魏 軍 蘇曉偉 馮 凡

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 克拉瑪依 834000）

目前大多運(yùn)營商都在陸續(xù)部署SDN網(wǎng)絡(luò)，未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢在很大程度上會基于SDN架構(gòu)。一般情況下，該網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃時采用各控制器內(nèi)交換機(jī)和控制器之間建立映射，不過這種映射導(dǎo)致部署基于靜態(tài)策略，無法對網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的流量變化給出反應(yīng)，只是在具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)流量的改變會導(dǎo)致負(fù)載均衡性能降低，如何在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)負(fù)載均衡就成為控制器集群的一個亟待解決的關(guān)鍵問題[1]。為了解決這一問題，本文對新型互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和算法進(jìn)行實驗和驗證，對實際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中存在的情況進(jìn)行分析，提出了一種基于負(fù)載均衡的遷移算法，通過將較高負(fù)載控制器內(nèi)的設(shè)備遷移到負(fù)載小的設(shè)備中，從而實現(xiàn)集群間的負(fù)載均衡[2]。

1 基本架構(gòu)設(shè)計

在SDN定義的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，整體SDN由多組控制器進(jìn)行集群控制，每個控制器包含三個主要部分，分別是狀態(tài)感知模塊，策略引導(dǎo)模塊和遷移行動控制模塊[3]。其中狀態(tài)感知模塊主要是對周圍信息進(jìn)行實時感知，了解不同控制器的負(fù)載情況，通過發(fā)送自身負(fù)載和接受負(fù)載信息，了解周圍狀態(tài)。將集群中的控制器群按照最大流量處理能力進(jìn)行三個等級的劃分，小于最大處理能力三分之一流量的屬于欠載控制器，超過三分之二流量的屬于過載控制器，介于上述二者之間的屬于正常負(fù)載控制器。當(dāng)發(fā)現(xiàn)集群內(nèi)過載控制器超過一半的時候，會發(fā)出流量警告。當(dāng)集群內(nèi)某一控制器首次出現(xiàn)過載情況，其會判斷是否存在流量警告，若存在流量警告就不做流量遷移，若不存在流量警告則利用自己感知獲取到的狀態(tài)信息輸入策略引導(dǎo)模塊，策略引導(dǎo)模塊會根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和已經(jīng)創(chuàng)建好的策略完成遷移方案的選擇，給遷移模塊發(fā)送遷移方案，最后遷移模塊根據(jù)方案指令進(jìn)行遷移操作，順序執(zhí)行方案內(nèi)既定內(nèi)容，完成后更新狀態(tài)感知模塊內(nèi)信息并向外傳遞最新信息[4]。

圖1 SDN互聯(lián)網(wǎng)控制集群負(fù)載均衡架構(gòu)圖

2 模塊設(shè)計

本文SDN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中包括節(jié)點和鏈路，其集合分別用N和L進(jìn)行表示，為了便于開展實驗研究，這里假設(shè)所有節(jié)點都是由控制器和交換機(jī)組成，并且每個控制器都可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部署，控制器對結(jié)構(gòu)中的交換機(jī)進(jìn)行優(yōu)化管理[5]。

2.1 狀態(tài)感知模塊

狀態(tài)感知模塊主要是動態(tài)的獲取其他控制器的負(fù)載信息，并發(fā)送自己掌握的負(fù)載信息給其他模塊，從而使得域內(nèi)狀態(tài)感知模塊都了解整體負(fù)載狀態(tài)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)記錄下控制器過載欠載的數(shù)量和位置，以便將信息發(fā)送到策略引導(dǎo)模塊進(jìn)行下一步分析處理。三個主要功能組件分別是信息收發(fā)組件、感知組件、存儲組件[6]。

2.1.1 信息收發(fā)組件

信息收發(fā)組件主要對控制器子域的負(fù)載情況進(jìn)行信息的收發(fā)，影響負(fù)載的因素主要包括：一是控制器需要維護(hù)管理SDN的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)視圖，例如OpenFlow交換機(jī)狀態(tài)、鏈路狀態(tài)等[7]；二是控制器對本組交換機(jī)發(fā)來的流量信息狀態(tài)進(jìn)行分析處理，并依據(jù)決策下發(fā)流量表項[8]；三是和其他控制器域進(jìn)行信息的收發(fā)交流，實現(xiàn)控制器對全網(wǎng)的感知?；诓煌幕ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以上因素對于負(fù)載影響的區(qū)別也很大，控制器處理OpenFlow交換機(jī)的消息上傳會消耗大量的系統(tǒng)資源，同樣處理此類消息下發(fā)到交換機(jī)需要消耗系統(tǒng)計算資源，每個控制器子域收到的Packet-in消息數(shù)量為:，其中為每個控制子域中交換機(jī)發(fā)送的Packet-in消息數(shù)量。在以上公式中，m代指的是域內(nèi)交換機(jī)的個數(shù)[9]。代指的是控制器與交換機(jī)的狀態(tài)信息值，其取值范圍為{0，1}，分別對應(yīng)控制器j不控制交換機(jī)i，或者控制器j控制交換機(jī)i。控制器和交換機(jī)通信來獲取交換機(jī)的鏈路信息，其中通信數(shù)據(jù)量用以下公式表示：

2.1.2 感知組件

感知組件的主要作用是針對當(dāng)前控制器的狀態(tài)進(jìn)行策略調(diào)整，為了便于進(jìn)行分析，按照前面分析的情況，閾值為1/3和2/3處，當(dāng)負(fù)載控制器集群中一半以上處于過載情況時，集群處于過載警告狀態(tài)，此時設(shè)置集群閾值為1/2，為了方便進(jìn)行判斷，分別設(shè)置兩個閾值為?？刂破骷旱呢?fù)載值為L，單個控制器的負(fù)載為L(Cj)那么對于單個控制器的負(fù)載和集群負(fù)載情況可以分為以下幾種情況：

2.1.3 存儲組件

存儲組件主要根據(jù)控制器的狀態(tài)確定控制器是否處于待遷移狀態(tài)，這個遷移狀態(tài)分為待遷出和待遷入。這個數(shù)據(jù)集存儲后為后期進(jìn)行選擇和遷入遷出動作做準(zhǔn)備。

單個控制器負(fù)載均衡情況由負(fù)載均衡度表示，負(fù)載均衡度由控制器當(dāng)前負(fù)載與集群負(fù)載均衡的方差數(shù)值表示，再進(jìn)行歸一化轉(zhuǎn)換，如下所示：

可以調(diào)整負(fù)載均衡度數(shù)值，方便對負(fù)載均衡策略進(jìn)行變化，例如設(shè)置負(fù)載均衡控制參數(shù)為γ，其數(shù)值可以選擇0.5左右的數(shù)值。時，控制器集群處于低負(fù)荷狀態(tài)，這時候控制器的負(fù)載處于不足情況，可以接受交換機(jī)的遷入，將該控制器處于遷入數(shù)據(jù)集中。當(dāng)時，此時表示該控制器處于集群均衡負(fù)載平均值階段，此時該控制器負(fù)載合適，既不能作為遷入也不能作為遷出數(shù)據(jù)集。當(dāng)時，則表示該控制器在整體集群中處于過載狀態(tài)，此時應(yīng)將其化為遷出數(shù)據(jù)集[10]。

2.2 策略引導(dǎo)模塊

策略引導(dǎo)模塊主要是對遷入遷出數(shù)據(jù)集中的控制器進(jìn)行策略選擇，進(jìn)行優(yōu)先級處理，首先是從遷出數(shù)據(jù)集管理的控制器中選擇待遷出交換機(jī)，在該模塊中，集群中會出現(xiàn)多個控制器處于遷出狀態(tài)，結(jié)合整體集群過載情況，交換機(jī)采用不同的遷出策略進(jìn)行集群負(fù)載的調(diào)整[11]。

當(dāng)集群處于少量控制器負(fù)載過大的情況下，可以通過負(fù)載均衡進(jìn)行交換機(jī)遷移，減緩控制器的負(fù)載載荷，實現(xiàn)集群負(fù)載均衡，原則在于遷出控制器的負(fù)載值不應(yīng)大于遷入控制器的負(fù)載增加后的數(shù)值，否則遷移意義不大，這里設(shè)定的策略為，遷入后目標(biāo)控制器的負(fù)載載荷應(yīng)該小于遷出目標(biāo)控制器的負(fù)載載荷[12]。

當(dāng)控制器集群存在大量過載控制器的時候，此時需要進(jìn)行快速調(diào)整完成控制器的負(fù)載壓力，這時按照控制器的負(fù)載排序，優(yōu)先處理負(fù)載最重的控制器，這里采用優(yōu)先處理過載控制器中數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)最多的交換機(jī)進(jìn)行調(diào)配，建立優(yōu)先映射關(guān)系，可以通過和負(fù)載較低的控制器中的交換機(jī)進(jìn)行互換，使得雙方達(dá)到負(fù)載均衡[13]。

對于策略引導(dǎo)中使用哪個控制器是需要進(jìn)行選擇的。在正常負(fù)載均衡過程中，對于整體負(fù)載進(jìn)行分析處理可以讓單一控制器進(jìn)行處理，以減少其他控制器的額外數(shù)據(jù)分析處理導(dǎo)致的開銷，影響用戶的使用，所以這里可以將負(fù)載最低的控制器作為策略引導(dǎo)主控制器。

遷移后整體效果主要由遷移之后集群的負(fù)載方差作為量化指標(biāo)，以最優(yōu)遷移策略下方差值最小。即每次遷移后方差應(yīng)小于遷移前方差再進(jìn)行遷移操作。

2.3 遷移行動控制模塊

已經(jīng)完成遷移策略制定之后，獲取相關(guān)遷移或交換交換機(jī)的基本信息，本模塊需要組織進(jìn)行高效的遷移和完成遷移動作，這里通過三元組來表示遷移對象，包括遷移策略制定主控制器、遷移交換機(jī)、目標(biāo)控制器三部分。在遷移過程中，遷移互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中可能需要多臺交換機(jī)進(jìn)行遷移，這里需要在遷移過程中更新遷移三元組，及時剔除遷移后已經(jīng)達(dá)到中間值的目標(biāo)控制器，有效實現(xiàn)遷移混亂，所有交換機(jī)都完成遷移之后，目標(biāo)控制器完成對遷移后的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行發(fā)送，各控制器均更新自身信息表。

3 實驗仿真與結(jié)果分析

3.1 實驗環(huán)境

本文采用裝有Centos7操作系統(tǒng)的VMware軟件作為基礎(chǔ)實驗平臺。SDN控制器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)使用minint仿真平臺進(jìn)行構(gòu)建，控制平面的控制器使用ONOS。

實驗中共部署了5個控制器，控制器分布在不同的VM中，每個控制器上鏈接多個虛擬交換機(jī)。通過Cbench軟件生成大量的Packet-in消息并上傳控制器，分別對控制器下發(fā)Pack-out和Flow-out消息的時延做測試，結(jié)果如圖所示：

圖2 控制器消息平均時延圖

整理測試數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送的消息速率大于1 000 ps/s時，消息響應(yīng)時間大大增加，這里將負(fù)載容量設(shè)置為1 000 ps/s，控制器閾值設(shè)為800 ps/s。

3.2 實驗結(jié)果分析

對比本文提出的面向負(fù)載均衡的遷移策略（LOBS）與其他文獻(xiàn)中提到的算法進(jìn)行比較分析。無負(fù)載均衡策略執(zhí)行狀態(tài)下，當(dāng)向控制器注入更多消息時，可以看出交換機(jī)處于過載，控制器整體數(shù)據(jù)處于過載狀態(tài)。

圖3 無負(fù)載遷移狀態(tài)下控制器狀態(tài)變化

圖4 不同負(fù)載策略下的負(fù)載分布

圖5 不同遷移策略下響應(yīng)時間和遷移效率比

經(jīng)過試驗可以看出，本文的遷移策略具有以下優(yōu)點：

（1）控制器的響應(yīng)時間更少。因為對于控制器的情況進(jìn)行分析，針對不同互聯(lián)網(wǎng)外部環(huán)境采用最優(yōu)策略，使得集群達(dá)到最優(yōu)負(fù)載的時間最短。

（2）負(fù)載均衡效率更突出。由于主控制器掌握全互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)載分布數(shù)據(jù)，所以可以通過觀察分析給出最優(yōu)解，使得整個互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載方差最小，負(fù)載效率更高。

4 結(jié)語

通過實驗分析，未來互聯(lián)網(wǎng)中基于分布式架構(gòu)的遷移算法，可以很好地實現(xiàn)控制器集群內(nèi)部的流量負(fù)載均衡，均衡各個控制器的載荷，優(yōu)化算法可以有效實現(xiàn)交換機(jī)的遷出遷入活動，在此基礎(chǔ)上還需要進(jìn)一步研究SDN的負(fù)載均衡算法，提出在實際工作中復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下更加普適的負(fù)載均衡策略。