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基于流量工程的软件定义网络控制资源优化机制

胡宇翔 李子勇 胡宗魁 胡涛

胡宇翔, 李子勇, 胡宗魁, 胡涛. 基于流量工程的软件定义网络控制资源优化机制[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
引用本文: 胡宇翔, 李子勇, 胡宗魁, 胡涛. 基于流量工程的软件定义网络控制资源优化机制[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
Yuxiang HU, Ziyong LI, Zongkui HU, Tao HU. Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276
Citation: Yuxiang HU, Ziyong LI, Zongkui HU, Tao HU. Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(3): 661-668. doi: 10.11999/JEIT190276

基于流量工程的软件定义网络控制资源优化机制

doi: 10.11999/JEIT190276
基金项目: 国家自然科学基金(61521003, 61872382),国家重点研发计划(2017YFB0803204),广东省重点领域研发计划(2018B010113001)
详细信息
    作者简介:

    胡宇翔:男,1982年生,副研究员,研究方向为宽带信息网、软件定义网络

    李子勇:男,1995年生,硕士生,研究方向为软件定义网络、计算机网络

    胡宗魁:男,1986年生,助理研究员,研究方向为控制自动化

    胡涛:男,1993年生,博士生,研究方向为软件定义网络、网络空间安全

    通讯作者:

    李子勇 17629352940@163.com

  • 中图分类号: TN919.2; TP393.2

Control Resource Optimization Mechanism of SDN Based on Traffic Engineering

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61521003, 61872382), The National Key Research and Development Program of China (2017YFB0803204), The Research and Development Program in Key Areas of Guangdong Province (2018B010113001)
  • 摘要: 针对软件定义网络(SDN)分布式控制平面中由于网络分域管理所引发的控制扩张问题,该文提出了一种基于流量工程的SDN控制资源优化(TERO)机制。首先基于数据流的路径特征对流请求的控制资源消耗进行分析,指出通过调整控制器和交换机的关联关系可以降低控制资源消耗。然后将控制器关联过程分为两个阶段:先设计了最小集合覆盖算法来快速求解大规模网络中控制器关联问题;在此基础上,引入联合博弈策略来优化控制器和交换机的关联关系以减少控制资源消耗和控制流量开销。仿真结果表明,与现有的控制器和交换机就近关联机制相比,该文机制能在保证较低控制流量开销的前提下,节省约28%的控制资源消耗。
  • 图  1  SDN分布式控制平面对流请求处理流程

    图  2  通过交换机迁移可以降低控制资源消耗

    图  3  控制器-交换机备选关系拓扑

    图  4  控制器-交换机关联后拓扑

    图  5  阶段1输出的控制器-交换机关系

    图  6  控制资源消耗对比

    图  7  控制流量开销对比

    图  8  MSC算法和TERO控制资源消耗

    图  9  MSC算法和TERO控制流量开销

    图  10  不同网络拓扑控制资源消耗

    图  11  不同网络拓扑控制器负载均衡率

    表  1  最小集合覆盖算法执行过程

     算法1 最小集合覆盖算法(Minimum Set Coverage)
     输入: SDN网络拓扑邻接矩阵${\text{G}} = [{a_{ij}}]$;网络中流处理请求矩阵${\text{F}} = [{f_{ij}}]$;控制器所能关联的备选集合:${C_i} = \{ {S_1},{S_2}, ·\!·\!· ,{S_i}\} $;控制器的
    容量及冗余因子:${\alpha _m}$, $\beta $
     输出:控制器-交换机之间的映射关系:${\text{X} } = [{x_{ij} }]$
     (1) 初始化:控制器-交换机关联关系SC={·};已关联的交换机set_switches={·};
     (2) 统计网络中端到端流量分布Flow_pair=Flow_sort(F);
     (3) while I in Flow_pair:遍历网络中流量
     (4)  Path_switch= Dijkstra(G, i);计算端到端流量的路径
     (5)  while Path_switch: 循环4个完备策略
     (6)   if Path_switch $ \subseteq $${C_i}$:若满足完备策略1, SC[${C_i}$]={Path_switch };流经过的所有交换机关联到${C_i}$
     (7)   if ${S_i}$$ \in $Path_switch AND ${S_i} \in $${C_j}$满足完备策略2, ${S_i} \to {C_j}$; ${S_i}$关联到${C_j}$
     (8)   if 存在${C_i} \subseteq {C_j}$:满足完备策略3,则$ \cup {S_i} \to {C_j}$;交换机${S_i}$优先关联到${C_j}$
     (9)   if Sn(${S_i}$)$ \subseteq $Sn(${S_j}$):满足完备策略4${S_i} \to \cup {\rm{ }}{C_j}$;交换机${S_i}$优先处理
     (10)   else 如果上述4个完备策略都不能满足:实行贪婪算法switch = max(Path_switch & ${C_i}$);寻找关联交换机较多的控制器SC[${C_i}$]=
    {switch};将相应交换机关联到控制器${C_i}$上
       end if; end while;
     (11) end while;
     (12) SC={${C_j} = \{ {S_j},{S_{j + 1}}, ·\!·\!· {\rm{,}}{S_n}\} $;输出控制器-交换机映射关系
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    表  2  联合博弈策略执行过程

     算法2 联合博弈策略Coalitional Game
     输入:算法1输出的控制器-交换机之间的关联关系${\text{X}} = [{x_{ij} }]$
     输出: 控制器-交换机之间的关联关系$\text{X}' = [{x'_{ij} }]$
     (1) 初始化$\text{X} = [{x_{ij} }]$, ${\alpha _m}$, $\beta $
     (2) repeat
     (3)  for each ${s_i}$ in $F$:寻找可能存在的交换机迁移
     (4)   Initial migration pair ${s_i}:{\rm{ }}{c_m} \to {C_n}$;找到满足两个条
    件的交换机迁移对
       end for
     (5)  for each $ {c_m}$:对于每一个控制器
     (6)   ${L_{ij}}$=${f_{ij}}{d_{kl}}{x_{ik}}{x_{jl}} + \delta {c_{ik}}$;计算每条数据流的资源消耗
     (7)   if ${s_i}:{\rm{ }}{c_m} \to {C_n}$ and ${\theta _n} \le \alpha \times \beta $;保证控制器不过载,
    寻找可能的交换机迁移
     (8)    ${L'_{ij}}$=${f_{ij}}{d_{kl}}{x'_{ik}}{x'_{jl}} + \delta {c'_{ik}}$;假设迁移,计算新的资源
    消耗
     (9)    if ${L'_{ij}} \le {L_{ij}}$: 若交换机迁移前后,资源消耗减少了,
    则接受迁移
     (10)     ${s_i} \to {c_j}$;实施交换机迁移${L_{ij}} = {L'_{ij}}$;更新的资源
    消耗
     (11)   end if; end for;
     (12) 直到系统没有任何交换机要求迁移,则算法收敛
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    表  3  实验拓扑数据

    网络拓扑节点数链路数控制器数距离阈值
    ARNES344743
    ChinaNet426654
    Interllifiber739365
    Interoute11014976
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  • [1] ZHANG Yuan, CUI Lin, WANG Wei, et al. A survey on software defined networking with multiple controllers[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2018, 103: 101–118. doi:  10.1016/j.jnca.2017.11.015
    [2] KARAKUS M and DURRESI A. A survey: Control plane scalability issues and approaches in Software-Defined Networking (SDN)[J]. Computer Networks, 2016, 112: 279–293. doi:  10.1016/j.comnet.2016.11.017
    [3] XU Yang, CELLO M, WANG I C, et al. Dynamic switch migration in distributed software-defined networks to achieve controller load balance[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2019, 37(3): 515–529. doi:  10.1109/JSAC.2019.2894237
    [4] MUQADDAS A S, GIACCONE P, BIANCO A, et al. Inter-controller traffic to support consistency in ONOS clusters[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2017, 14(4): 1018–1031. doi:  10.1109/TNSM.2017.2723477
    [5] BENSON T, AKELLA A, and MALTZ D A. Network traffic characteristics of data centers in the wild[C]. The 10th ACM SIGCOMM Conference on Internet Measurement, Melbourne, Australia, 2010: 267–280.
    [6] WANG Tao, LIU Fangming, GUO Jian, et al. Dynamic SDN controller assignment in data center networks: Stable matching with transfers[C]. The 35th Annual IEEE International Conference on Computer Communications, San Francisco, USA, 2016: 1–9.
    [7] 胡涛, 张建辉, 邬江, 等. SDN中基于分布式决策的控制器负载均衡机制[J]. 电子学报, 2018, 46(10): 2316–2324. doi:  10.3969/j.issn.0372-2112.2018.10.002
    [8] CUI Jie, LU Qianzhe, ZHONG Hong, et al. A load-balancing mechnism for distributed SDN control using response time[J]. Thansactions on Network and Service Management, 2018, 15(4): 1197–1206. doi:  10.1109/TNSM.2018.2876369
    [9] 伊鹏, 刘邦舟, 王文博, 等. 一种考虑软件定义网络控制节点故障的控制器部署和交换机迁移方法[J]. 电子与信息学报, 2017, 39(8): 1972–1978. doi:  10.11999/JEIT161216

    YI Peng, LIU Bangzhou, WANG Wenbo, et al. Controller placement and switch immigration strategy for SDN controller failure[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2017, 39(8): 1972–1978. doi:  10.11999/JEIT161216
    [10] ZHOU Yang, ZHENG Kangfeng, NI Wei, et al. Elastic switch migration for control plane load balancing in SDN[J]. IEEE Access, 2018(6): 3909–3919. doi:  10.1109/ACCESS.2018.2795576
    [11] 张少军, 兰巨龙, 江逸茗, 等. 流特征感知的软件定义网络控制器动态关联机制[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(9): 2050–2056. doi:  10.11999/JEIT171149

    ZHANG Shaojun, LAN Julong, JIANG Yiming, et al. Flow characteristics aware dynamic controller assignment in software-defined networking[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(9): 2050–2056. doi:  10.11999/JEIT171149
    [12] SALMAN O, ELHAJJ I H, KAYSSI A, et al. SDN controllers: A comparative study[C]. The 18th Mediterranean Electrotechnical Conference, Lemesos, Cyprus, 2016: 1–6.
    [13] PAL C, VEENA S, RUSTAGI R P, et al. Implementation of simplified custom topology framework in Mininet[C]. 2014 Asia-Pacific Conference on Computer Aided System Engineering, South Kuta, Indonesia, 2014: 48–53. doi:  10.1109/APCASE.2014.6924470.
    [14] KNIGHT S, NGUYEN H X, FALKNER N, et al. The internet topology zoo[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(9): 1765–1775. doi:  10.1109/jsac.2011.111002
    [15] LIAO Jianxin, SUN Haifeng, WANG Jingyu, et al. Density cluster based approach for controller placement problem in large-scale software defined networkings[J]. Computer Networks, 2017, 112: 24–35. doi:  10.1016/j.comnet.2016.10.014
    [16] YAO Guang, BI Jun, LI Yuliang, et al. On the capacitated controller placement problem in software defined networks[J]. IEEE Communications Letters, 2014, 18(8): 1339–1342. doi:  10.1109/LCOMM.2014.2332341
  • [1] 徐建峰, 张方韬, 徐震, 王利明.  基于嗅探技术的字段操纵攻击研究, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT191047
    [2] 李建华.  能源关键基础设施网络安全威胁与防御技术综述, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT191055
    [3] 张海波, 荆昆仑, 刘开健, 贺晓帆.  车联网中一种基于软件定义网络与移动边缘计算的卸载策略, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190304
    [4] 左志斌, 常朝稳, 祝现威.  一种基于数据平面可编程的软件定义网络报文转发验证机制, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190381
    [5] 向敏, 饶华阳, 张进进, 陈梦鑫.  基于图卷积神经网络的软件定义电力通信网络路由控制策略, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190971
    [6] 吴奇, 陈鸿昶.  软件定义网络容错控制平面的最小覆盖布局方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190972
    [7] 曾帅, 钱志华, 赵天烽, 任彦, 王育杰.  生存性条件约束下的软件定义光网络控制器部署算法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190395
    [8] 史久根, 邾伟, 贾坤荥, 徐颖.  软件定义网络中基于负载均衡的多控制器部署算法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT170464
    [9] 武泽慧, 魏强, 任开磊, 王清贤.  基于OpenFlow交换机洗牌的DDoS攻击动态防御方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160449
    [10] 曾帅, 盖绍聪, 张毅, 赵国锋, 左理政.  软件定义光网络中一种时延约束的控制器生存性部署方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160820
    [11] 史久根, 许辉亮, 陆立鹏.  软件定义网络中数据中心虚拟机迁移序列问题的研究, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160792
    [12] 伊鹏, 刘洪, 胡宇翔.  一种可扩展的软件定义数据中心网络流调度策略, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160623
    [13] 王颖, 余金科, 裴科科, 邱雪松.  基于负载通告的SDN多控制器负载均衡机制, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT161054
    [14] 姚琳元, 董平, 张宏科.  基于对象特征的软件定义网络分布式拒绝服务攻击检测方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160370
    [15] 伊鹏, 刘邦舟, 王文博, 张少军.  一种考虑软件定义网络控制节点故障的控制器部署和交换机迁移方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT161216
    [16] 刘中金, 卓子寒, 何跃鹰, 李勇, 苏厉, 金德鹏, 曾烈光.  一种基于动态配额的虚拟网带宽公平调度算法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT151485
    [17] 熊钢, 胡宇翔, 段通, 兰巨龙.  一种软件定义网络的安全服务链动态组合机制, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT150876
    [18] 刘中金, 李勇, 苏厉, 金德鹏, 曾烈光.  弹性协议可定制的网络数据平面结构及其映射算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01151
    [19] 姚琳元, 陈颖, 宋飞, 张宏科.  基于时延的软件定义网络快速响应控制器部署, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2014.00211
    [20] 周烨, 杨旭, 李勇, 苏厉, 金德鹏, 曾烈光.  基于分类的软件定义网络流表更新一致性方案, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.01431
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-04-22
    • 修回日期:  2019-06-24
    • 网络出版日期:  2019-08-02
    • 刊出日期:  2020-03-19

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