网络效用最大化的SDN负载均衡方法技术

本发明专利技术涉及软件定义网络领域，特别涉及一种网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法；确定从源节点到目的节点之间存在的多条路径，根据数据流业务属性的不同，赋予满足服务质量的影响因子的不同的权重，然后通过采集交换机的信息，获取网络中的服务质量的影响因子的值，包括链路利用率、时延和丢包率等实时信息，接着计算路径集中每条路径的效用值和负载，最后结合全局考虑，为数据流选择最佳路径；本发明专利技术能够在保证网络动态负载均衡的同时，最大程度上满足业务的服务质量要求。

【技术实现步骤摘要】
网络效用最大化的SDN负载均衡方法
本专利技术涉及软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)，特别涉及网络效用最大化的SDN负载均衡方法。
技术介绍
软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)是美国斯坦福大学CleanSlate计划中的一部分，是一种革命式新型网络架构，最初为校园网络研究人员设计创新网络架构并提供真实的实验平台，后经McKeown等研究者的推广逐渐在学术界和产业界普及。在SDN网络中，SDN利用分层的思想将网络数据平面与控制平面分离，由软件驱动的集中控制器对整个SDN网络进行逻辑上的控制及管理，负责制定转发路径，为网络上层应用和服务提供可编程接口，具有全局网络视图，能灵活地使用网络资源。而数据平面仅需要根据控制平面生成的转发规则进行单纯的数据流转发，降低了底层传输设备功能的复杂性。OpenFlow协议用于控制平面与数据平面之间通信，改变了传统网络中数据包转发的方式。数据平面通过OpenFlow协议向集中控制器发送流请求数据包，控制器利用全局网络视图向数据平面下发转发规则。与传统网络架构相比，SDN这种控制转发分离的网络架构通过集中控制器，能够实时地监测全局网络状态，非常适合用于解决目前互联网面临的网络资源利用率低、链路负载不均衡以及网络服务质量保证等问题。SDN目前已经在校园网、数据中心网络领域取得了不少的成果，如斯坦福大学计算机系部署的Plug-n-Serve负载均衡模型以及谷歌数据中心B4网络。负载均衡技术通过在网络中实施均衡，可有效地提高网络的吞吐率和数据处理能力，使其可用性得到了增强。负载均衡是一种将计算机网络中的负载进行分担的技术，负载均衡的主要目的是将外部发来的大量请求，根据一定的算法，均匀地分散到网络的各个节点当中，使得现有的链路以及网络中的计算资源得到充分利用。这样就能缩短响应时间并提高了整个网络的吞吐率。传统互联网虽然能够利用综合服务(IntegratedServices，简称IntServ)或区分服务(DifferentiatedService，简称DiffServ)提供一定程度的服务质量(QualityofService，简称QoS)保障，但由于他们都是建立在分布式互联网架构上，收集全局网络状态信息难度巨大，因此无法在全球范围内得到推广。SDN架构通过将控制平面和数据平面分离，周期性地向交换机发送状态请求信息，能够得到最新的网络状态信息。因此，SDN能够根据实时的链路负载情况分配流量，提高网络资源利用率，减轻负载过重时的网络拥塞，保证QoS。目前根据调度的分配对象，基于SDN的负载均衡技术主要可以分为基于大流(超过一定大小且持续时间较长的流)识别的调度算法、面向QoS的调度以及其他算法。基于大流识别的调度算法将实时探测网络大流，当网络链路发生拥塞时，系统将优先为大流计算一条合理的转发路径，从而解决链路拥塞，保证链路负载均衡。面向QoS的流量调度则是在保证服务质量的同时实现网络负载均衡，主要针对网络中的实时不同业务流，为其计算一条满足QoS需求的的路径，当网络发生拥塞时，控制器将结合业务流量需求和实时网络状态重新为业务选择合适的后续路径，从而保证业务的QoS需求。上述两类方法都是在控制器Floodlight中采用迪杰斯特拉Dijkstra最短路径算法为服务选择一条从源节点到目标节点最短的路径进行数据转发，采用传统的“最小跳数”作为链路权重，在整个网络运行过程中，链路的权重值将恒定不变，不能有效地反映链路的实时状态和质量，无法满足用户的QoS要求，即网络吞吐量、端到端时延和丢包率等QoS影响因子不能达到理想的要求，且不能根据链路的实际负载动态调整网络流量分布，无法实现动态负载均衡。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提出了一种网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，综合考虑业务QoS特点和链路负载情况实时为数据流进行路径选择，在保证网络负载均衡的同时保证最大化的业务QoS。本专利技术一种网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，根据数据包的源IP地址和目的IP地址找到源节点s到目的节点d之间的路径集合；若路径集合不为空，则区分数据流的业务类型，给定满足业务QoS的影响因子权值，计算满足业务QoS的影响因子值，根据影响因子权值和影响因子值计算路径满足业务QoS的效用值，计算路径的负载；当网络不拥塞时，选择能为业务带来最大效用的路径，当网络拥塞时，选择效用值与负载差值最大的路径。优选地，所述根据数据包的源IP地址和目的IP地址找到源节点s到目的节点d之间的路径集合采用k最短路径算法。优选地，所述区分数据流的业务类型采用数据包头部的Tos域的前6bits。优选地，所述根据影响因子权值和影响因子值计算路径满足业务QoS的效用值包括：表示路径r的效用值；Uij＝∑wnun(xn)表示链路(i,j)的效用值，其中n∈(u,d,p)，wu、wd、wp分别为带宽利用率loadij的效用值的权重值、链路时延delayij的效用值的权重值和链路丢包率lossij的效用值的权重值；表示带宽利用率loadij的效用值，表示链路时延delayij的效用值，表示链路丢包率lossij的效用值；表示带宽利用率loadij归一化值，表示链路时延delayij归一化值，表示链路丢包率lossij归一化值；表示平均带宽利用率，表示路径r的平均时延，表示网络链路平均丢包率；E是网络中链路(i，j)的集合，m是所有链路条数。优选地，所述链路丢包率计算方式包括每个测量周期统计链路两端交换机相应端口的统计数据，用两者端口的发送字节数与接收的字节数之差除以总的发送字节数。优选地，所述链路时延计算方式包括：treceive表示控制器收到交换机j发送的PACKET_IN消息时的时间，tsent表示控制器发送探测报文给交换机i的时间，RTTi是控制器到交换机i的往返时延，RTTj则表示控制器到交换机j的往返时延。优选地，所述计算路径的负载，包括根据链路带宽利用率loadij计算路径r的负载，包括：Load(r)＝Max(loadij)MaxBandij为链路(i,j)的最大带宽，BandWidtht-interface表示t时刻采集接口interface流入方向已经占用的带宽，packet_size为采集接口interface数据包大小，Δt为流量采集间隔周期，T为采样持续时间。优选地，根据链路带宽利用率loadij判断网络是否拥塞，包括如果loadij>0.7，则认为交换机i和交换机j之间的链路发生拥塞，否则为不拥塞。本专利技术与现有技术相比包括以下优点：本专利技术为满足业务QoS的不同属性，赋予QoS的影响因子不同的权重，克服了现有技术中链路的权重值恒定不变，不能有效地反映链路的实时状态和质量的问题，有效地满足用户的QoS要求；本专利技术通过结合其相应权重计算路径集中每条路径的效用值，并考虑网络负载的实时情况；在网络负载较好时，选在效用值最大的路径为最佳路径，在网络发生拥塞时，选择效用与路径负载差值最大的路径为最佳路径。从而能够在保证网络负载均衡的同时，还能最大程度上的满足业务的QoS要求。附图说明图1为本专利技术网络效用最大化的SDN负载均衡方法优选实施例流程示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：根据数据包的源IP地址和目的IP地址找到源节点到目的节点之间的路径集合；若路径集合不为空，则区分数据流的业务类型，给定满足业务QoS的影响因子权值，计算满足业务QoS的影响因子值，根据影响因子权值和影响因子值计算路径满足业务QoS的效用值，计算路径的负载；当网络不拥塞时，选择能为业务带来最大效用的路径，当网络拥塞时，选择效用值与负载差值最大的路径。

【技术特征摘要】
1.一种网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：根据数据包的源IP地址和目的IP地址找到源节点到目的节点之间的路径集合；若路径集合不为空，则区分数据流的业务类型，给定满足业务QoS的影响因子权值，计算满足业务QoS的影响因子值，根据影响因子权值和影响因子值计算路径满足业务QoS的效用值，计算路径的负载；当网络不拥塞时，选择能为业务带来最大效用的路径，当网络拥塞时，选择效用值与负载差值最大的路径。2.根据权利要求1所述网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：所述根据数据包的源IP地址和目的IP地址找到源节点到目的节点之间的路径集合采用k最短路径算法。3.根据权利要求1所述网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：所述区分数据流的业务类型采用数据包头部的Tos域的前6bits。4.根据权利要求1或3所述网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：所述业务类型包括会话类业务、流媒体业务、交互类业务和背景类业务。5.根据权利要求1所述网络效用最大化的软件定义网络负载均衡方法，其特征在于：所述根据影响因子权值和影响因子值计算路径满足业务QoS的效用值包括：表示路径r的效用值；Uij＝∑wnun(xn)表示链路(i,j)的效用值，其中n∈(u,d,p)，wu、wd、wp分别为带宽利用率loadij的效用值的权重值、链路时延delayij的效用值的权重值和链路丢包率lossij的效用值的权重值；表示带宽利用率loadij的效用值，表示链路时延delayij的效用值，表示链路丢包率lossij的效用值；表示带宽利用率loadij归一化值，表示链路时延delayij归一化值，表示链路丢包率lossij归一化值；表示平均带宽利用率，表示路径r的平均时延，表示网络链路平均丢包率；E是网络中链路(i，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王英，李春，李云，吴广富，郑焕平，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50