一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法技术

本发明专利技术提供一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，用于改善网络瓶颈带宽对系统整体性能的负面影响，该方法包括：基于排队博弈理论建立软件定义网络单交换机单控制器传输控制系统模型，并构建系统模型中网络节点间竞争行为和目标的数学模型；求解数学模型的理论均衡解，得到网络节点的最优策略；在传输控制系统中使用最优策略，从而缓解控制器节点容易拥塞的传输压力，实现软件定义网络效率的最大化。本发明专利技术的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法可解决软件定义网络资源分配问题，且本发明专利技术将控制器节点和交换机节点看作是平等的博弈者，可减少对某一角色的依赖。

A transmission control method of single switch and single controller in software defined network

【技术实现步骤摘要】
一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法
本专利技术涉及软件定义网络中资源分配
，特别是指一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法。
技术介绍
在软件定义网络(SDN)中，网络(控制平面)的控制逻辑与转发流量的底层路由器和交换机(数据平面)分离。交换机成为简单的转发设备，控制逻辑在控制器(或网络操作系统)中实现，简化了策略实现和网络配置演化。然而，控制器节点的负载压力随着大量控制信息的转发而增大。为了解决资源合理分配问题，目前大多数的方案是通过最小化功耗、最大化网络总利用率、提供最优负载平衡和其他通用资源优化技术来设计。但这些方案仅考虑了多个网络参数在单一或有限组合下的提升，无法对网络进行全面的系统建模，无法获得最优策略。为了提高网络性能，传输控制应得到更多的重视。交换机上的业务请求根据自己的信息加入控制器节点的队列。每个交换机的目的都是在满足各自需求的前提下，实现信息的最大传输。在计算、存储、带宽等资源有限的情况下，包括交换机在内的网络节点与SDN中的控制器节点之间会产生竞争。如何通过优化策略提高数据转发的效率是软件定义网络技术需要考虑的关键问题。目前，针对瓶颈带宽对网络性能的负面影响，一些研究致力于改进SDN的传输控制机制。一种方案是考虑了在超密集的5G无线网络中，每个转发设备的UDP/TCP流量之间的速率，从而定义了流量异质性。提出了三种新的启发式算法，即最短路径优化算法和e2eDelay并行优化算法，以加速SDN控制器的集中化。还有一种方案是利用集中控制方法和网络全局视图等特点，设计了一种基于SDN的TCP拥塞控制机制(SDTCP)来解决TCP拥塞问题。当交换机发生拥塞时，控制器可以选择后台流，通过调整相应后台流的广告包窗口来减少带宽，为突发流预留更多带宽。这两种方案都通过区分不同的业务流来缓解TCP拥塞问题。但仅区分这两种类型还不足以包含大数据时代大量具有不同类型和特征的流类型。在过去的几年里，已有许多研究者对SDN网络中的负载均衡问题进行了研究。目前，现有的一种方案是通过为一个拥挤的云网络引入一个SDN增强的云间管理器(S-ICM)，用于分配网络流。它由监测和决策部分组成。在监控方面，S-ICM使用SDN控制消息来观察和收集数据，并根据测量到的数据包网络时延来进行决策。结果表明，在大负荷下，采用RR作业调度算法，S-ICM比HFA和RR能更有效地避免系统饱和。还有一种方案是通过使用一个具有全局视图的软件定义的网络控制器，以便在具有设备到设备(D2D)通信的软件定义的以信息为中心的网络虚拟化体系结构中促进动态虚拟资源分配和内容缓存。考虑到信道估计和测量的不准确，将虚拟资源分配和缓存优化问题转化为包含不完全信道状态信息的离散随机优化问题。通过大量的仿真，证明了该方法在不同系统参数下的有效性。但这两种方案都是从控制器中提取全局网络信息作为决策依据。然而，对控制器功能的过度依赖可能会降低系统的鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，以改善网络瓶颈带宽对系统整体性能的负面影响，并克服现有软件定义网络传输控制方案由于都是从控制器中提取全局网络信息作为决策依据，可能会降低系统的鲁棒性的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，所述方法包括：基于排队博弈理论建立软件定义网络单交换机单控制器传输控制系统模型，并构建系统模型中网络节点间竞争行为和目标的数学模型；求解所述数学模型的理论均衡解，得到所述网络节点的最优策略；在传输控制系统中使用所述最优策略，从而缓解控制器节点容易拥塞的传输压力，实现软件定义网络效率的最大化。进一步地，所述网络节点包括交换机节点和控制器节点；其中，所述控制器节点和所述交换机节点为平等的博弈参与者。进一步地，系统模型中的竞争资源包括计算资源、存储资源和带宽资源。进一步地，所述网路节点的行为包括所述交换机节点的请求是否加入所述控制器节点的队列，以及所述控制器节点设置的入场费值。进一步地，所述传输控制系统的目标为在网络承载能力范围内实现控制器节点和交换机节点间数据传输的最大化；所述目标抽象为一个效果函数，其包括交换机节点完成数据服务所获得的收益、需要支付的入场费和等待成本。进一步地，所述最优策略为所述控制器节点的最优入场费。进一步地，所述求解所述数学模型的理论均衡解，得到所述网络节点的最优策略的过程，包括：假设当交换机节点完成数据服务后所获得的净收益为非负数时，交换机节点的请求加入控制器节点的队列；由此，在个体优化的条件下，获得个体最优队列阈值其中，表示不大于的最大整数，R为交换机节点完成数据服务后所获得的收益，μ为控制器节点的服务速率，C为当交换机节点的请求加入控制器节点的队列后，每单位时间需要支付的等待成本；根据排队博弈理论，单位时间的预期社会总收益为：其中，表示新请求加入队列的概率，表示控制器节点的队列中的预期请求数，ρ为系统的利用率，l为控制器节点的最大队列长度，λ为交换机节点的请求到达控制器节点的到达速率；通过最大化公式(1)，在社会优化的条件下计算出社会最优队列阈值l*；在后到先服务抢占排队模型中，如果已经有l个请求在队列中等待服务,则新到达的交换机节点的请求不加入队列，l表示控制器节点的最大队列长度，交换机节点请求位于第l个时的预期净收益为：其中，p0表示第l个请求获得服务的概率，表示该请求在缓存中等待的预期时间；仅当所有排在前面的请求得到服务后，第l个请求才能够获得收益，根据排队博弈理论可得到：为了得到将后到先服务抢占排队模型通过赌徒破产问题来描述；其中，初始资产为l,目标为l+1；每一轮赌博赢的概率为输的概率为则预期等待时间如下；基于公式(3)和公式(4)，公式(2)可以改写为：在系统模型中，如果s(l)≥0，则第l个请求能够得到服务，由公式(5)得：不等式(6)右边可改写为：令其为关于l的严格单调增函数，根据公式(6),l*在存在,由如果那么因此可得:在软件定义网络中，服务模型通常为先到先服务排队模型，为获得最优社会收益，引入由希望得到服务的交换机节点请求支付的控制器节点入场费f；根据系统模型，交换机节点的净收益为如果净收益大于零，请求加入控制器节点队列，故可得最大队列长度为相应的入场费为：控制器节点的收益为：队列长度满足以下最大化控制器节点收益条件:带入到公式(9),公式(10)可改写为：令其为关于x的单调增函，对g(x)求导数得到由于0＜ρ＜1,则g'(x)＞0；因此,存在的唯一解lx，令则lm是最优化条件公式(11)的唯一解，因此可得：其中，可得因此对比lm和l*的值,f(x)和g(x)的关系可推导如下：在0＜ρ＜1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法包括：/n基于排队博弈理论建立软件定义网络单交换机单控制器传输控制系统模型，并构建系统模型中网络节点间竞争行为和目标的数学模型；/n求解所述数学模型的理论均衡解，得到所述网络节点的最优策略；/n在传输控制系统中使用所述最优策略，实现软件定义网络效率的最大化。/n

【技术特征摘要】
1.一种软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法包括：
基于排队博弈理论建立软件定义网络单交换机单控制器传输控制系统模型，并构建系统模型中网络节点间竞争行为和目标的数学模型；
求解所述数学模型的理论均衡解，得到所述网络节点的最优策略；
在传输控制系统中使用所述最优策略，实现软件定义网络效率的最大化。


2.如权利要求1所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述网络节点包括交换机节点和控制器节点；其中，所述控制器节点和所述交换机节点为平等的博弈参与者。


3.如权利要求2所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述系统模型中的竞争资源包括计算资源、存储资源和带宽资源。


4.如权利要求3所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述网路节点的行为包括所述交换机节点的请求是否加入所述控制器节点的队列，以及所述控制器节点设置的入场费值。


5.如权利要求4所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述传输控制系统的目标为在网络承载能力范围内实现控制器节点和交换机节点间数据传输的最大化；所述目标抽象为一个效果函数，其包括交换机节点完成数据服务所获得的收益、需要支付的入场费和等待成本。


6.如权利要求5所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述最优策略为所述控制器节点的最优入场费。


7.如权利要求6所述的软件定义网络中单交换机单控制器传输控制方法，其特征在于，所述求解所述数学模型的理论均衡解，得到所述网络节点的最优策略的过程，包括：
假设当交换机节点完成数据服务后所获得的净收益为非负数时，交换机节点的请求加入控制器节点的队列；由此，在个体优化的条件下，获得个体最优队列阈值其中，表示不大于的最大整数，R为交换机节点完成数据服务后所获得的收益，μ为控制器节点的服务速率，C为当交换机节点的请求加入控制器节点的队列后，每单位时间需要支付的等待成本；
根据排队博弈理论，单位时间的预期社会总收益为：



其中，表示新请求加入队列的概率，表示控制器节点的队列中的预期请求数，ρ为系统的利用率，l为控制器节点的最大队列长度，λ为交换机节点的请求到达控制器节点的到达速率；
通过最大化公式(1)，在社会优化的条件下计算出社会最优队列阈值l*；
在后到先服务抢占排队模型中，如果已经有l个请求在队列中等待服务,则新到达的交换机节点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭超，李兆斌，魏占祯，陈放，郭娟，韩妍妍，
申请(专利权)人：北京电子科技学院，
类型：发明
国别省市：北京;11