一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法制造技术

本发明专利技术请求保护一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，属于通信网络技术领域。该方法设计了一种启发式算法计算最小能耗拓扑子集，并针对现有节能路由方案导致网络中可能出现的部分链路拥塞的问题，将负载均衡机制引入能耗最小拓扑子集中的流量调度过程，在保障网络的最大链路利用率的同时避免了因流量分配不均而导致的链路拥塞问题。此外，该方法充分考虑了不同设备的功耗特性，在节能路由算法中引入了设备功耗缩放比，对路径分配不满足设备功耗缩放比下最优的流进行重路由，以实现节能路由计算在设备功耗特性下最优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信网络
，具体是一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法。
技术介绍
新型数据中心网络广泛采用“富连接”式拓扑结构。大量交换机的引入，增加了网络部分的能耗比例，从而导致了低负载下能耗的严重浪费。软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork,SDN)作为一种新型的网络架构，其集中控制的网络特性，为数据中心网络的绿色节能提供了一种新的思路。通过SDN控制器对网拓扑信息及网络设备流量信息的实时收集使得在路由层面上对全网进行节能流量工程部署变得便利。当前，针对数据中心网络的节能方案主要分为两类：第一类主要从单个网络设备的硬件设计及制造技术着手，研究如何通过设备休眠、功率切换等功耗管理手段以及能耗优化芯片的设计来降低网络设备的能耗，称之为设备级节能技术；第二类主要考虑通过网络合理规划、资源配置优化以及根据负载状况动态地调整网络资源供应来实现全局网络功耗控制，采用的手段主要有拓扑选取、路由流量调度等，称之为网络级节能技术。对于设备级节能技术，LiDan,ShangYunFei,ChenCongJie在文献Softwaredefinedgreendatacenternetworkwithexclusiverouting[C]//INFOCOM,2014ProceedingsIEEE.IEEE,2014:1743-1751.中公开了基于休眠机制的节能设备，它允许设备在空闲状态下快速切换至低功耗的休眠模式以节省能耗，并且当需要处理任务时快速恢复至工作模式。对于网络级节能技术，HellerB,SeetharamanS,MahadevanP在文献ElasticTree:savingenergyindatacenternetworks[C]//Proofthe37thAnnualIntSymponComputerArchitecture(ISCA’10).NewYork:ACMPress,2010:338-347.中首次提出了弹性树ElasticTree节能方案，该方案通过全网能耗管理，动态地调整活动网络元素(链路和交换机)子集来适应变化的数据中心网络负载。其核心思想是在当前网络负载状况下，计算出一个能够满足当前流量需求的最小网络拓扑子集。现有技术中公开了董仕,李瑞轩,李晓林的文献“基于软件定义数据中心网络的节能路由算法”(计算机研究与发展,2015,52(4):806-812.)该文章通过对负载均衡量化分析，以此来约束流量集中调配过程中的网络基本性能阈值，然后把带宽限定的负载均衡与节能路由相结合，提出了一种改进的节能路由算法，在节能的同时充分考虑了网络整体的可达性和可靠性。由相关研究可知，相比设备级节能方式孤立地考虑单个设备的功耗控制问题，网络级节能技术从全局的角度考虑如何将现有流量需求集中分配在网络设备当中，使得其余链路有更大的机率因处于空载状态而置于休眠模式，在节能方面更加具有优势。然而现有的网络级节能技术普遍存在以下问题：1.计算复杂度较高，耗时较长，难以在实际网络中实施。2.没有将负载均衡机制引入流的路径分配过程中，导致部分链路过于拥塞。3.没有进一步考虑设备的功耗特性。本专利技术基于SDN架构下的数据中心网络路由特性，结合数据中心网络应用场景特点及能耗特性，提出一种数据中心网络节能路由算法，通过能耗最优拓扑子集的计算，以及在最优拓扑子集中为流分配路径的过程中引入负载均衡机制，同时综合考虑转发设备的功耗特性，以实现数据中心网络的绿色节能。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法。本专利技术的技术方案如下：一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其包括以下步骤：步骤一、控制器搜集当前数据中心网络流量矩阵、数据中心网络拓扑及网络中每条链路容量信息，根据容量约束条件与流量需求约束条件，并结合搜集的信息建立能耗优化模型，基于启发式的最优能耗子集算法计算出能耗最小拓扑子集，输出该能耗最小拓扑子集中各交换机及链路的状态；步骤二、在能耗最优拓扑子集中对流量矩阵中的流进行路径分配，通过负载均衡路径分配方法把网络中的流分配到具有最小链路利用率的路径，实现流量在拓扑子集上的均衡分配；步骤三、对最优拓扑子集中各条链路进行检测，计算各条链路中分配的流的流量需求Tlink，根据流量需求大小判断链路所连交换机的端口速率，并根据设备的功耗特性参数GFER对速率为1G的链路进行重路由条件判断，为符合重路由条件的链路中的流计算新的转发路径，并根据重路由结果对能耗最优拓扑子集中的交换机速率及负载均衡路径分配进行调整；步骤四、控制器根据算法得到的最终路径分配结果对数据流进行路由。进一步的，所述数据中心网络采用Fat-Tree拓扑，其中包含4个Pod，每个Pod由2个接入层交换机和2个汇聚层交换机组成，每个接入层交换机与两个主机相连接，核心层由4个交换机组成，每个核心层交换机均有一条链路与各个Pod的汇聚层交换机相连。进一步的，所述步骤一建立能耗优化模型包括：在当前网络拓扑和流量需求下，通过对流量矩阵中每条流的路径分配，使得网络中能耗最小，优化目标计算如下：Minimum∑(u,v)∈EXu,v×a(u,v)+∑u∈SYu×b(u)G(V,E)用以描述网络拓扑，其中V代表网络中的交换机，E代表交换机间的链路，S表示交换机集合且a(u,v)表示节点u与节点v之间的链路(u,v)的能耗，b(u)表示交换机u的能耗，Xu,v与Yu均为二进制变量，分别表示交换机和链路状态，0代表关闭，1代表开启。进一步的，步骤一所述容量约束条件如下：其中表示流i的可用路径，其中表示包含链路(u,v)的流i的可用路径集合，fi(p)表示网络中任意一条流i的路径，c(u,v)表示链路(u,v)的容量，其中(u,v)∈E；λ表示网络中每条链路可分配的带宽与链路带宽的比值，其取值为0-1之间的任意数字；为确保流量矩阵中的任意一条流Ti，在源和目的地址处发出和接收的流量等于这条流的需求di，流量需求约束条件定义如下：进一步的，步骤一最优能耗子集算法具体步骤如下：S1：对于拓扑中所有链路，将其可分配链路容量capmax[l]设置为其链路容量cap[l]的λ倍，即capmax[l]＝λcap[l]；S2：对于流量矩阵T中的任意第i条流，根据其源目的地址列出所有可用路径,并按位置从左至右排序，表示下：S3:对路径集合依次查询，若路径pi,j中所有链路的可用容量capavail[l]均大于流i的带宽需求fdmd，则将该流分配至路径pi,j；S4：此时，路径pi,j中所有链路的可用容量capavail[l]变为capavail[l]-fdmd，重新回到S2，为流量矩阵中其他的流分配路径；S5：直至流量矩阵T中的流完全分配路径，循环结束，并将该路径相关的交换机置于开启状态，其余交换机则置于关闭状态，至此完成最优能耗拓扑子集的划分并选择出被开启的交换机集合。进一步的，所述步骤二负载均衡路径分配方法具体如下：步骤A1：将流量矩阵T中的流按带宽需求递减排序，优先分配带宽需求较大的流I；A2：对于任意第i条流，在能耗最优拓扑子集中计算其所有可用路径,并估算将该流分配至每条可用路径后该路径的链路利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、控制器监控模块搜集当前数据中心网络流量矩阵、数据中心网络拓扑及网络中每条链路容量信息，根据容量约束条件与流量需求约束条件，并结合搜集的信息建立能耗优化模型，基于启发式的最优能耗子集算法计算出能耗最小拓扑子集，输出该能耗最小拓扑子集中各交换机及链路的状态；步骤二、在能耗最优拓扑子集中对流量矩阵中的流进行路径分配，通过负载均衡路径分配方法把网络中的流调度到具有最小链路利用率的路径，实现流量在拓扑子集上的均衡分配；步骤三、对最优拓扑子集中各条链路进行检测，计算各条链路中分配的流的流量需求Tlink，根据流量需求大小判断链路所连交换机的端口速率，并根据设备的功耗特性参数GFER对速率为1G的链路进行重路由条件判断，为符合重路由条件的链路中的流计算新的转发路径，并根据重路由结果对能耗最优拓扑子集中的交换机速率及负载均衡路径分配进行调整；步骤四、控制器根据算法得到的最终路径分配结果对数据流进行路由。

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、控制器监控模块搜集当前数据中心网络流量矩阵、数据中心网络拓扑及网络中每条链路容量信息，根据容量约束条件与流量需求约束条件，并结合搜集的信息建立能耗优化模型，基于启发式的最优能耗子集算法计算出能耗最小拓扑子集，输出该能耗最小拓扑子集中各交换机及链路的状态；步骤二、在能耗最优拓扑子集中对流量矩阵中的流进行路径分配，通过负载均衡路径分配方法把网络中的流调度到具有最小链路利用率的路径，实现流量在拓扑子集上的均衡分配；步骤三、对最优拓扑子集中各条链路进行检测，计算各条链路中分配的流的流量需求Tlink，根据流量需求大小判断链路所连交换机的端口速率，并根据设备的功耗特性参数GFER对速率为1G的链路进行重路由条件判断，为符合重路由条件的链路中的流计算新的转发路径，并根据重路由结果对能耗最优拓扑子集中的交换机速率及负载均衡路径分配进行调整；步骤四、控制器根据算法得到的最终路径分配结果对数据流进行路由。2.根据权利要求1所述的基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其特征在于，所述数据中心网络采用Fat-Tree拓扑，其中包含4个Pod(供应点)，每个Pod由2个接入层交换机和2个汇聚层交换机组成，每个接入层交换机与两个主机相连接，核心层由4个交换机组成，每个核心层交换机均有一条链路与各个Pod的汇聚层交换机相连。3.根据权利要求1所述的基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其特征在于，所述步骤一建立能耗优化模型包括：在当前网络拓扑和流量需求下，通过对流量矩阵中每条流的路径分配，使得网络中能耗最小，优化目标计算如下：Minimum∑(u,v)∈EXu,v×a(u,v)+∑u∈SYu×b(u)G(V,E)用以描述网络拓扑，其中V代表网络中的交换机，E代表交换机间的链路，S表示交换机集合且a(u,v)表示节点u与节点v间链路(u,v)的能耗，b(u)表示交换机u的能耗，Xu,v与Yu均为二进制变量，分别表示交换机和链路状态，0代表关闭，1代表开启。4.根据权利要求1所述的基于SDN架构的数据中心网络节能路由算法，其特征在于，步骤一所述容量约束条件如下：s∀(u,v)∈E,Σi=1kΣp∈PTi(u,v)fi(p)≤Xu,v×λc(u,v)]]>其中表示流i的可用路径，其中表示包含链路(u,v)的流i的可用路径集合，fi(p)表示网络中任意一条流i的路径，c(u,v)表示链路(u,v)的容量，其中(u,v)∈E；λ表示网络中每条链路可分配的带宽与链路带宽的比值，其取值为0-1之间的任意数字；为确保流量矩阵中的任意一条流Ti，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊自甫，陶君，汪帅，文陈陈，万晓榆，王正强，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50