一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统与方法，主要解决现有小规模单数据中心网络中分布式扩展、网络开销、负载不均、链路拥塞的问题。本发明专利技术的系统包括三层Clos底层网络和两个SDN控制器，该SDN控制器中增设链路信息、路由表及路由计算模块，上述模块共同作用为数据流计算路径。负载均衡方法是采用两步路径选择，在末端主机缓冲区将数据流分割为流切片，由两个控制器分别对两个区域网路进行局部链路信息监控和收集，且将交换机的各端口排队时延作为链路信息进行优化选择路由链路。本发明专利技术在三层Clos网路中采用分布式多控制器以及两步路径选择，网络均衡效果显著，用于大规模单数据中心网络的负载均衡控制。

A distributed control load balancing system and method based on SDN

【技术实现步骤摘要】
一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统与方法
本专利技术属于通信网络
，涉及一种分布式控制负载均衡技术，具体是一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统与方法，可用于Clos结构的数据中心网络。
技术介绍
近些年，随着互联网业务的快速增长，使得数据中心网络操作变得越加复杂。目前在数据中心网络中对流量的管理操作主要分为两种策略。一种是与用户业务相关的策略，例如网页浏览，搜索查询等用户业务；这种策略主要针对的是鼠流，流量通过用户业务产生，针对用户特殊的SLA业务，鼠流在传输的时候往往需要短的持续时间，也即是短的流量完成时间(FCT)。另一种策略操作的流量是通过虚拟机迁移、数据备份以及分布式计算操作产生的，这种流量代表的是象流，这种流量是通过各种带有长持续时间的应用产生。象流往往需要被提供足够的带宽，例如需求的吞吐是高于最低可以接受的吞吐，而对时间没有严格的限制。混合两种流量的网络即需要实现快速的流量完成时间(FCT)性能，又需要实现高的吞吐性能需求，因此，这是一种挑战。传统的网络策略中，等价多路径ECMP(EqualCostMultiPath)往往被用于数据中心网络中默认的路由算法；对于数据流，由于在源目的服务器对之间存在很多等价多路径，ECMP通过对数据流中数据包头文件中五元数组的哈希匹配，将数据流的数据包依次转发到不同的短路径上，实现网络的负载均衡，提高了网络利用率。但是ECMP策略有很多缺陷，例如，ECMP不能区分象鼠流，在链路传输或者交换机内部缓冲队列时，鼠流进场排队在象流的后面，造成鼠流长的排队时延以及尾部时延。ECMP也不能充分利用链路的带宽资源，对于带宽需求较大的两条流量，ECMP在对流量哈希运算时，很可能将两条象流哈希到相同的路径上，造成哈希碰撞，而网络中其他的链路处于空闲的状态，因此ECMP不能很好的利用链路资源，降低了网络资源利用率。针对ECMP方案的缺陷问题，目前有许多研究者提出了相应的方案来解决网络的性能问题。这些工作总结起来分为三种，分别是：(1)一种性能权衡折中的方案，即是约束一个性能条件去优化另一个性能条件。(2)有优先级调度的流量工程。(3)修改目前的数据中心网络架构，例如通过OpenFlow交换机去修改TCP协议栈。对于第三种工作，利用软件定义网络(SDN)技术去解决数据中心网络中负载均衡问题。在基于SDN的数据中心网络中，为了避免大规模多数据中心网络中分布式多控制器之间的负载均衡问题，文章“Balancingtrafficloadfordevolvedcontrollersindatacenternetworks”中提出了从交换机的迁移角度来解决数据中心网络之间的负载问题，文章中分别提出了集中式和分布式的迁移算法来实现交换机的迁移，从而保持网络的动态均衡。但是这种分布式多控制器的方案没有考虑从细粒度的角度来解决大规模单数据中心网络内部的负载均衡问题。为了避免小规模单数据中心网络中集中式单控制器的负载均衡问题，文章“DiffFlow:DifferentiatingShortandLongFlowsforLoadBalancinginDataCenterNetworks”中提出使用大小流区分调度来解决单数据中心网络内部的负载均衡问题。但是这种集中式单控制器的方案没有考虑分布式扩展的问题，网络的开销以及单控制器的负载问题。针对网络内部不同流量的性能需求，网络研究工作者提出了等价多路径的负载均衡方案来优化网络的性能，但是传统的等价多路径负载均衡方案有一些缺陷问题，比如该方案不能区分象鼠流，造成长的排队时延，以及该方案不能充分利用网络资源利用率，降低了网络的性能。针对传统多路径方案的缺陷，相应提出的负载均衡方案，比如象鼠流区分方案，流量工程方案以及基于SDN思想的负载均衡方案。针对基于SDN思想的负载均衡方案，目前现有技术中主要有两种方案，分别是面向大规模多数据中心网络的分布式多控制器负载均衡方案和面向小规模单数据中心网络的集中式单控制器负载均衡方案，面向大规模多数据中心网络的分布式多控制器负载均衡方案解决了多数据中心网络之间的负载不均问题，但没有解决细粒度导致的大规模单数据中心网络内部的流量不均问题。面向小规模单数据中心网络的集中式单控制器负载均衡方案解决了单数据中心网络内部的负载不均问题，但没有解决大规模单数据中心网络分布式扩展问题，不能适应大规模数据中心网络的应用需求，以及大规模网络全局控制带来的网络开销问题和集中式单控制器的负载问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足和问题，提出一种网络负载均衡效果显著，能适用于大规模单数据中心网络的一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统与方法。本专利技术是一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统，包括有三层Clos拓扑结构、SDN控制器，Clos结构从下往上依次包括有边缘层、汇聚层、核心层以及末端服务器，每层上分别都部署有交换机，相邻层通过交换机链接形成网络，SDN控制器对网络进行全局集中控制，其特征在于，所述SDN控制器设为两个独立的控制器，分别为SDN控制器1和SDN控制器2，两个控制器分别增设有各自的路由计算模块、链路信息模块以及路由表模块，路由计算模块根据链路信息模块获取的链路信息对数据流进行路由计算，并以流表的形式将路由信息存储在路由表模块中；所述Clos拓扑结构中，核心层设有n个独立的核心块，每个核心块包含m个核心层SDN交换机，边缘层和汇聚层以上下层架构共同构成p个独立的pod结构，其中每个pod结构包括n个汇聚层SDN交换机和r个边缘层SDN交换机，每一个pod结构内，每个边缘层SDN交换机分别与n个汇聚层SDN交换机互连，边缘层SDN交换机位于边缘层，汇聚层SDN交换机位于汇聚层，每个汇聚层SDN交换机分别单独与每个核心块关联，具体是通过汇聚层SDN交换机与核心块中所有m个核心层SDN交换机连接形成互连；SDN控制器1和SDN控制器2分别对区域网络1和区域网络2进行分布式局部集中控制，所述区域网络1是边缘层和汇聚层之间通过SDN交换机链接形成的网络，区域网络2是汇聚层和核心层之间通过SDN交换机链接形成的网络，所有交换机均用于数据包的转发，服务器用于产生和接受数据流。本专利技术还是一种基于SDN的分布式控制负载均衡方法，在权利要求1-3所述的基于SDN的分布式控制负载均衡系统上实现，其特征在于，分布式控制负载均衡过程包括有如下步骤：(1)网络初始化：1a)在拥有p个pod结构的三层Clos网络中，对所有的交换机和服务器进行32位的二进制编制，分别得到所有交换机和服务器的地址；1b)SDN控制器1获得边缘层和汇聚层之间的链路信息，并将该信息存储在链路信息模块中；SDN控制器2获得汇聚层和核心层之间的链路信息，并将该信息存储在链路信息模块中；1c)SDN控制器1给每个边缘层交换机下发流表并对边缘层区域网络1进行集中控制，SDN控制器2给每个汇聚层交换机下发流表并对汇聚层区域网络2进行集中控制。(2)数据流分割：2a)末端服务器中的源端服务器产生数据流；2b)在源端服务器缓冲区对数据流设置分割阈值t；2c)如果数据流在缓冲区中的累积存储量超过设定的分割阈值t，则将该数据流进行分割为多个数据包组成的流切片，使流切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统，包括有三层Clos拓扑结构、SDN控制器，Clos结构包括有边缘层、汇聚层、核心层以及末端服务器，每层上分别都部署有交换机，相邻层通过交换机链接形成网络，SDN控制器对网络进行全局集中控制，其特征在于，所述SDN控制器设为两个独立的控制器，分别为SDN控制器1和SDN控制器2，两个控制器分别增设有各自的路由计算模块、链路信息模块以及路由表模块；所述Clos拓扑结构中，核心层设有n个独立的核心块，每个核心块包含m个核心层SDN交换机，边缘层和汇聚层以上下层架构共同构成p个独立的pod结构，其中每个pod结构包括n个汇聚层SDN交换机和r个边缘层SDN交换机，每一个pod结构内，每个边缘层SDN交换机分别与n个汇聚层SDN交换机互连，每个汇聚层SDN交换机分别单独与每个核心块关联，具体是通过汇聚层SDN交换机与核心块中所有m个核心层SDN交换机连接形成互连；SDN控制器1和SDN控制器2分别对区域网络1和区域网络2进行分布式局部控制，所述区域网络1是边缘层和汇聚层之间通过SDN交换机链接形成的网络，区域网络2是汇聚层和核心层之间通过SDN交换机链接形成的网络；所有交换机均用于数据包的转发，服务器用于产生和接受数据流。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统，包括有三层Clos拓扑结构、SDN控制器，Clos结构包括有边缘层、汇聚层、核心层以及末端服务器，每层上分别都部署有交换机，相邻层通过交换机链接形成网络，SDN控制器对网络进行全局集中控制，其特征在于，所述SDN控制器设为两个独立的控制器，分别为SDN控制器1和SDN控制器2，两个控制器分别增设有各自的路由计算模块、链路信息模块以及路由表模块；所述Clos拓扑结构中，核心层设有n个独立的核心块，每个核心块包含m个核心层SDN交换机，边缘层和汇聚层以上下层架构共同构成p个独立的pod结构，其中每个pod结构包括n个汇聚层SDN交换机和r个边缘层SDN交换机，每一个pod结构内，每个边缘层SDN交换机分别与n个汇聚层SDN交换机互连，每个汇聚层SDN交换机分别单独与每个核心块关联，具体是通过汇聚层SDN交换机与核心块中所有m个核心层SDN交换机连接形成互连；SDN控制器1和SDN控制器2分别对区域网络1和区域网络2进行分布式局部控制，所述区域网络1是边缘层和汇聚层之间通过SDN交换机链接形成的网络，区域网络2是汇聚层和核心层之间通过SDN交换机链接形成的网络；所有交换机均用于数据包的转发，服务器用于产生和接受数据流。2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统，其特征在于，所述链路信息模块，用于存储底层各区域网络的链路信息；所述路由表模块，用于存储流的路由信息；所述路由计算模块，用于查询链路信息模块和路由表模块中存储的信息，并根据所查询的信息为流计算路径。3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的分布式控制负载均衡系统，其特征在于，所述SDN控制器1，用于获取边缘层到汇聚层之间区域网络1的所有链路信息、并对所有的边缘层SDN交换机下发流表和对区域网络1进行集中控制；所述SDN控制器2，用于获取汇聚层到核心层之间区域网络2的所有链路信息，并对所有的汇聚层SDN交换机下发流表和对区域网络2进行集中控制。4.一种基于SDN的分布式控制负载均衡方法，在权利要求1-3所述的基于SDN的分布式控制负载均衡系统上实现，其特征在于，分布式控制负载均衡过程包括有如下步骤：(1)网络初始化：1a)在拥有p个pod结构的三层Clos网络中，对所有的交换机和服务器进行32位的二进制编制，分别得到所有交换机和服务器的地址；1b)SDN控制器1获得边缘层和汇聚层之间的链路信息，并将该信息存储在链路信息模块中；SDN控制器2获得汇聚层和核心层之间的链路信息，并将该信息存储在链路信息模块中；1c)SDN控制器1给每个边缘层交换机下发流表并对边缘层区域网络1进行集中控制，SDN控制器2给每个汇聚层交换机下发流表并对汇聚层区域网络2进行集中控制。(2)数据流分割：2a)末端服务器中的源端服务器产生数据流；2b)在源端服务器缓冲区对数据流设置分割阈值t；2c)如果数据流在缓冲区中的累积存储量超过设定的分割阈值t，则将该数据流进行分割为多个数据包组成的流切片，使流切片大小小于分割阈值t。(3)计算数据流的路径：采用两步路径选择计算，具体包括如下步骤：3a)在SDN控制器1中，路由计算模块根据每条流切片中首个数据包的源服务器地址和目的服务器地址，查询链路信息模块中存储的边缘层和汇聚层之间的链路信息，按照所存储的链路信息的负载程度，选出一对理想的、轻负载的源边缘层链路和目的边缘层链路，也即是这条流切片内的每个数据包转发的源目的边缘层链路，同时由于Clos架构的多路径特殊性，所获取源目的边缘层链路对应的源目的汇聚层交换机的ID是对应相同的；3b)在SDN控制器2中，路由计算模块根据每条流切片首个数据包转发的理想源目的汇聚层交换机地址，查询链路信息模块中存储的汇聚层和核心层之间的链路信息，按照所存储的链路信息的负载程度，选出一对理想的、轻负载的源汇聚层链路和...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾华玺，刘勇，郭彦涛，余晓杉，王琨，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61