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基于流量工程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制資源優(yōu)化機制

胡宇翔 李子勇 胡宗魁 胡濤

胡宇翔, 李子勇, 胡宗魁, 胡濤. 基于流量工程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制資源優(yōu)化機制[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
引用本文: 胡宇翔, 李子勇, 胡宗魁, 胡濤. 基于流量工程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制資源優(yōu)化機制[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
Yuxiang HU, Ziyong LI, Zongkui HU, Tao HU. Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
Citation: Yuxiang HU, Ziyong LI, Zongkui HU, Tao HU. Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276

基于流量工程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制資源優(yōu)化機制

doi: 10.11999/JEIT190276 cstr: 32379.14.JEIT190276
基金項目: 國家自然科學(xué)基金(61521003, 61872382),國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0803204),廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃(2018B010113001)
詳細信息
    作者簡介:

    胡宇翔:男,1982年生,副研究員,研究方向為寬帶信息網(wǎng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)

    李子勇:男,1995年生,碩士生,研究方向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)

    胡宗魁:男,1986年生,助理研究員,研究方向為控制自動化

    胡濤:男,1993年生,博士生,研究方向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)空間安全

    通訊作者:

    李子勇 17629352940@163.com

  • 中圖分類號: TN919.2; TP393.2

Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61521003, 61872382), The National Key Research and Development Program of China (2017YFB0803204), The Research and Development Program in Key Areas of Guangdong Province (2018B010113001)
  • 摘要:

    針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)分布式控制平面中由于網(wǎng)絡(luò)分域管理所引發(fā)的控制擴張問題,該文提出了一種基于流量工程的SDN控制資源優(yōu)化(TERO)機制。首先基于數(shù)據(jù)流的路徑特征對流請求的控制資源消耗進行分析,指出通過調(diào)整控制器和交換機的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以降低控制資源消耗。然后將控制器關(guān)聯(lián)過程分為兩個階段:先設(shè)計了最小集合覆蓋算法來快速求解大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中控制器關(guān)聯(lián)問題;在此基礎(chǔ)上,引入聯(lián)合博弈策略來優(yōu)化控制器和交換機的關(guān)聯(lián)關(guān)系以減少控制資源消耗和控制流量開銷。仿真結(jié)果表明,與現(xiàn)有的控制器和交換機就近關(guān)聯(lián)機制相比,該文機制能在保證較低控制流量開銷的前提下,節(jié)省約28%的控制資源消耗。

  • 圖  1  SDN分布式控制平面對流請求處理流程

    圖  2  通過交換機遷移可以降低控制資源消耗

    圖  3  控制器-交換機備選關(guān)系拓撲

    圖  4  控制器-交換機關(guān)聯(lián)后拓撲

    圖  5  階段1輸出的控制器-交換機關(guān)系

    圖  6  控制資源消耗對比

    圖  7  控制流量開銷對比

    圖  8  MSC算法和TERO控制資源消耗

    圖  9  MSC算法和TERO控制流量開銷

    圖  10  不同網(wǎng)絡(luò)拓撲控制資源消耗

    圖  11  不同網(wǎng)絡(luò)拓撲控制器負載均衡率

    表  1  最小集合覆蓋算法執(zhí)行過程

     算法1 最小集合覆蓋算法(Minimum Set Coverage)
     輸入: SDN網(wǎng)絡(luò)拓撲鄰接矩陣${\text{G}} = [{a_{ij}}]$;網(wǎng)絡(luò)中流處理請求矩陣${\text{F}} = [{f_{ij}}]$;控制器所能關(guān)聯(lián)的備選集合:${C_i} = \{ {S_1},{S_2}, ·\!·\!· ,{S_i}\} $;控制器的
    容量及冗余因子:${\alpha _m}$, $\beta $
     輸出:控制器-交換機之間的映射關(guān)系:${\text{X} } = [{x_{ij} }]$
     (1) 初始化:控制器-交換機關(guān)聯(lián)關(guān)系SC={·};已關(guān)聯(lián)的交換機set_switches={·};
     (2) 統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中端到端流量分布Flow_pair=Flow_sort(F);
     (3) while I in Flow_pair:遍歷網(wǎng)絡(luò)中流量
     (4)  Path_switch= Dijkstra(G, i);計算端到端流量的路徑
     (5)  while Path_switch: 循環(huán)4個完備策略
     (6)   if Path_switch $ \subseteq $${C_i}$:若滿足完備策略1, SC[${C_i}$]={Path_switch };流經(jīng)過的所有交換機關(guān)聯(lián)到${C_i}$
     (7)   if ${S_i}$$ \in $Path_switch AND ${S_i} \in $${C_j}$滿足完備策略2, ${S_i} \to {C_j}$; ${S_i}$關(guān)聯(lián)到${C_j}$
     (8)   if 存在${C_i} \subseteq {C_j}$:滿足完備策略3,則$ \cup {S_i} \to {C_j}$;交換機${S_i}$優(yōu)先關(guān)聯(lián)到${C_j}$
     (9)   if Sn(${S_i}$)$ \subseteq $Sn(${S_j}$):滿足完備策略4${S_i} \to \cup {\rm{ }}{C_j}$;交換機${S_i}$優(yōu)先處理
     (10)   else 如果上述4個完備策略都不能滿足:實行貪婪算法switch = max(Path_switch & ${C_i}$);尋找關(guān)聯(lián)交換機較多的控制器SC[${C_i}$]=
    {switch};將相應(yīng)交換機關(guān)聯(lián)到控制器${C_i}$上
       end if; end while;
     (11) end while;
     (12) SC={${C_j} = \{ {S_j},{S_{j + 1}}, ·\!·\!· {\rm{,}}{S_n}\} $;輸出控制器-交換機映射關(guān)系
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  聯(lián)合博弈策略執(zhí)行過程

     算法2 聯(lián)合博弈策略Coalitional Game
     輸入:算法1輸出的控制器-交換機之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系${\text{X}} = [{x_{ij} }]$
     輸出: 控制器-交換機之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系$\text{X}' = [{x'_{ij} }]$
     (1) 初始化$\text{X} = [{x_{ij} }]$, ${\alpha _m}$, $\beta $
     (2) repeat
     (3)  for each ${s_i}$ in $F$:尋找可能存在的交換機遷移
     (4)   Initial migration pair ${s_i}:{\rm{ }}{c_m} \to {C_n}$;找到滿足兩個條
    件的交換機遷移對
       end for
     (5)  for each $ {c_m}$:對于每一個控制器
     (6)   ${L_{ij}}$=${f_{ij}}{d_{kl}}{x_{ik}}{x_{jl}} + \delta {c_{ik}}$;計算每條數(shù)據(jù)流的資源消耗
     (7)   if ${s_i}:{\rm{ }}{c_m} \to {C_n}$ and ${\theta _n} \le \alpha \times \beta $;保證控制器不過載,
    尋找可能的交換機遷移
     (8)    ${L'_{ij}}$=${f_{ij}}{d_{kl}}{x'_{ik}}{x'_{jl}} + \delta {c'_{ik}}$;假設(shè)遷移,計算新的資源
    消耗
     (9)    if ${L'_{ij}} \le {L_{ij}}$: 若交換機遷移前后,資源消耗減少了,
    則接受遷移
     (10)     ${s_i} \to {c_j}$;實施交換機遷移${L_{ij}} = {L'_{ij}}$;更新的資源
    消耗
     (11)   end if; end for;
     (12) 直到系統(tǒng)沒有任何交換機要求遷移,則算法收斂
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  實驗拓撲數(shù)據(jù)

    網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點數(shù)鏈路數(shù)控制器數(shù)距離閾值
    ARNES344743
    ChinaNet426654
    Interllifiber739365
    Interoute11014976
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(11) / 表(3)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-04-22
  • 修回日期:  2019-06-24
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2019-08-02
  • 刊出日期:  2020-03-19

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