一种基于数据面流量预测的多控制器节能优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数据面流量预测的多控制器节能优化方法，该方法创建了一种集群内的控制器之间就流量问题彼此通信的方式，并基于流量预测以及所承载的流量记录，动态的调整集群控制器中活动控制器的数量，从而实现集群控制器的节能环保。本发明专利技术方法的使用将使得网络处于空闲状态下，提高SDN集群控制器节能表现，使得集群控制器更加绿色环保。反观现有的SDN集群控制器，如OpenDaylight等，并未考虑到由网络流量降低导致的多余控制器额外消耗能源问题。因此，在现有SDN集群控制器中使用本发明专利技术方法，将改善网络节能表现。该方法实现了分布式软件定义网络中的控制器数量的合理设置，避免了软件定义网络中过多的低负载控制器浪费能源，从而达到网络节能的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉软件定义网络
，为改善多控制器SDN网络中各个控制器节能情 况，提出了。
技术介绍
在多控制器的SDN网络架构，当网络流量出现较大下降时，例如进入深夜时，控制 器集群中的一些控制器所负载的网络压力不大，可以归并到集群中的其他一些控制器上 去，从而减少集群控制器内活动控制器的数量，从而减少集群控制器的能源消耗，使得整体 SDN网络集群控制器更加的节能环保。 本专利技术的内容涉及以下SDN中的已有概念或技术： SDN控制器是根据OpenFlow协议设计的网络控制软件，用于管理数据流、配置网 络设备、制定流表（FlowTable)、承担网络业务与网络设备间的通讯。一个域中可以有多个 控制器，但一般只有一个控制器处在控制、管理状态。 SDN中的交换机也支持OpenFlow协议。OpenFlow交换机由SDN控制器管控，保存 有控制器制定的流表，并通过查询流表表项来决定对报文的处理方式，包括转发、缓存、提 交控制器或丢弃等。 OpenFlow协议下的安全通道用来连接交换机和控制器，以供二者进行通信。 现有工作仅仅提出了在多个控制器间增加共享存储区域来实现控制器间通信，并 未实现控制器负载均衡，然而当网络流量波动较大时，出现负载不均的问题尚未得到解决。
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，提供一种基于数据面流量预测的多控制 器节能优化方法。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术应用在SDN网络域内，且该 域内有多个控制器处在管控状态，对某一交换机而言只有唯一一个管控控制器。本专利技术方 法包括以下步骤： (1)集群控制器调度：集群中的超级节点初始默认各个控制器的最大管控流量 Himax为0 ;所述管控流量是指由这个控制器管控的所有交换机的流量之和，i为控制器编 号； ⑵在每个时间间隔t内，由超级节点发起所管控集群的控制器调度，发出信息收 集命令，集群中所有控制器上报此时其流量特征，该步骤通过以下子步骤来实现： (2. 1)控制器利用安全通道，向其管控的所有交换机发送查询消息； (2. 2)当控制器收集到其管控的所有交换机的应答消息，向集群分布式共享存储 系统发送流量统计信息，所述流量统计信息包括：控制器编号、交换机标号、交换机流量和 时间戳；所述时间戳是指控制器收集到其管控的所有交换机的应答消息的时刻； (3)超级节点预测下一个时间间隔t内各个控制器的流量状态，该步骤通过以下 子步骤来实现： (3. 1)根据时间戳，超级节点从集群分布式共享存储系统中读取每个控制器的流 量统计信息，尝试获取N个时间戳的完整报文集合；所述完整报文集合是指同一控制器同 一时间戳的所有不同的交换机流量报文且时间戳是除去已获取完整报文集合外最新的；其 中，N为5到30的整数； (3.2)若获取时间戳的完整报文集合不到N个，则执行步骤2; (3. 3)根据步骤3. 1获取的N个时间戳的完整报文集合，对某个控制器i，超级节 点获得其N个时刻的流量总和TXpTX2、TX3、TX4、TX5......TXN，即获得了这样的数据：TXj:: ={时间戳管控流量Tj，j为1到N的整数，指代所述的N个时刻；所述管控流量T# 表此控制器管控的所有交换机、在时间戳为&时的流量之和； (3. 4)若步骤3. 3中，对控制器i收集到的N个管控流量中，最大的那一个Tj比 该控制器的历史最大还大，则将H广51赋值为此T」，即氏_=max{H广\ 1\，T2,T3,T4， T5......TN};(3. 5)使用最小二乘法，通过回归分析预测下一时刻的各个控制器的管控流 量IT'即对于控制器i，其Tin6Xt=a+ 0 * (XN+t)，其中XN+t表示所预测的时刻，即XN的下一时刻，a、0为两个计算参数，其值为： 式中L为步骤3. 3所收集的控制器的管控流量，X^为步骤3. 3所收集的时间戳； (4)计算是否需要进行控制器节能，将控制器列表根据其Himax从大到小排列，对于 某一台控制器i，当满足时，执行步骤5,否则继续遍历控制器列表，都不满 足执行步骤6;其中//fax为所有M台交换机的历史最大流量之和，为所有M台交换 机的下一时间片预测流量之和，即： 式中的T广IPH广分别由步骤3. 5和步骤1定义； (5)检测某控制器x所管控的交换机是否能被完全重映射，该步骤通过以下子步 骤来实现：（5. 1)遍历控制器x所管控的交换机列表，对其中每一个交换机s，遍历集群内 除x外的其余控制器，对其中每一个控制器i，定义=<ax - 5； - ，式中11广和 T广xt分别在步骤1和步骤3. 5中定义，S3为交换机s的流量；将Li从大到小排列，选择其 中QX)且Q最小的控制器i，若存在，则将交换机s重映射到控制器i上，并向待调度交换 池写入这样一条元素（x，s，i)，表示将控制器x管控的交换机s，调度到控制器i上，同时设 arp next_ rp next | c1 !i - 1 i (5. 2)若对于控制器x管控的每一交换机s都可以得到步骤5. 1所述的控制器i 及对应的待调度交换池元素，则认为该控制器可以被完全重映射，执行步骤5. 3,否则返回 步骤4 ; (5. 3)重构步骤5. 1中得到的待调度交换池中所有交换机：依据slave-master主 备控制机制，对于待调度交换池中每一条元素（x，s，i)，将s的master即主控制器设置为 i，将s的salve即后备控制器设置为X，实现交换机调度；所述slave-master主备控制机 制由OpenFlow协议定义，用于在多控制器集群控制时改变不同控制器的角色； (5. 4)控制器x进入休眠状态； (6)本次调度结束，下一时间间隔从步骤2开始执行；通过重复执行步骤2~步骤 5,将需要节能的控制器上的所有交换机，基于流量预测以及所承载的流量记录，智能调度 切换到其余控制器上，实现了动态调整集群控制器中活动控制器的数量，从而改善网络节 能表现。 本专利技术创建了一种集群内的控制器之间就流量问题彼此通信的方式，并基于流量 预测以及所承载的流量记录，动态的调整集群控制器中活动控制器的数量，从而实现集群 控制器的节能环保。本专利技术的创新点在于：本专利技术方法的使用将使得网络处于空闲状态 下，提高SDN集群控制器节能表现，使得集群控制器更加绿色环保。反观现有的SDN集群控 制器，如OpenDaylight等，并未考虑到由网络流量降低导致的多余控制器额外消耗能源问 题。因此，在现有SDN集群控制器中使用本专利技术方法，将改善网络节能表现。【附图说明】 图1是本专利技术方法总流程图。【具体实施方式】 下面以超级节点A，域内SDN控制器节点B，C的流量分配为例，结合表1~表4详 细描述本专利技术。 如图1所示，本专利技术，包括以 下步骤： (1)集群控制器调度：集群中的超级节点A初始默认各个控制器的最大管控流量 氏眶为0 ; (2)在相同的时间间隔t内，由集群中的超级节点A发起所管控集群的控制器调 度，发出信息收集命令；集群所有控制器A，B，C开始上报此时其流量特征，该步骤通过以下 子步骤来实现： (2. 1)控制器利用安全通道，向其管控的所有交换机发送查询消息； (2. 2)当控制器收集到其管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数据面流量预测的多控制器节能优化方法，该方法基于SDN网络域，其特征在于，包括以下步骤：(1)集群控制器调度：集群中的超级节点初始默认各个控制器的最大管控流量Himax为0；所述管控流量是指由这个控制器管控的所有交换机的流量之和，i为控制器编号；(2)在每个时间间隔t内，由超级节点发起所管控集群的控制器调度，发出信息收集命令，集群中所有控制器上报此时其流量特征，该步骤通过以下子步骤来实现：(2.1)控制器利用安全通道，向其管控的所有交换机发送查询消息；(2.2)当控制器收集到其管控的所有交换机的应答消息，向集群分布式共享存储系统发送流量统计信息，所述流量统计信息包括：控制器编号、交换机标号、交换机流量和时间戳；所述时间戳是指控制器收集到其管控的所有交换机的应答消息的时刻；(3)超级节点预测下一个时间间隔t内各个控制器的流量状态，该步骤通过以下子步骤来实现：(3.1)根据时间戳，超级节点从集群分布式共享存储系统中读取每个控制器的流量统计信息，尝试获取N个时间戳的完整报文集合；所述完整报文集合是指同一控制器同一时间戳的所有不同的交换机流量报文且时间戳是除去已获取完整报文集合外最新的；其中，N为5到30的整数；(3.2)若获取时间戳的完整报文集合不到N个，则执行步骤2；(3.3)根据步骤3.1获取的N个时间戳的完整报文集合，对某个控制器i，超级节点获得其N个时刻的流量总和TX1、TX2、TX3、TX4、TX5......TXN，即获得了这样的数据：TXj::＝{时间戳Xj、管控流量Tj}，j为1到N的整数，指代所述的N个时刻；所述管控流量Tj代表此控制器管控的所有交换机、在时间戳为Xj时的流量之和；(3.4)若步骤3.3中，对控制器i收集到的N个管控流量中，最大的那一个Tj比该控制器的历史最大Himax还大，则将Himax赋值为此Tj，即Himax＝max{Himax，T1，T2，T3，T4，T5......TN}；(3.5)使用最小二乘法，通过回归分析计算得出下一时刻的各个控制器的预测管控流量Tinext，即对于控制器i，其Tinext＝α+β*(XN+t)，其中XN+t表示所预测的时刻即XN的下一时刻，α、β为两个计算参数，其值为：α=Σ1NTjN-β(Σ1NXj)N]]>β=NΣ1NTj*Xj-(Σ1NXj)*(Σ1NTj)NΣ1NXj2-(Σ1NXj)2]]>式中Tj为步骤3.3所收集的控制器的管控流量，Xj为步骤3.3所收集的时间戳；(4)计算是否需要进行控制器节能，将控制器列表根据其Himax从大到小排列，对于某一台控制器i，当满足HTmax‑TTnext>Himax时，执行步骤5，否则继续遍历控制器列表，都不满足执行步骤6；其中为所有M台交换机的历史最大流量之和，为所有M台交换机的下一时间片预计流量之和，即:HTmax=Σ1MHimax,TTnext=Σ1MTinext;]]>式中的Tinext和Himax分别由步骤3.5和步骤1定义；(5)检测某控制器x所管控的交换机是否能被完全重映射，该步骤通过以下子步骤来实现：(5.1)遍历控制器x所管控的交换机列表，对其中每一个交换机s，遍历集群内除x外的其余控制器，对其中每一个控制器i，定义式中Himax和Tinext分别在步骤1和步骤3.5中定义，Ss为交换机s的流量；将Li从大到小排列，选择其中Li>0且Li最小的控制器i，若存在，则将交换机s重映射到控制器i上，并向待调度交换池写入这样一条元素(x，s，i)，表示将控制器x管控的交换机s调度到控制器i上，同时设置Tinext＝Tinext+Ss；(5.2)若对于控制器x管控的每一交换机s都可以得到步骤5.1所述的控制器i及对应的待调度交换池元素，则认为该控制器可以被完全重映射，执行步骤5.3，否则返回步骤4；(5.3)重构步骤5.1中得到的待调度交换池中所有交换机：依据slave‑master主备控制机制，对于待调度交换池中每一条元素(x，s，i)，将s的master即主控制器设置为i，将s的salve即后备控制器设置为x，实现交换机调度；所述slave‑master主备控制机制由OpenFlow协议定义，用于在多控制器集群控制时改变不同控制器的角色；(5.4)控制器x进入休眠状态；(6)本次调度结束，下一时间间隔从步骤2开始执行；通过重复执行步骤2～步骤5，将需要节能的控制器上的所有交换机，基于流量预测以及所承载的流量记录，智能调度切换到其余控制器上，实现了动态调整集群控制器中活动控制器的数量，从而改善网络节能表现。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春明，杜众，高文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33