探討SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化

李瑩

摘 要：SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)是新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，體現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)發(fā)與控制解耦、集中控制等特性，較好地解決流量不均衡分布而引發(fā)的熱路徑瓶頸問題，對(duì)于解決網(wǎng)絡(luò)流量不均衡分布而引發(fā)的熱路徑問題有重要的作用。為此，本文重點(diǎn)探討和研究基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)，構(gòu)建基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡系統(tǒng)，提升網(wǎng)絡(luò)路徑負(fù)載均衡的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：SDN流表 回溯式 負(fù)載均衡 技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-00-02

本文探討基于SDN的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和控制功能的解耦合，并引入負(fù)載均衡技術(shù)，收集和獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)信息，極其有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的合理分配和管理，避免網(wǎng)絡(luò)鏈路中的阻塞現(xiàn)象，提升網(wǎng)絡(luò)鏈路資源利用率和用戶體驗(yàn)。

1 負(fù)載均衡技術(shù)及流表研究概述

1.1 以單控制器為主的負(fù)載均衡技術(shù)

該負(fù)載均衡技術(shù)可以從數(shù)據(jù)層面和控制層面加以分析和理解，其中，數(shù)據(jù)層面的負(fù)載均衡技術(shù)是基于單控制器場景實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的均勻分布和調(diào)控，利用路由技術(shù)和重路由技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率，避免網(wǎng)絡(luò)鏈路疊合或閑置的問題。控制層面的負(fù)載均衡技術(shù)關(guān)注控制器與交換機(jī)的頻繁交互性能的研究，相關(guān)學(xué)者提出了主動(dòng)混合流表與被動(dòng)混合流表安裝的模式，以減輕控制器與交換機(jī)頻繁交互的問題；還有些學(xué)者提出改進(jìn)的快速流調(diào)度技術(shù)，減輕控制器和交換機(jī)之間的通信負(fù)載壓力。

1.2 分布式控制器下的負(fù)載均衡技術(shù)

分布式控制器包括有主控制器、輔控制器和等價(jià)控制器，是一種動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡技術(shù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制器與交換器節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，其缺陷在于遷移技術(shù)部署相對(duì)復(fù)雜和繁瑣，增大了時(shí)間和資金成本。

1.3 流表研究

SDN流表在交換機(jī)中增添高速TCAM表與低速表存儲(chǔ)相結(jié)合的存儲(chǔ)空間，借助于流表項(xiàng)關(guān)聯(lián)度算法、前綴聚合算法、無前綴聚合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDN流表的壓縮存儲(chǔ)，較好地優(yōu)化流表容量。同時(shí)，還要注重對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量細(xì)粒度的有效管理和控制，及時(shí)更新表項(xiàng)，解決流表容量不足的問題。

2 SDN流表的回溯式負(fù)載均衡優(yōu)化方案分析

2.1 方案思路

基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)思路，主要表現(xiàn)為以下內(nèi)容：LLDP報(bào)文全網(wǎng)流表—鏈路測量—擁塞檢測（流表容量及隊(duì)列容量）—擁塞預(yù)處理—路徑找尋、節(jié)點(diǎn)變更—流表清理并進(jìn)行路徑評(píng)價(jià)。

2.2 基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)信息

基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)中的外部信息包括有LLDP報(bào)文、節(jié)點(diǎn)黑名單集合、端口隊(duì)列緩存數(shù)信息、表項(xiàng)緩存數(shù)、節(jié)點(diǎn)序列集合等；內(nèi)部信息包括有：可擴(kuò)展的Packet-In消息、網(wǎng)絡(luò)測量信息、節(jié)點(diǎn)類型標(biāo)志信息、尋徑消息、可達(dá)路徑節(jié)點(diǎn)序列集合、較優(yōu)路徑集合信息、回溯請(qǐng)求消息、回溯記錄信息、Flowmod消息等。

2.3 SDN流表的回溯式多路徑負(fù)載均衡系統(tǒng)構(gòu)建

2.3.1 基于SDN流表的負(fù)載均衡基本活動(dòng)及行為分析

在SDN流表的回溯式多路徑負(fù)載均衡系統(tǒng)之中，主要包括以下基本活動(dòng)和行為：（1）網(wǎng)絡(luò)鏈路測量。主要是指LLDP報(bào)文、全網(wǎng)流表集合信息的映射活動(dòng)。（2）擁塞檢測。主要是映射端口隊(duì)列信息、流表容量信息、擁塞信息等內(nèi)容。（3）擁塞預(yù)處理。主要映射擁塞信息、測量信息和尋徑信息等內(nèi)容。（4）路徑回溯。主要是映射原路徑信息、回溯請(qǐng)求信息、二次尋徑信息、回溯記錄信息等。（5）路徑評(píng)價(jià)。主要是映射路徑、測量信息和較優(yōu)路徑等內(nèi)容。

2.3.2 基于SDN流表的負(fù)載均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其行為特性分析

SDN流表的負(fù)載均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以擁塞檢測為起點(diǎn)，以擁塞預(yù)處理為分叉點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量擁塞負(fù)載均衡和流表擁塞負(fù)載均衡，包涵有鏈路測量、擁塞檢測、擁塞預(yù)處理、路徑尋找、路徑回溯、路徑評(píng)價(jià)、表項(xiàng)生成及清理、節(jié)點(diǎn)刪除及添加等子項(xiàng)。具體來說，其行為特性可以描述為：（1）由LLDP報(bào)文和全網(wǎng)流表獲悉鏈路測量信息，通過擁塞檢測獲悉擴(kuò)展的PACKET-IN消息，經(jīng)由擁塞預(yù)處理獲取路徑集合信息，評(píng)價(jià)得出較優(yōu)路徑并生成表項(xiàng)。（2）由LLDP報(bào)文和全網(wǎng)流表獲悉鏈路測量信息，通過擁塞檢測獲悉擴(kuò)展的PACKET-IN消息，經(jīng)由擁塞預(yù)處理獲取回溯請(qǐng)求、二次尋徑等信息，評(píng)價(jià)得出較優(yōu)路徑并生成最終輸出調(diào)度流表項(xiàng)。

2.4 SDN流表的回溯式多路徑負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 SDN流表負(fù)載均衡框架算法

這主要包括流量擁塞型負(fù)載均衡子框架算法和流表擁塞型負(fù)載均衡子框架算法，其中：（1）流量擁堵型負(fù)載均衡子框架算法。由控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的周期性更新，檢測交換機(jī)的擁堵現(xiàn)象，并生成擴(kuò)展的Packet-In消息，由相應(yīng)的負(fù)載均衡處理模塊進(jìn)行路徑尋找、評(píng)價(jià)和表項(xiàng)生成。（2）流表擁堵型負(fù)載均衡子框架算法。該算法針對(duì)流表容量不足而出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象進(jìn)行分析，要設(shè)立兩個(gè)閾值，在流表容量超出第一個(gè)閾值的情形下，可以通過路由算法修改流表所在交換機(jī)的節(jié)點(diǎn)黑名單；在流表容量超出第二個(gè)閾值的情形下，導(dǎo)入表項(xiàng)清理行為，以避免網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)過大而引發(fā)的擁堵現(xiàn)象。

2.4.2 SDN流表負(fù)載均衡關(guān)鍵算法

框架算法中的關(guān)鍵子算法主要包括以下內(nèi)容：（1）擁堵檢測關(guān)鍵子算法。該算法的步驟為：提取輸入的端口隊(duì)列長度信息→提升輸入的流表容量信息→計(jì)算提取隊(duì)列長度與總隊(duì)列長度的比值→計(jì)算提出流表項(xiàng)數(shù)目與流表總?cè)萘勘戎?，在?jì)算得出比值大于70%、80%、90%時(shí)，則會(huì)發(fā)送擁堵信息至控制器，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象的檢測。（2）回溯尋徑關(guān)鍵子算法。該算法的步驟為：讀取尋徑信息—提取交換機(jī)和目標(biāo)流的信息—深度搜索所有路徑。

3 SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于SDN流表的回溯式負(fù)載均衡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)擁堵狀態(tài)的主動(dòng)檢測，并將信息傳送至控制器；能夠回溯節(jié)點(diǎn)尋徑特性，對(duì)流表缺位的交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄，生成節(jié)點(diǎn)黑名單，并清理超載交換機(jī)，以達(dá)到提升系統(tǒng)均衡及效率的能力。

SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)依照三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行部署和設(shè)計(jì)，由下到上為交換機(jī)、RYU控制器、SDN負(fù)載均衡系統(tǒng)框架，由底層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵檢測，生成擴(kuò)展的PACKET-IN消息，并傳送至控制器的預(yù)處理模塊，由控制器的測量模塊實(shí)時(shí)測量獲取網(wǎng)絡(luò)鏈路及拓?fù)浔硇畔ⅲ賹?shí)施流表項(xiàng)的清理、添加和刪除等活動(dòng)。在SDN流表的回溯式負(fù)載均衡技術(shù)之中，主要采用順序圖和協(xié)作圖的交互設(shè)計(jì)表達(dá)方式，其中：順序圖注重執(zhí)行動(dòng)作的先后順序關(guān)聯(lián)；協(xié)作圖則側(cè)重于執(zhí)行活動(dòng)的交互與協(xié)作，兩種表達(dá)方式是可以轉(zhuǎn)換并對(duì)應(yīng)操作的。

4 結(jié)語

綜上所述，多路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境中可以采用SDN負(fù)載均衡技術(shù)和系統(tǒng)，在明晰SDN負(fù)載均衡的相關(guān)概念前提下，搭建SDN流表負(fù)載均衡運(yùn)行機(jī)制，引入SDN負(fù)載均衡框架算法和子程序的關(guān)鍵算法，設(shè)計(jì)多路徑的SDN負(fù)載均衡系統(tǒng)，有效解決網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)延現(xiàn)象，合理進(jìn)行流量調(diào)度和優(yōu)化。未來還要關(guān)注非特殊拓?fù)洵h(huán)境下降低尋徑算法復(fù)雜度的問題，深度利用流表容量參數(shù)，更好地提升網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡能力和效率。

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