tái)虛擬主機(jī)運(yùn)行Floodlight控制器軟件和sFlow收集器，sFlow收集器用于收集接口信息并反饋給控制器。sFlow是由InMon、HP和Foundy Networks于2001年聯(lián)合開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)，并已形成RFC3176標(biāo)準(zhǔn)，是一種以設(shè)備端口為基本單位的數(shù)據(jù)流隨機(jī)采樣流量監(jiān)控技術(shù)，不僅可以提供網(wǎng)絡(luò)的第2～4層實(shí)時(shí)流量信息，而且可以適應(yīng)超大網(wǎng)絡(luò)流量(如大于10 Gbit/s)環(huán)境下的流量分析，讓用戶詳細(xì)、實(shí)時(shí)地分析網(wǎng)絡(luò)傳輸流的性能、趨勢(shì)以及存在的問題。sFlow作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以提供周期性的網(wǎng)絡(luò)接口統(tǒng)計(jì)采樣和數(shù)據(jù)包采樣，也能夠提供各接口的流量信息，而且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)被統(tǒng)計(jì)設(shè)備造成任何負(fù)擔(dān)，管理成本極低(sFlow的原理和部署過程不再贅述)。兩臺(tái)虛擬主機(jī)使用Bridged Adapter模式進(jìn)行通信。sFlow代理采集器會(huì)將采集到的各鏈路實(shí)時(shí)性能信息發(fā)送至sFlow收集器，sFlow收集器將接收到的鏈路信息存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，并每隔一定周期更新一次數(shù)據(jù)庫中的鏈路信息。當(dāng)控制器需要為新數(shù)據(jù)流分配轉(zhuǎn)發(fā)路徑時(shí)，控制器讀取本地?cái)?shù)據(jù)庫中的鏈路信息，相應(yīng)制定數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)策略，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。采取傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中比較成熟的網(wǎng)絡(luò)信息采集軟件sFlow，可以避免出現(xiàn)因采集鏈路信息引發(fā)Floodlight控制器負(fù)荷過大的問題，使控制器在幾乎零負(fù)荷的情況下就能采集得到網(wǎng)絡(luò)中的鏈路信息。

仿真實(shí)驗(yàn)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。所有鏈路帶寬限定為5 Mbps，每條鏈路上的傳輸時(shí)延設(shè)定為10～20 ms間的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，sFlow收集器收集每個(gè)鏈路上的有效信息并傳至Floodlight控制器，設(shè)置sFlow統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間為2 s，三個(gè)性能指標(biāo)所占權(quán)重都設(shè)為1/3。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)所用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了測試鏈路評(píng)價(jià)值的靈敏度，將鏈路(s2,s1)作為觀測主體，向其注入流量，實(shí)時(shí)觀測各鏈路的綜合評(píng)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

Step1：初始狀態(tài)時(shí)，沒有其他流量干擾，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，得到的鏈路綜合評(píng)價(jià)值相對(duì)穩(wěn)定。

Step2：h2以3Mbps的速率向h1發(fā)送udp數(shù)據(jù)包，為鏈路(s2,s1)注入流量，幾秒后以5Mbps的速率向h1發(fā)送udp數(shù)據(jù)包。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)鏈路(s2,s1)注入流量后，鏈路(s2,s1)的綜合評(píng)價(jià)值下降幅度很大，說明模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有對(duì)鏈路信息實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)算的能力。

下面采用搭建的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)發(fā)路徑能夠正常分配的前提下，分別對(duì)文中提出的路由策略與Floodlight控制器的最短路由轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，使用以上兩種路由策略各進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，分別記錄路徑選擇結(jié)果。實(shí)驗(yàn)條件如下：

圖4 鏈路性能評(píng)價(jià)曲線圖

設(shè)定主機(jī)h1每隔2s啟動(dòng)一次，輪流與h6、h7進(jìn)行通信，兩條數(shù)據(jù)流均為3Mbps的udp數(shù)據(jù)流，每條數(shù)據(jù)流持續(xù)時(shí)間為60s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 Floodlight最短路由轉(zhuǎn)發(fā)策略路徑分配表

表2 多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)路由策略路徑分配表

從表1可以看出，三次模擬實(shí)驗(yàn)Floodlight最短路由策略路徑選擇結(jié)果相同。當(dāng)兩條數(shù)據(jù)流都在路徑s1-s2-s3-s6中傳輸時(shí)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)鏈路擁塞問題。而從表2可以看出，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)路由策略在進(jìn)行路徑分配時(shí)，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)信息，合理分配轉(zhuǎn)發(fā)路徑，避免了最短路由策略中部分鏈路過載、部分鏈路空閑的問題，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用率。

采用文獻(xiàn)[20]中的隨機(jī)流量模式，分別使用文中提出的路由策略與Floodlight控制器的最短路由轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩種路由策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，每一臺(tái)主機(jī)等概率選擇另一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行通信，流量發(fā)送速率從0.5Mbps至5Mbps依次增大，每條數(shù)據(jù)流持續(xù)時(shí)間為60s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖中可以看出，使用文中提出的基于鏈路綜合評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)流負(fù)載均衡路由策略，帶寬利用率明顯高于Floodlight的最短路由策略，且隨著數(shù)據(jù)流發(fā)送速率的增大，兩者之間的差距越來越明顯。因此，基于鏈路綜合評(píng)價(jià)的負(fù)載均衡路由策略可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

5 結(jié)束語

文中針對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期負(fù)載均衡不完善的問題，分析了現(xiàn)有基于OpenFlow技術(shù)負(fù)載均衡的研究成果，提出了基于鏈路多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的負(fù)載均衡路由策略。該策略采用多個(gè)鏈路指標(biāo)，對(duì)鏈路的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并據(jù)此制定數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)策略，選取最有利于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的傳輸路徑，避免出現(xiàn)局部鏈路阻塞的問題。最后在Mininet實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建性能驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了文中方案的可行性和有效性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的負(fù)載均衡路由策略有效緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的整體利用效率。但文中也有很多不足之處。例如，由于該路由策略需要計(jì)算每條鏈路的綜合評(píng)價(jià)值，計(jì)算量較大，這在一定程度上限制了文中提出的路由策略的應(yīng)用。針對(duì)不足之處，后續(xù)還將繼續(xù)修訂完善。

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Research on Load Balancing Routing Strategy Based on Link Multi-index Evaluation System

NI Xiao-jun,DUAN Yuan-xin,ZHANG Yun,ZHANG Min-min

(College of Computer,College of Software,Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China)

The underutilization of network resources is low,which resulted from the absence of a complete load-balancing solution in OpenFlow network.In this paper,a dynamic load balancing routing strategy for data flows is proposed and implemented on the controller of OpenFlow network,utilizing the centralized controlling advantages of controllers in OpenFlow network.The strategy could develop a dynamic data flows forwarding policy based on network condition information:the multi-index comprehensive evaluations of links served as the new weights which are applied in calculations of the best path between the source node and the destination node;sequentially the data flows would be forwarded on the best path at all times.At last,the Mininet simulation technology is used in verifying the performance of the proposed load-balancing routing strategy in this paper.The results show that the proposed load-balancing routing strategy can effectively alleviate the congestion of networks and improve the utilization of links.

OpenFlow;load balancing;multi-index;routing algorithm

2015-09-18

2015-12-22

時(shí)間：2016-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61472192)

倪曉軍(1969-)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及其在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用等；段元新(1989-)，女，碩士生，研究方向?yàn)檐浖x網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)性能分析等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160525.1711.062.html

TP393

A

1673-629X(2016)06-0046-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.06.010