軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Networking,SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡范式,解決了網(wǎng)絡協(xié)議臃腫、網(wǎng)絡創(chuàng)新困難等問題,但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)如負載均衡與節(jié)能.為了應對這一挑戰(zhàn),本文設計了一種動態(tài)機制用以解決SDN面臨的負載均衡與節(jié)能問題.首先,本文提出SDN負載均衡與節(jié)能機制的框架.整個框架分為流量監(jiān)測機制、路由和流調度機制、OpenFlow協(xié)議部分和基礎設施部分.其中,流量監(jiān)測機制負責監(jiān)控網(wǎng)絡近似實時的狀態(tài),實現(xiàn)數(shù)據(jù)流級別的流量測量;路由和流調度機制負責在對即將休眠或可能出現(xiàn)擁塞的鏈路進行流調度;OpenFlow協(xié)議負責控制平面和數(shù)據(jù)平面之間的交互;基礎設施部分在轉發(fā)數(shù)據(jù)的同時負責數(shù)據(jù)流路徑快速地安裝和更新.其次,本文設計了一種基于網(wǎng)絡整體流量和數(shù)據(jù)流速率變化的動態(tài)輪詢算法,實現(xiàn)了以較小的開銷獲得流級別的流量測量.然后,本文提出一種基于鏈路偏好的隨機路由算法和兩種流調度算法以實現(xiàn)SDN的動態(tài)負載均衡與節(jié)能.在路由算法中,本文綜合負載均衡與節(jié)能兩個因素,將鏈路利用率映射為鏈路的偏好,根據(jù)鏈路的偏好對鏈路上的流量進行調控,進而使得數(shù)據(jù)流在路由階段就能實現(xiàn)負載均衡與節(jié)能... 

【文章來源】：計算機學報. 2020,43(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

系統(tǒng)框架圖

由于鏈路是全雙工的工作方式，因此本文將一條真實的網(wǎng)絡鏈路抽象為兩條反向的邏輯鏈路，每條邏輯鏈路對應一條有向邊，如圖2所示．每一條有向邊用edge(id,s,t,ports,portt,state,bw,rw,capacity,ratio,favor,lifelow,lifehigh,flowset）表示．其中id為邊的標識，s代表邊的出節(jié)點，t代表邊的入節(jié)點，ports代表出端口，portt代表入端口，stateF為邊的狀態(tài)，表示邊的休眠或開啟．bw為邊的占用帶寬，rw為邊的剩余帶寬，capacity為邊的帶寬容量，ratio為邊的帶寬利用率，favor為邊的偏好權重．lifelow和lifehigh是為了防止邊被頻繁休眠或喚醒而設置的緩沖生命值，lifelow為邊帶寬利用率低于閾值的生命值，lifehigh為邊帶寬利用率高于閾值的生命值，其作用與流表項中的空閑超時相似，當一條有向邊利用率低于某閾值時，其lifelow逐漸遞減；當其利用率一旦超過閾值，則其lifelow將恢復到初始值，當且僅當有向邊的lifelow小于0時，有向邊被休眠．flowset為經(jīng)過這條邊的所有數(shù)據(jù)流id集合．每條有向邊的能耗與其出端口相關聯(lián)，如圖2所示，edge1的能耗為port1的能耗，edge2的能耗為port2的能耗．假設休眠的邊的能耗為EEdgesleep，開啟狀態(tài)的邊的能耗為EEdgewake，則EEdgesleep和EEdgewake的計算分別如式（6）和（7）所示．

基于鏈路偏好的隨機路由算法（Preference-based Random Routing algorithm,PbRR）的特點是隨機性與動態(tài)性．其隨機性體現(xiàn)在選擇下一跳的過程中．采用了Softmax的思想，對于當前網(wǎng)絡狀態(tài)有利的下一跳并不是一定選擇，而是賦予其較大的被選概率，同樣對于當前網(wǎng)絡狀態(tài)不利的下一跳賦予其較小的被選概率．其動態(tài)性體現(xiàn)在偏好隨有向邊帶寬利用率和網(wǎng)絡流量動態(tài)變化，如圖3所示．本文將有向邊的利用率通過函數(shù)映射為偏好，轉化曲線是一條對稱的凸曲線，其對稱軸就是活躍鏈路的平均利用率，當網(wǎng)絡整體流量偏低時，利用率與偏好的映射曲線如曲線1所示，隨著網(wǎng)絡整體流量的上升，整個曲線隨之向右移動，如曲線2或曲線3所示．以曲線2為例說明它為什么能同時實現(xiàn)負載均衡與節(jié)能的效果：當活躍鏈路的利用率在對稱軸左側時，若利用率相對較低，其偏好映射也將非常低，進而導致這條鏈路被選中的概率很小，對于新到達網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流起到抑制的作用，經(jīng)過一段時間，它的利用率甚至可能會下降到0，此時這條鏈路就進入到休眠狀態(tài)；若利用率相對較高，那么該鏈路將很容易被數(shù)據(jù)流選中，使得它的利用率上升，偏好也隨之上升，這將對它起到一個促進作用，使鏈路的利用率向均值靠攏．當活躍鏈路的利用率在對稱軸右側時，假定其被大象流選中，利用率迅速上升，偏好則會隨之下降，這將抑制該鏈路被新的數(shù)據(jù)流選中，從而可以有效緩解鏈路的擁塞．


本文編號：3140002