一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，具体为：RYU控制器发送数据包，感知网络全局拓扑；利用OpenFlow协议实时监测带宽、时延；通过KSP算法从可行路径中计算出k条最短路径作为备选路径；对k条备选路径进行链路评估，选出当前链路状态最优的一条作为转发路径，次优的一条作为预留路径；RYU控制器将当前网络流的转发策略下发给对应交换机的流表；RYU控制器实时监控链路状态，当链路利用率大于阈值时，再次选择除当前路径以外的最优路径实现重路由，并下发流表至交换机。本发明专利技术方法可提高网络资源利用率、减少网络拥塞，利用SDN控制器对数据中心整网进行监控，根据当前网络实时状况选择转发路径，实现动态的多路径负载均衡。

【技术实现步骤摘要】
一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法
本专利技术涉及工业网络环境，具体涉及一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法
技术介绍
Internet实际上是在无数数据中心的支持下运转的，数据中心、提供了Internet所必须的智能处理和信息存储功能。经过几十年的发展，数据中心己经成为像交通、能源一样的经济基础设施。近年来，随着虚拟化、云计算等新兴技术的迅速发展，智能手机和4G网络的普及，以及各行业对带宽、流量的需求迅猛増长，数据中心市场正处于高速扩张中，2017年中国IDC整体市场规模预计将超过900亿。根据中国IDC圈数据，未来几年中国IDC市场规模将保持在每年30％+的增长速度，未来80％以上的网络流量都将通过数据中心。传统网络的工作方式是：网络设备之间通过不同的协议各自独立地学习整个网络拓扑，根据不同的交互机制自行做出决策并转发数据，当设备感知到网络中节点发生变化时，将会各自重新建立邻居关系，学习全局拓扑，并计算路由路径。传统网络设备这种分散决策的方式一直沿用至今，但随着网络规模越来越大，传统网络架构本身存在着的某些局限性渐渐暴露出来，以下这些问题难以得到根本上的解决：(1)运行维护的压力不断増大。数据中心包含了大量的交换机、路由器、防火墙、服务器等设备，这些网络设备类型丰富多样，操作方式各不相同，导致运维和管理复杂，版本更新、业务变更等变得困难，网络管理员则难以对全局网络进行实时地监控调整。(2)各数据中心对设备的性能要求不断提高。低级的设备承载高负荷的流量时，极容易造成丢包、时延大、CPU高等问题，影响了网络性能。而购买更高配置的高级设备又大大増加了成本。(3)网络规模増大后，二层网络的可靠性及扩展性等问题成为了新的瓶颈。为了防止单点故障，网络中一般会存在大量的冗余备份，会产生大量的环路，造成广播风暴等问题。传统网络中，二层网络使用生成树协议(SpanningTreeProtocol，STP)通过阻塞交换机端口来防止网络环路问题，使得两个节点之间只存在一条可行路径。但是STP选出来的路径未必是当前网络状态的最优路径，且存在着收敛时间唱、根桥压力大、浪费冗余链路资源等问题。(4)传统网络设备所具备的功能都由厂商定义，管理员只能根据已有功能进行配置应用。传统网络中通常使用ACL及QoS等策略来进行流量管控，这些策略都是通过预先对流量运行进行假设，从而提前配置设备来达到既定效果。而实际网络中业务流量瞬息万变，预先设置的策略与现实复杂的网络状况常常不符，从而无法达到预期效果。综合以上问题得出，仅仅通过改善传统网络架构已经无法满足人们对未来数据中心网络的需求。近几年来，SDN的出现与发展为解决数据中心的这些难题提供了可行的解决方案。SDN提出将网络中控制平面和数据平面分离的理念，它通过集中的控制器来实现对整网设备的监控和管理，而下层设备只需要基本的转发功能，大大地节约了设备及网络维护的成本。随着近几年SDN的迅速发展，研究人员对基于SDN的流量工程和负载均衡等方面不断深入研究。主要的研究目标就是提高网络资源利用率、减少拥塞，我们可以从三个方面进行改善；第一，提高整个网络的链路带宽利用率，改善路由算法；第二，降低算法时间复杂度，提高计算效率，降低CPU资源消耗；第三，实现更好的流量策略，比如实现多路径负载均衡。在工业环境下，现有的硬件技术可以支持链路在一定的低负载率中进行信息传输，因此，通过价格调节，以高价来限制链路的使用率是一种值得尝试的方法。在大流传输中，主要采用价格多路径的策略。所谓的价格多路径，就是指控制器在选择传输的时候，采取价格相对便宜的路径。这种策略的前提是，当前环境中路径的价格和路径的负载有关，因为负载高越高则说明资源越好，其拍卖的价格也会越高。为了实现负载均衡，负载率越高的资源，其价格也是指数型上升到。当价格超过控制器可以接受的范围，控制器会放弃选择当前资源路径，选择其他价格较便宜的资源路径，从而降低当前资源分负载，达到负载均衡的效果。面对工业化环境，多路径的设置能够保证大流传输，不会因为部分路径出错而导致信息传输延迟的问题。与传统多路径路由方法不同的是，本文将价格因素作为多路径选择的重要参数。另外，在工业环境中，某个控制器的控制范围中在一定时间内接受的流量类型及流量数可能是相似的，因此可以在对以往流量分析的情况下，预测应用的资源进行资源预留，以满足QoS需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法。利用SDN控制器对数据中心整网进行监控，根据当前网络实时状况选择转发路径，实现动态的多路径负载均衡。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，包括如下步骤：A1.RYU控制器发送数据包到所有OpenFlow交换机，感知网络全局拓扑；A2.RYU控制器利用OpenFlow协议实时监测网络带宽、网络时延参数；A3.通过KSP算法从可行路径中计算出k条最短路径作为备选路径；A4.以路径价格和流量负载为评估因素并设置权重，对k条备选路径进行链路评估，选出当前链路状态最优的一条作为转发路径，状态次优的一条作为预留路径；A5.RYU控制器将当前网络流的转发路径，即转发策略下发给对应交换机的流表；A6.RYU控制器实时监控链路状态，当链路利用率大于阈值时，再次选择除当前路径以外的最优路径，并下发流表至交换机。进一步地，所述的步骤A1具体为：RYU控制器将LLDP数据包封装在Packet-Out消息里，并发送到所有OpenFlow交换机上，交换机接收到消息后转发给相连设备，相连设备把LLDP数据包封装在Packet-In消息里发送给RYU控制器；RYU控制器遍历交换机信息列表，确定全局环境中的每条可用路径，再遍历每条可用路径，获取每条可用路径的价格，将所有链路信息汇聚之后得到网络全局拓扑。进一步地，所述的步骤A2具体为：RYU控制器通过OpenFlow协议获取交换机各个端口的统计信息，对各网络设备端口流量和流表项流量进行监控，周期性的获取到流量带宽的相关信息；通过取交换机之间发送报文时延的平均值来得到网络时延。进一步地，所述的步骤A3具体为：首先利用Dijkstra算法算出第1条最短路径P(1)，然后在此基础上依次算出其他的k-1条最短路径；在求P(i+1)时，将P(i)上除了终止节点外的所有节点都视为偏离节点，并计算每个偏离节点到终止节点的最短路径，再与之前的P(i)上起始节点到偏离节点的路径拼接，构成候选路径，进而求得最短偏离路径；最终计算出k条最短路径。进一步地，所述的步骤A4具体为：使用KSP算法选出k条最优路径后，对这k条路径进行综合评估并排列出优先级；首先确定路径价格和流量负载为评估因素；然后对各个因素建立关系矩阵，根据每个因素的重要程度来设置每个因素的权重，权重之和为1；最后计算出每条路径的评估值，根据评估值排列出优先级，分别确定一条转发路径和一条预留路径；预留路径是指在选择价格路径时，提前购买一条优质路径作为预留，当控制器所在路口传输出现问题时，立即切换到预留路径，保证数据传输的实时可靠性。进一步地，所述的步骤A6具体为：RYU控制器实时监测网络带宽，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：A1.RYU控制器发送数据包到所有OpenFlow交换机，感知网络全局拓扑；A2.RYU控制器利用OpenFlow协议实时监测网络带宽、网络时延参数；A3.通过KSP算法从可行路径中计算出k条最短路径作为备选路径；A4.以路径价格和流量负载为评估因素并设置权重，对k条备选路径进行链路评估，选出当前链路状态最优的一条作为转发路径，状态次优的一条作为预留路径；A5.RYU控制器将当前网络流的转发路径，即转发策略下发给对应交换机的流表；A6.RYU控制器实时监控链路状态，当链路利用率大于阈值时，再次选择除当前路径以外的最优路径，并下发流表至交换机。

【技术特征摘要】
1.一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：A1.RYU控制器发送数据包到所有OpenFlow交换机，感知网络全局拓扑；A2.RYU控制器利用OpenFlow协议实时监测网络带宽、网络时延参数；A3.通过KSP算法从可行路径中计算出k条最短路径作为备选路径；A4.以路径价格和流量负载为评估因素并设置权重，对k条备选路径进行链路评估，选出当前链路状态最优的一条作为转发路径，状态次优的一条作为预留路径；A5.RYU控制器将当前网络流的转发路径，即转发策略下发给对应交换机的流表；A6.RYU控制器实时监控链路状态，当链路利用率大于阈值时，再次选择除当前路径以外的最优路径，并下发流表至交换机。2.如权利要求1所述的一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，其特征在于，所述的步骤A1具体为：RYU控制器将LLDP数据包封装在Packet-Out消息里，并发送到所有OpenFlow交换机上，交换机接收到消息后转发给相连设备，相连设备把LLDP数据包封装在Packet-In消息里发送给RYU控制器；RYU控制器遍历交换机信息列表，确定全局环境中的每条可用路径，再遍历每条可用路径，获取每条可用路径的价格，将所有链路信息汇聚之后得到网络全局拓扑。3.如权利要求1所述的一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，其特征在于，所述的步骤A2具体为：RYU控制器通过OpenFlow协议获取交换机各个端口的统计信息，对各网络设备端口流量和流表项流量进行监控，周期性的获取到流量带宽的相关信息；通过取交换机之间发送报文时延的平均值来得到网络时延。4.如权利要求1所述的一种工业实时网络中基于价格机...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸葛斌，蔡佳琪，王伟明，傅晗文，李向阳，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33