基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，该方法提出一种全新的虚拟交换机复制部署方案，在网络中少量的接入交换机处增量部署虚拟交换机对部分流进行第一跳的细粒度调度（至少精确到传输层五元组粒度），后续的路由及没有经过虚拟交换机的数据流以目的交换机为粒度调度，从而解决软件定义网络中实体交换机中流表受限的负载均衡问题。本发明专利技术克服了传统的路由方案中SDN交换机的流表资源稀缺、链路负载不均衡、接收端处理开销大的缺点，可以利用有限的流表项资源进行数据流的细粒度调度，从而提高了链路带宽的利用率以及网络的吞吐率，同时降低了控制开销以及链路拥塞的风险；本发明专利技术拥有良好的拓展性，具有广阔的应用前景。

SDN load balancing routing method based on virtual switch deployment

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法
本专利技术属于网络通信
，具体地涉及一种在软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)中基于虚拟交换机部署的负载均衡路由方法。
技术介绍
在传统IP网络中，网络传输设备(例如交换机)上整合了数据转发功能和控制管理功能，因此其控制管理逻辑非常复杂，并随着新协议的加入，变得更加臃肿笨重。这导致目前的网络架构体系存在效率低、维护困难、扩展性差、安全性较弱、兼容性不佳等问题。由于现有网络架构的种种局限性，催生了软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork,SDN)的出现。SDN是一种新型的网络创新架构，利用OpenFlow协议将网络的控制管理平面和数据转发平面分离开来。这种架构使得网络传输设备(SDN交换机)的功能被简化，其原本承担的控制工作都交由上层的控制器来完成，自己只需要按照要求转发数据，因此SDN是一个集中式控制网络。控制器主要负责监控网络、通过下发流表项为每条数据流安排转发路径。因为控制器可以根据交换机上报的全网信息对每条流进行控制，所以SDN能够提供更加细粒度的流量管理与路由调度。SDN的这种集中式控制使网络管理员和科研工作者只需要在控制层北向接口的应用程序中进行编程就可以对网络进行管理、配置及研究，大大增加了网络的可扩展性。由于软件定义网络具有的上述优点，其已经在数据中心以及广域网等场景中得到广泛使用。知名互联网公司Facebook、Google等都在他们的数据中心中使用OpenFlow协议，采用软件定义网络架构来优化数据中心网络的性能；Cisco、华为等网络设备制造商也都大力开展了软件定义网络的研究。SDN可以提供流级别的细粒度调度，对每条流精心选择路由可以很好地满足负载均衡的要求。这种细粒度调度是基于SDN交换机上的流表项实现的。流表项一般都存储在昂贵且耗能的TCAM(ternarycontentaddressablememory,三态内容寻址存储器)中。由于TCAM的高能耗及高成本，目前市面上主流的SDN交换机通常只支持数千条流表项的存储。然而，随着近年来无线互联网的高速发展，数千条的流表项不足以为数以百万计的数据流进行单条流的精确匹配。SDN交换机上流表项的数量成为制约SDN网络性能的关键因素。因此，软件定义网络需要以负载均衡为目的进行路由。现有的软件定义网络负载均衡路由方法有三种：(1)流分割方案：边缘交换机将流以大小、时间段划分成更小的flowset、flowcell等单位进行路由，将网络的负载均匀得分布到链路上，但是由于一条流分割后会沿多条不同的路径到达目的节点，各路径网络状况差异又很大，导致到达接收端的数据失序，接收端必须对这些数据进行重排序，这将耗费极大的时间与计算资源。再者为各个细粒度单位标记也需要额外的计算资源。(2)多径路由方案：传统的网络使用等价多路径(ECMP)方法进行链路负载均衡，将不同的流通过Hash的方式分配到不同的等价路径上。该方法可以通过OpenFlow协议中流表项、组表项的交互在SDN网络中实现，然而ECMP总是均匀地分割数据流，并没有考虑网络拓扑的形状和当前链路的负载情况，所以当网络拓扑不对称或者链路状态相差较大时，效果并不理想。该方法还存在Hash冲突的风险，一旦出现Hash冲突就会导致网络拥塞。(3)细粒度路由方案：该方案在SDN交换机上部署细粒度的流表项规则，以均衡各链路之间的负载为优化目标，为每条数据流精心选择合适的路由。该方法需要在交换机上安装大量流表项，一般的SDN交换机流表项资源稀缺，不能满足要求。并且控制器为每条流计算路径，并下发规则，造成大量控制开销。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术提出了一种基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，在部分边缘交换机处部署虚拟交换机，根据当前网络的数据链路负载，将部分数据流精准路由到当前负载较低的数据链路上，均衡了各数据链路上的负载，避免了数据链路拥塞，从而保证网络的吞吐量。本专利技术的技术方案是：一种基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，包括以下步骤：S01：在全网的接入交换机中至少选择一个交换机作为部署虚拟交换机的节点，并在该节点部署虚拟交换机，将待部署虚拟交换机与选中节点处的接入交换机以及其相邻的交换机连接；S02：SDN控制器为接入交换机安装默认流表项，将所有来自其相邻主机的数据流通过流表项全部发送给虚拟交换机；并在其他交换机上部署流表项，该流表项以目的交换机为粒度将数据流发送到最短路径上的下一跳交换机或目的主机；S03：虚拟交换机在接收到数据流时，询问控制器如何转发；控制器实时监听各交换机端口信息，计算各数据链路的当前负载，为该数据流选择一条负载最轻的路径，并在虚拟交换机上安装一条该流的流表项，指定其下一跳交换机；数据流根据沿途的交换机上的流表项转发到目的主机。优选的技术方案中，所述步骤S01中选择的交换机为边缘交换机。优选的技术方案中，所述步骤S01具体包括：S11：根据预算得到部署的虚拟交换机个数，从全网的所有边缘交换机中选择部署点；S12：在部署点处放置一台多网卡服务器，安装OpenVirtualSwitch软件，作为虚拟交换机，用光纤将该服务器与部署点的交换机连接，并用光纤将该服务器与部署点交换机相邻的交换机连接。优选的技术方案中，所述步骤S02中SDN控制器为接入交换机安装默认流表项包括以下步骤：S21：为非部署点的交换机安装默认流表项，匹配规则是目的IP＝各边缘交换机的网段，转发规则为最短路径上的下一跳；S22：为部署点的交换机安装默认流表项，匹配规则是源IP＝部署点交换机的网段，转发规则为发送给虚拟交换机。与现有技术相比，本专利技术的优点是：(1)交换机流表项消耗低：本方法将细粒度的流表项规则安装在流表项充足的虚拟交换机上，在SDN交换机上只需要部署基于目的交换机的流表项，从而大大降低了流表项使用量，使得各交换机的流表项足够使用，可以降低网络设备整体功耗。(2)控制开销低：大量交换机上的流表项都是预先部署的，只有部分经过虚拟交换机的数据流会到达控制器询问转发规则，并且控制器只需要为这些流安装一跳规则。因此，控制器的开销远小于细粒度的路由调度方案(3)传输效率高：该方案没有对流进行分割以及接收端重组，因此减少了许多额外操作。本方案中所有数据流最多只经过一跳虚拟交换机，由此造成的额外延迟非常有限，因此具有很高的传输效率。(4)适用性强：本方案没有使用等价多路径路由使用的hash方式，因此不光适用于拓扑对称的数据中心网络，在拓扑不对称的网络中同样可以发挥作用。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法的流程图；图2为本专利技术实施例中虚拟交换机复制部署方法的示意图，描述了虚拟交换机部署前及部署后的网络拓扑，由于控制器属于网络的控制平面，故没本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS01：在全网的接入交换机中至少选择一个交换机作为部署虚拟交换机的节点，并在该节点部署虚拟交换机，将待部署的虚拟交换机与选中节点处的接入交换机以及其相邻的交换机连接；/nS02：SDN控制器为接入交换机安装默认流表项，将所有来自其相邻主机的数据流通过流表项全部发送给虚拟交换机；并在其他交换机上部署流表项，该流表项以目的交换机为粒度将数据流发送到最短路径上的下一跳交换机或目的主机；/nS03：虚拟交换机在接收到数据流时，询问控制器如何转发；控制器实时监听各交换机端口信息，计算各数据链路的当前负载，为该数据流选择一条负载最轻的路径，并在虚拟交换机上安装一条该流的流表项，指定其下一跳交换机；数据流根据沿途的交换机上的流表项转发到目的主机。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在全网的接入交换机中至少选择一个交换机作为部署虚拟交换机的节点，并在该节点部署虚拟交换机，将待部署的虚拟交换机与选中节点处的接入交换机以及其相邻的交换机连接；
S02：SDN控制器为接入交换机安装默认流表项，将所有来自其相邻主机的数据流通过流表项全部发送给虚拟交换机；并在其他交换机上部署流表项，该流表项以目的交换机为粒度将数据流发送到最短路径上的下一跳交换机或目的主机；
S03：虚拟交换机在接收到数据流时，询问控制器如何转发；控制器实时监听各交换机端口信息，计算各数据链路的当前负载，为该数据流选择一条负载最轻的路径，并在虚拟交换机上安装一条该流的流表项，指定其下一跳交换机；数据流根据沿途的交换机上的流表项转发到目的主机。


2.根据权利要求1所述的基于虚拟交换机部署的SDN负载均衡路由方法，其特征在于，所述步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宏力，杨旭炜，赵功名，黄刘生，王诗诗，
申请(专利权)人：中国科学技术大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32