一种提高层次分布式SDN控制平面路由效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高层次分布式SDN控制平面路由效率的机制，以解决在大规模OpenFlow网络环境下的SDN控制器部署所存在的可扩展性问题。本发明专利技术将网络中的路由请求根据数据包的源IP地址和目的IP地址分成三个级别，对局域网中的路由请求采用集中控制路由(CSR)算法，对全局路由请求被作为完全分布式控制路由进行处理。本发明专利技术通过采用阻断岛范式(BI)理论建立BI图和对全局网络进行拓扑聚合以降低路由算法的搜索空间。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种提高层次分布式SDN控制平面路由效率的机制，以解决在大规模OpenFlow网络环境下的SDN控制器部署所存在的可扩展性问题。本专利技术将网络中的路由请求根据数据包的源IP地址和目的IP地址分成三个级别，对局域网中的路由请求采用集中控制路由(CSR)算法，对全局路由请求被作为完全分布式控制路由进行处理。本专利技术通过采用阻断岛范式(BI)理论建立BI图和对全局网络进行拓扑聚合以降低路由算法的搜索空间。【专利说明】-种提高层次分布式SDN控制平面路由效率的机制
本专利技术公开了一种对层次分布式软件定义网络(SDN)控制平面路由效率进行改进 的机制，用于解决在大规模网络环境下，控制器如何配置网络资源和处理路由请求，从而提 高控制平面可扩展性的问题。本专利技术属于网络数据传输领域。
技术介绍
随着互联网的规模和复杂性日益增长W及应用范围的不断扩大，许多新兴网络业 务对网络所能提供的服务提出了更加苛刻的要求。例如:数据中屯、中巨量数据的传输对网 络带宽提出了更高要求;在线实时交互式应用要求网络延迟控制在数毫秒内；网络电话对 丢包率非常敏感。然而，互联网中传统的尽力而为的传送机制难W提供基于每个业务流的 细粒度控制及优秀的区分服务，原因在于现有网络的控制功能分散于各个网络设备中，采 用的分布式路由协议并不适宜实现端对端的有软件服务质量(QoS)保证的路由，并且由于 传统网络架构僵化和缺乏全局网络视图，目前并没有一种基于传统网络的资源管理框架能 解决所有问题。 基于上述问题，SDN日益兴起并迅速吸引了学术界和工业界注意。SDN将控制平面 与转发平面分离，网络层和控制层之间通过化enFlow协议提供的安全信道交换信息，控制 层通过REST API提供的北向接口向应用层提供服务。SDN控制器负责执行网络决策任务，如 负载均衡、接入控制和路由计算，网络设备在控制器的指导下进行数据转发。网络管理者能 够通过编写应用程序来配置、管理和优化底层的网络资源，从而实现灵活可控的网络W及 提供高质量、可区分的服务。 然而SDN在带来诸多优点和机遇的同时也带来了挑战。SDN控制器是整个网络的大 脑，负责所有的网络决策任务，例如负载均衡、网络接入、流量调度、路由计算等，而沉重的 计算负担会降低网络路由决策的效率并增加路由的时延。此外，OpenFlow交换机的流表空 间是有限的（约4K)，为了在有限的流表空间中匹配更多的流，采用了硬超时和空闲超时等 流表项超时机制，从而导致流表项的重复计算，加重控制平面的负担。网络中存在大量老鼠 流，运些老鼠流的传输时间短暂且会频繁调用控制器，极端情况下会导致控制器岩机。限制 条件下的最优路径决策是NP-完全问题，需要采用启发式或演进式算法。针对在大规模网络 中SDN控制器所存在的可扩展性问题，目前在学术界提出了=类解决方案：1.通过使用高规 格硬件及应用多线程技术来提高单个控制器的性能，或提出高性能路由算法来提高集中式 路由的效率;2.通过预先配置通配符流表项，为一部分业务流预先分配静态路由，从而将部 分控制器工作转移到转发平面，通过降低路由请求次数提高控制器吞吐量;3.通过采用多 个控制器相互协作的分布式控制平面，将逻辑上统一的控制平面在物理上分散开来。目前 在学术界已经有一些分布式控制平面的讨论，但是运些控制平面通常较少关注其在大规模 网络中应用时可能遇到的性能瓶颈问题。 本专利技术主要针对SDN层次分布式控制平面存在的可扩展性问题，提出一种改进机 审IJ。为讨论方便，假设层次分布式SDN网络中，各种异构的局域网络称为LA,每个LA由一个底 层控制器LC管理，上层控制器称为UC，上层控制器管理的网络区域称为UA，每个上层控制器 管理若干个底层控制器。首先，本专利技术利用分治法依据网络层次和数据包的IP地址将网络 中的路由分为S个级别进行处理，其中LA内和UA内部的路由被作为集中控制路由（CSR)，而 源IP地址和目的IP分属不同UA的路由请求被作为全局分布式路由进行处理;其次，将CSR作 为一个限制条件下最短路径(CSP)问题，通过应用阻断岛范式理论(BI)为LA建立BI图W降 低CSR算法的捜索空间从而降低其时间复杂度;最后，通过对网络进行聚合W降低全局分布 式路由算法的复杂度。LC计算并上传 LA聚合网络到对应UC并且由UC将网络拓扑和网络状态 同步至其它控制器，全局分布式路由的计算基于除去源UA和目的LA的聚合网络，假设全局 分布式路由被作为I个有序的CSR问题进行处理，每个CSR依赖于一个除去源UA和目的LA的 全局聚合网络。通过运种降低SDN路由算法的平均复杂度的机制，提高层次分布式控制器平 面的可扩展性。
技术实现思路
:针对现有SDN层次分布式控制平面在大规模网络应用中存在性能瓶 颈问题，提出一种对其路由计算效率进行改进的机制。通过本专利技术，可W有效的提高SDN层 次分布式控制平面的处理能力，提高其在大规模网络环境中的可扩展性和处理能力，从而 充分利用其所带来的可编程性和灵活性。 :本专利技术采用了 W下技术方案： 1)对网络路由按照网络层次和IP地址划分为=个级别进行处理。 将网络路由划分为S个级别能够降低路由算法的平均时间复杂度，其中LA内部路 由和UA内部路由被作为集中控制路由进行处理，跨UA的路由被作为全局分布式路由进行处 理。CSR在本专利技术中被作为一个CSP问题进行处理，并且采用拉格朗日松弛变量算法(LARAC) 来解决该问题。本专利技术对路由计算请求的处理步骤为：步骤一:LC收至睐自LA的路由请求时，LC会判断路由请求数据包PACKET_IN的目的 IP地址是否位于该LA中，如果目的IP地址也位于该LC所管理的LA内部，则会发起一次WLC 为控制器的CSR。假设源节点为S，目的节点为T，局域网络为LAi,要求的最小带宽为Bmin,其 最优路径可W表示为^ =〔51?他1，（5，1')，8。1。），其中〔51?他1，（5，1')，8。1。)为本专利技术所使用 的符号，表示使用LARAC算法解决CSP问题获得的最优路径，Gii表示第i个局域网络LA, i = 1， 2，. . .，L，L是LA的个数； 步骤二：当LC判断目的IP地址和源IP地址不再同一个LA中，LC会将PACKET_IN数据 包上传到其对应的UC进行处理。类似的，UC收到路由计算请求时，如果判断目的IP地址位于 其对应的UA中，将会发起一次W该UC为控制器的CSR。假设源节点为S，目的节点为T，局域网 络为UAi,要求的最小带宽为Bmin,则其最优路径可W表示为^ =〔51?倘1，（5，1')，8。1。），其中 Gui表示第i个局域网络UA，i = l，2，. . .，U，U为UA的个数；[001 ^ 步骤S :当UC判断目的IP地址不再其管理的UA中时，UC首先将PACKET_IN路由请求 数据包同步到其它上层控制器，并发起一次全局分布式路由请求。全局分布式路由请求被 作为一系列有序的CSR进行处理。在本专利技术中采用阻断岛范式理论降低CSR的复杂度并且对 全局网络拓扑进行聚合W降低每个CSR的捜索空间，从而提高了全局分布式路由的处理效 率。假设全局分布式路由共分I次CSR路由，第i次路由的源节点为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高层次分布式软件定义网络(SDN)控制平面路由效率的机制，其特征在于：1)网络中的路由请求按照网络层次和IP地址分为三个级别进行处理；2)采用阻断岛范式理论降低集中控制路由(CSR)的搜索空间；3)对全局网络进行拓扑聚合以降低分布式路由的复杂度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，朱向阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32