洪 波，魏德賓

（1.大連大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622；3.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不僅要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)要具有生成和管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制功能［1-3］。SDN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控解耦，能夠更好地解決當(dāng)前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨的資源規(guī)模擴(kuò)展受限、組網(wǎng)靈活性差、難以快速滿足業(yè)務(wù)需求等問題［4-6］。

高動(dòng)態(tài)大跨度的無線網(wǎng)絡(luò)給網(wǎng)絡(luò)性能帶來了新的挑戰(zhàn)：高動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致通信鏈路的不穩(wěn)定；大跨度的網(wǎng)絡(luò)特性容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)延長(zhǎng)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，單一控制器的SDN 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滿足不了高動(dòng)態(tài)大跨度網(wǎng)絡(luò)的健壯性和魯棒性需求，從而影響全網(wǎng)的通信質(zhì)量，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)的癱瘓［7-8］。

為了解決上述問題，本文提出了分布式SDN 網(wǎng)絡(luò)的概念，并將物理上分散的控制器形成控制器集群。這樣一來，既可以彌補(bǔ)單一SDN 控制器網(wǎng)絡(luò)承載力弱和抗毀性差的問題，同時(shí)又可以提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性。目前，分布式SDN 架構(gòu)分為完全分布式和分層式兩種［9-11］。

完全分布式SDN 架構(gòu)采用的是扁平式控制方式。完全分布式SDN 架構(gòu)通常將整個(gè)SDN 網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)互不相交的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中都設(shè)置了一個(gè)SDN 交換機(jī)集合，通過一個(gè)或多個(gè)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)SDN 交換機(jī)集合的管理。這種完全分布式架構(gòu)減小了交換機(jī)和控制器之間的數(shù)據(jù)傳播時(shí)延。完全分布式的SDN 架構(gòu)中的控制器在物理上分處各個(gè)不同且不相交的區(qū)域，但在邏輯上是掌握全網(wǎng)狀態(tài)的全局控制器。因此，一旦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，分布各地的控制器需要同時(shí)更新，此時(shí)，交換機(jī)僅需重新調(diào)整與控制器間的地址映射即可，無需進(jìn)行繁瑣的更新操作，所以，完全分布式的結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)層產(chǎn)生的影響較小，但是其共享機(jī)制復(fù)雜且負(fù)載不易控制。

分層式SDN 架構(gòu)采用層次控制方式。上層全局控制器掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全局信息，并對(duì)下層局部控制器的負(fù)載均衡和一致性協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)。而下層的局部控制只對(duì)本區(qū)域負(fù)責(zé)。層次式的控制器有兩種交互方式：一種是下層局部控制器和上層全局控制器之間的交互；一種是上層全局交換機(jī)之間的交互。所以，局部控制器之間不需要進(jìn)行信息共享等交互，只需處理好全局控制器之間的信息交互。分層式架構(gòu)的局域內(nèi)控制時(shí)延小且控制器連接機(jī)制簡(jiǎn)單，但是，全局事件時(shí)延大，擴(kuò)展性差。

鑒于此，本文針對(duì)高動(dòng)態(tài)大跨度無線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，結(jié)合完全分布式SDN 架構(gòu)和分層式SDN 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種分布式的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)DSDWN（Distributed Software Defined Wireless Network），并基于該架構(gòu)設(shè)置了主從控制器和事件傳播系統(tǒng)，提出了控制器配置算法和主控制器選擇算法，以減少網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，解決網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)和大跨度等特征帶來的問題。

1 DSDWN

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 DSDWN 系統(tǒng)

本文將完全分布式的SDN 架構(gòu)運(yùn)用到主從控制器的網(wǎng)絡(luò)中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)根據(jù)控制域進(jìn)行劃分，每個(gè)控制域均有一個(gè)主控制器（Master_Ctrl）和多個(gè)從控制器（Slave_Ctrl）。在同一個(gè)控制域內(nèi)，控制器形成集群，擁有該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)視圖，每層控制器集群中設(shè)置一個(gè)主控制器，各層的主控制器通過事件傳播系統(tǒng)共享全局信息。

1.2 事件傳播系統(tǒng)

主控制器間事件的傳播采用發(fā)布/訂閱消息模式，如圖2 所示。每個(gè)控制器訂閱網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信道、控制信道及自身信道，并被授予權(quán)限以發(fā)布和訂閱信息?？刂破鲗⒈镜鼐W(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序發(fā)布到數(shù)據(jù)信道中，針對(duì)一個(gè)特定的控制器事件和OpenFlow 命令在相應(yīng)控制器的信道內(nèi)發(fā)布。此外，每個(gè)控制器必須利用控制信道周期性地通告自身信息。

負(fù)責(zé)控制器通信服務(wù)的發(fā)布/訂閱消息模式需提供以下服務(wù)：

圖2 事件傳播系統(tǒng)

1）提供發(fā)布事件的持久性存儲(chǔ)（提供有保證的事件交付），保持同一個(gè)控制器發(fā)布事件的順序；

2）免疫網(wǎng)絡(luò)分割，每個(gè)分割必須獨(dú)立繼續(xù)運(yùn)行并在重新連接時(shí)實(shí)現(xiàn)同步；

3）盡量減少傳播事件所需的跨站點(diǎn)的流量，即一個(gè)站點(diǎn)的控制器應(yīng)該從附近的控制器得到大多數(shù)其他站點(diǎn)的更新，以避免跨區(qū)域連接的擁塞；

4）加強(qiáng)訪問控制，以確保訪問擁有權(quán)。

WheelFS 分布式文件系統(tǒng)［12］是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)上述事件傳播的發(fā)布/訂閱消息模式。WheelFS 帶來了應(yīng)用程序的可控性、一致性、耐久性以及根據(jù)語義線索的要求放置數(shù)據(jù)的能力。語義線索可以直接嵌入在路徑名中，以改變文件系統(tǒng)的行為。WheelFS分布式文件系統(tǒng)采用目錄表示信道并采用文件表示信息，因此，為檢測(cè)信息的到達(dá)，控制器應(yīng)用程序?qū)δ夸涍M(jìn)行定期輪詢。

此外，使用WheelFS 還能夠免疫網(wǎng)絡(luò)分割。一旦網(wǎng)絡(luò)被分割，每個(gè)分割上WheelFS 能夠繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作?？刂破鲿?huì)得到分割斷開時(shí)其他分割中所有發(fā)生的事件，經(jīng)過重播后使得所有控制器的網(wǎng)絡(luò)級(jí)視圖重新一致。

2 控制器系統(tǒng)配置策略

2.1 問題描述

在DSDWN 架構(gòu)中，組成控制器集群的前提是對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取，進(jìn)而部署交換機(jī)節(jié)點(diǎn)。本文用G=（V，E）表示該無線網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2.2 算法設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的配置策略有基于聚類算法［13］的控制器集群算法和基于貪婪算法［14］的控制器配置兩種。基于聚類的控制器配置算法的優(yōu)勢(shì)在于可用于降低一個(gè)控制器所連通信節(jié)點(diǎn)中的所有鏈路的時(shí)延最大值，使得每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)到控制器的最大值都不會(huì)太高。基于貪婪的控制器配置算法優(yōu)勢(shì)在于節(jié)點(diǎn)控制器間的平均時(shí)延較小。然而，在本文提出的分布式SDN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，以上兩類算法都無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制器節(jié)點(diǎn)的選擇，故需設(shè)計(jì)新的控制器配置策略。

假設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)通信周期為T，T 劃分為S 個(gè)時(shí)間片，一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，控制器Ck與交換節(jié)點(diǎn)v 間的時(shí)延記作d（v，Ck），控制器個(gè)數(shù)為M，計(jì)算權(quán)重uk。

結(jié)合以上描述，本文設(shè)計(jì)的控制器配置算法的具體步驟為：

Step1：依就近原則對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分R={R1，R2，R3，…，RL}；

Step2：對(duì)于每個(gè)Ri，依據(jù)權(quán)重計(jì)算公式，按升序方式生成權(quán)重序列為{u1，u2，…，uM，…，uN}，則初始聚類中的控制器為{v1，v2，…，vM}；

Step3：聚類中添加符合d（vi，v）≤Dreq，i=1，2，…，M 的節(jié)點(diǎn)V；

Step4：對(duì)已有聚類進(jìn)行迭代，重新計(jì)算權(quán)重并升序排列，控制器則由選出局部最小節(jié)點(diǎn)替代。

Step5：重復(fù)上述步驟，直到所有的節(jié)點(diǎn)都包含在某一聚類中。

3 主控制器選擇策略

對(duì)于已經(jīng)獲得的控制器集群，還需從中選擇出主控制器，以實(shí)現(xiàn)控制域之間的正常通信。為保證主控制器與其他節(jié)點(diǎn)間的通信在時(shí)延、鏈路連接時(shí)長(zhǎng)、資源等各方面均為最優(yōu)，本節(jié)利用多目標(biāo)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了主控制器的選擇。

3.1 問題描述

令t 時(shí)刻下控制器集群所在的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為G（t）=（V，E（t）），0≤t≤T，其中節(jié)點(diǎn)集合為V={v1，v2，…，vs}，E（t）是鏈路集合。對(duì)鏈路參數(shù)進(jìn)行定義，如表2所示。

表2 鏈路參數(shù)

其中鏈路連接狀況函數(shù)為：

用m 表示節(jié)點(diǎn)集合V={v1，v2，…，vs}組成的控制器系統(tǒng)中共有m 類資源，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有若干資源。

對(duì)鏈路連接時(shí)長(zhǎng)c，鏈路總時(shí)延d，及節(jié)點(diǎn)的資源Rj進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，其優(yōu)化函數(shù)和約束條件如下：

將上述問題通過數(shù)學(xué)描述簡(jiǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，如下式：

3.2 權(quán)值計(jì)算

本文的權(quán)重是指，把第1 個(gè)屬性鏈路連接時(shí)長(zhǎng)的權(quán)ω1和第2 個(gè)屬性總時(shí)延的權(quán)ω2之比記為α12，第2 個(gè)屬性總時(shí)延的權(quán)ω2和第3 個(gè)屬性節(jié)點(diǎn)資源的權(quán)ω3之比記為α23，以此類推，構(gòu)成決策矩陣。則

式中，I 是單位矩陣，若矩陣A 中的值估計(jì)準(zhǔn)確，上式嚴(yán)格等于0；若估計(jì)不夠準(zhǔn)確，則A 中元素的小的攝動(dòng)代表本征值的小的攝動(dòng)，于是有

表3 階數(shù)為n 的矩陣對(duì)應(yīng)的RI 值

此處CR 應(yīng)不小于0.1，否則必須重新考量w，可由式（7）求出。

4 仿真與性能分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

本文基于mininet 平臺(tái)，采用floodlight 作為控制器，對(duì)文中所提出的架構(gòu)及配置策略的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真在基于主從架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行，其仿真的參數(shù)如表4 所示。

表4 仿真參數(shù)

4.2 控制器配置策略性能仿真

依據(jù)第3 節(jié)設(shè)計(jì)的算法和以上仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，其時(shí)延仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 時(shí)延性能對(duì)比

由圖3 可知，本文算法在時(shí)延方面比貪婪算法降低了13%～18.2%，比聚類算法降低了8.3%～15%。且當(dāng)控制器個(gè)數(shù)M 值越小時(shí)，本文算法的優(yōu)勢(shì)更加顯現(xiàn)。

4.3 主控制器選擇策略性能仿真

本節(jié)對(duì)提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化的控制器選擇策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真對(duì)象為4.2 中得到控制器集群。

在仿真中，定義鏈路連接時(shí)長(zhǎng)權(quán)值為ω1，總時(shí)延權(quán)值為ω2，節(jié)點(diǎn)資源權(quán)值為ω3，權(quán)向量w=（0.25，0.55，0.2）T。

根據(jù)3 種屬性權(quán)值設(shè)置計(jì)算得CR=0.07，因此，權(quán)向量估計(jì)可被接受。

在Other_Ctrl 中任選一個(gè)作為目的節(jié)點(diǎn)Destination_Ctrl1，再?gòu)腛ther_Ctrl 中隨機(jī)選擇Oth er_Ctrl1，Other_Ctrl2，Other_Ctrl3，比 較Master_Ctrl到Destination_Ctrl 及，Other_Ctrl1，Other_Ctrl2，Other_Ctrl3 到Destination_Ctrl 的路由開銷。這里的路由開銷為傳遞數(shù)據(jù)分組時(shí)使用的控制分組總和。仿真中hello 包發(fā)送周期為10 s，仿真時(shí)間為300 s，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 路由開銷性能對(duì)比

由圖4 可知，Other_Ctrl1，Other_Ctrl2，Other_Ctrl3的路由開銷均高于Master_Ctrl 的路由開銷，最多高7.8%。這是由于通過本文主控制器策略選擇出來的Master_Ctrl 優(yōu)化了鏈路連接時(shí)長(zhǎng)，總時(shí)延及節(jié)點(diǎn)資源，擁有更好的性能。

5 結(jié)論

本文基于分布式SDN 思想，設(shè)計(jì)了一種分布式的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)DSDWN，利用事件傳播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各集群主控制器的通信及同步。仿真結(jié)果表明，本文提出的控制器配置算法在時(shí)延上有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境控制器的配置部署，提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化主控制器選擇策略，路由開銷更小，綜合性能更優(yōu)。