馬嘉葆，李 磊

(西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 引言

云存儲(chǔ)憑借可拓展性強(qiáng)、節(jié)約存儲(chǔ)空間以及數(shù)據(jù)安全性系數(shù)較高等優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用于在各個(gè)領(lǐng)域中[1]。而當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息量不斷增加，云存儲(chǔ)等新的技術(shù)針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸提出了更高的要求，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部已滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)，還繼續(xù)將新的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，沒(méi)有進(jìn)行分流操作，使此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)鏈路呈現(xiàn)過(guò)載狀態(tài)，被迫停止運(yùn)行或無(wú)法正常傳輸。因此，如何將云存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)整，以及針對(duì)均衡調(diào)度等問(wèn)題，成為了目前的研究重點(diǎn)[2]。

王保華[3]等人提出基于MVB網(wǎng)絡(luò)的周期數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法，該方法通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型，并采用平均負(fù)載率為中心預(yù)測(cè)域的免疫遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行全局最優(yōu)求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載的均衡調(diào)度。使算法的收斂速度得到提高并簡(jiǎn)化了算法的求解過(guò)程，但是，該方法在對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，傳統(tǒng)程序不屬于開(kāi)放性可編程API，導(dǎo)致鏈路利用率不能滿(mǎn)足于固定閾值。張釗[4]等人提出基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流概率路徑選擇的數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法，該方法以最短路徑選擇方法為基礎(chǔ)，采用網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類(lèi)處理，并對(duì)每條數(shù)據(jù)流在調(diào)度過(guò)程中的占用寬帶情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)DCN數(shù)據(jù)流量進(jìn)行調(diào)度與優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)負(fù)載的均衡調(diào)度。該方法在對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，由于傳統(tǒng)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面在同一平臺(tái)上，導(dǎo)致對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)鏈路的調(diào)度延時(shí)較長(zhǎng)。蘇洵等人[5]提出實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與任務(wù)模型。該模型對(duì)執(zhí)行時(shí)間、任務(wù)截止期限以及時(shí)間間隔等屬性進(jìn)行綜合分析。根據(jù)不同任務(wù)的重要程度，提出基于服務(wù)質(zhì)量的任務(wù)松緊度。通過(guò)迫切度和松緊度實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，改善了任務(wù)執(zhí)行成功率與客戶(hù)端資源利用率。但是該模型在對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)集中式網(wǎng)絡(luò)的控制，導(dǎo)致對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)鏈路的調(diào)度偏差較大。

為了解決上述方法存在的問(wèn)題，提出基于SDN的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法，該方法通過(guò)SDN對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法對(duì)需重路由鏈路的路徑組進(jìn)行選取，利用適應(yīng)度函數(shù)尋找出需重路由的路徑組，最終SDN控制器對(duì)原始流表進(jìn)行修改與輸出，完成對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)的均衡調(diào)度[6]。

2 SDN網(wǎng)絡(luò)

SDN是軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，它是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化以及優(yōu)化的一種體系結(jié)構(gòu)。SDN把設(shè)備間以及應(yīng)用服務(wù)間的數(shù)據(jù)傳輸或交互過(guò)程進(jìn)行緊密結(jié)合，可對(duì)集中式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，其主要是對(duì)設(shè)備間交互的應(yīng)用程序以及所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行控制[7]。SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是以傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為根本而形成的體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由分布式控制形式對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層進(jìn)行緊密耦合[8]。管理人員無(wú)法直接對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行控制與轉(zhuǎn)發(fā)，需配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)行為產(chǎn)生影響，這種影響是固定模式的，所以相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)說(shuō)是比較封閉及不可控制的，換言之，對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理與控制的難度較大。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化后形成的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分別由應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層所構(gòu)成[9]，利用東西向接口通信來(lái)保持控制器間的流表一致性，用戶(hù)編碼程序通過(guò)北向接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)用與操作，通過(guò)OpenFlow南向接口協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離。

3 云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法

基于SDN的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法利用設(shè)置閾值法對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)擾動(dòng)等情況作出判斷，若網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擾動(dòng)，則會(huì)觸發(fā)所提方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)重載鏈路上的大象流進(jìn)行調(diào)度[10]。具體流程如圖2所示。

圖2 云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度流程圖

3.1 確定適應(yīng)度函數(shù)

采用基于方差劃分標(biāo)準(zhǔn)和綜合效用值的適應(yīng)度函數(shù)，使云存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)流量均衡分配。

所有網(wǎng)絡(luò)的鏈路利用率方差和重路中路徑組所包含的鏈路對(duì)應(yīng)的鏈路利用率方差分別由Bt、Br進(jìn)行表示，其相應(yīng)方差計(jì)算公式如式(1)

(1)

式中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜挎溌窋?shù)目表示為N，重路中路徑組所包含的全部鏈路數(shù)目表示為M，在u時(shí)刻k鏈路中的平均鏈路利用率表示為ηk(u)。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率超過(guò)閾值的情況，采用基于閾值的方差劃分標(biāo)準(zhǔn)，如式(2)所示。路徑組所包含的全部鏈路方差通過(guò)基于方差劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，分為大于閾值級(jí)別和小于閾值級(jí)別兩種。

(2)

式(2)中，極小值表示為ω，避免分母為0。若式(1)中BtBr，即式(2)中A=1，此時(shí)路徑組的方差大于閾值。

為了將網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率方差最小化，使負(fù)載分布更加均衡，在選擇最優(yōu)路徑組時(shí)，優(yōu)先選擇鏈路利用率方差小于閾值的路徑組。

通過(guò)上述對(duì)重路由路徑組閾值的選取，利用適應(yīng)度函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載進(jìn)行均衡，計(jì)算公式如下

F°=A·(eC)-A

(3)

式(3)中，適應(yīng)度函數(shù)表示為F°，集成鏈路利用率與鏈路利用率方差的綜合值表示為C。通過(guò)圖3對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行分析。

圖3 適應(yīng)度函數(shù)分析圖

由圖3可見(jiàn)，曲線a所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)大于曲線b，當(dāng)大于或小于方差閾值的路徑組同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，據(jù)上述可知，需選取小于方差閾值的路徑組。a、b曲線均是遞減函數(shù)，F(xiàn)°會(huì)隨著C的增大而減小。因此，當(dāng)對(duì)最優(yōu)重路由路徑組進(jìn)行選取時(shí)，需選取最小F°路徑組為最終目標(biāo)。

重路由路徑組所含有全部鏈路的鏈路利用率之和表示為Sr，計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

式(4)中，鏈路容量表示為Dk，重路中路徑組所包含的全部鏈路數(shù)目表示為M，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜挎溌窋?shù)目表示為N，在k鏈路中實(shí)際獲取的數(shù)據(jù)流寬帶表示為Wk。

根據(jù)式(4)與式(1)可得重路由路徑組所含有鏈路的鏈路利用率方差計(jì)算公式如式(5)所示，全部網(wǎng)絡(luò)的鏈路利用率方差計(jì)算公式如式(6)所示。

(5)

(6)

當(dāng)圖3中點(diǎn)E、H所對(duì)應(yīng)的路徑組對(duì)需重路由路徑組進(jìn)行選取時(shí)，則選擇H，并且對(duì)于點(diǎn)I、H所對(duì)應(yīng)的路徑組在選取需重路由路徑組時(shí)，此時(shí)也選取H。此時(shí)的最小F°路徑組可表示為

(7)

對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，其主要原理是以最快速度去尋找適應(yīng)度函數(shù)F°最小的重路由路徑組，使數(shù)據(jù)流量分布更加均衡以及使所選路徑負(fù)載得到降低。其選取最小適應(yīng)度函數(shù)F°的計(jì)算公式以及約束條件如式(8)

(8)

3.2 重載鏈路的篩選

在云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載分配不均衡時(shí)，需對(duì)重載鏈路上的大象流進(jìn)行調(diào)度。將鏈路利用率閾值設(shè)定為75%，若設(shè)定過(guò)高閾值，在網(wǎng)絡(luò)過(guò)度擁塞后才開(kāi)始進(jìn)行調(diào)度，反之，設(shè)定過(guò)低閾值，在網(wǎng)絡(luò)容量方面不能夠充分得到利用，且計(jì)算量過(guò)大時(shí)，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。

3.3 大象流的篩選

若網(wǎng)絡(luò)中的某條鏈路出現(xiàn)負(fù)載過(guò)重情況時(shí)，在對(duì)鏈路上的哪條數(shù)據(jù)流進(jìn)行重路由則是處理問(wèn)題的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)傳輸中存在對(duì)數(shù)據(jù)吞吐以及對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)的大象流和老鼠流。老鼠流對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，耗時(shí)較短且對(duì)時(shí)延較為敏感，若對(duì)老鼠流進(jìn)行重路由，則會(huì)使延遲增加以及花費(fèi)大量開(kāi)銷(xiāo)，因此，選取對(duì)延時(shí)不敏感的大象流進(jìn)行重路由。利用基于流的統(tǒng)計(jì)方式對(duì)大象流與老鼠流進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)每條數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)，會(huì)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及對(duì)固定時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將其作為衡量大象流與老鼠流的指標(biāo)，具體計(jì)算公式如式(9)

(9)

式(9)中，固定時(shí)間間隔表示為O，其固定時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流大小表示為L(zhǎng)J，時(shí)間間隔前后所接收到的數(shù)據(jù)流總字節(jié)數(shù)分別表示為bu0+O、bu0。經(jīng)過(guò)上式計(jì)算后，獲取到固定時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，把滿(mǎn)足于大象流的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)于控制器中，便于后期對(duì)大象流進(jìn)行篩選，為獲取被需要重路由的數(shù)據(jù)流提供依據(jù)，以及對(duì)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)流表改寫(xiě)。

3.4 重路由

通過(guò)上述對(duì)重載鏈路與大象流進(jìn)行篩選后，對(duì)篩選出來(lái)的全部大象流進(jìn)行重路由，在對(duì)大象流進(jìn)行重路由之前，選取路徑組時(shí)，首先對(duì)需要進(jìn)行調(diào)度的大象流的初始節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查找，以及大象流所對(duì)應(yīng)的Match，查找以后，將全部信息輸入到DWGPSO算法的啟動(dòng)口當(dāng)中，進(jìn)行組合選路，待程序結(jié)束后，直接進(jìn)入流表階段，將全部的大象流所對(duì)應(yīng)的流表進(jìn)行修改。

3.5 流表改寫(xiě)

通過(guò)上述章節(jié)，獲取相應(yīng)的路徑，把控制器中的原始數(shù)據(jù)流所對(duì)應(yīng)的流表進(jìn)行修改，可以將Floodlight控制器進(jìn)行調(diào)用，該控制器的Modify依據(jù)Match匹配域進(jìn)行流表的相關(guān)修改，或者利用add方法，將priority設(shè)置較高，添加一個(gè)流表項(xiàng)，當(dāng)匹配到的數(shù)據(jù)流到達(dá)時(shí)，則自動(dòng)將新的流表項(xiàng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，完成對(duì)流表的相關(guān)改寫(xiě)[11]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于SDN的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法的可行性與有效性，需對(duì)基于SDN的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境：HT臺(tái)式機(jī)一臺(tái)；實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境：windows xp、MyEclipse8.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言java；分別對(duì)所提方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，鏈路利用率閾值應(yīng)設(shè)定在75%左右，若超出設(shè)定閾值，會(huì)出現(xiàn)調(diào)度延時(shí)情況，若低于設(shè)定閾值，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，使網(wǎng)絡(luò)性能受到影響，將3種不同調(diào)度方法的鏈路利用率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)比不同方法的鏈路利用率結(jié)果

分析圖4可知，所提方法的鏈路利用率平均保持在75%左右，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的鏈路利用率浮動(dòng)較大，證明所提方法的鏈路利用率結(jié)果較為理想，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載數(shù)據(jù)較為均衡，運(yùn)行狀態(tài)良好，取得較為理想的調(diào)度結(jié)果。

將調(diào)度延時(shí)作為測(cè)試指標(biāo)，對(duì)比不同方法的調(diào)度延時(shí)變化情況，具體測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)比不同方法的調(diào)度延時(shí)變化結(jié)果

由圖5數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的調(diào)度延時(shí)均高于所提方法，證明所提方法調(diào)度更加及時(shí)，有效避免了對(duì)負(fù)載鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度的延時(shí)情況。

對(duì)比不同方法的調(diào)度偏差，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)比不同方法的調(diào)度偏差結(jié)果

據(jù)圖6數(shù)據(jù)可知，所提方法的調(diào)度偏差均小于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，證明所提方法對(duì)負(fù)載鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度更加準(zhǔn)確，使調(diào)度偏差得到降低的同時(shí)，提高了對(duì)負(fù)載鏈路數(shù)據(jù)調(diào)度的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于SDN的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡調(diào)度方法在降低了對(duì)負(fù)載鏈路數(shù)據(jù)調(diào)度偏差的同時(shí)，提高了對(duì)負(fù)載鏈路數(shù)據(jù)調(diào)度的準(zhǔn)確性，有效解決了目前調(diào)度方法存在的調(diào)度延時(shí)以及調(diào)度結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。為調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)支持。但同時(shí)還具有一定的局限性，后續(xù)的研究工作可以從優(yōu)化流表改寫(xiě)方法方面進(jìn)一步完善調(diào)度系統(tǒng)。