CN105592156A - 面向网络功能的分布式弹性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向网络功能的分布式弹性控制方法，通过负载估计模块测量和评估控制平面和数据的实时负载，根据历史负载，预测负载变化；通过分布式决策器模块运行于控制平面，基于负载估计模块的评估结果，启动交换机迁移策略，判决可编程节点的迁移方案，设计决策过程中不同控制域的通信过程，存储全网范围的状态视图。本发明通过在不同控制域内迁移可编程节点，实现对网络功能的弹性控制分布，使网络能够实现自动负载均衡，负载估计模块运行于控制器至上，跟踪并统计控制器负载，触发分布式决策器模块进行交换机迁移；分布式决策器模块中每个控制器运行各自决策器实例，计算交换机迁移策略，实现网络资源效用最大化。

Description

面向网络功能的分布式弹性控制方法

技术领域

本发明涉及计算机通信领域，特别涉及一种面向网络功能的分布式弹性控制方法。

背景技术

当前网络中部署了大量以硬件盒子(Middlebox)为代表的网络功能。尤其随着NFV技术的发展，硬件盒子功能可通过软件实现，并批量部署于网络中。随着可重构网络、软件定义网络等可编程网络及网络功能虚拟化(networkfunctionvirtualization,NFV)技术的发展，网络中逐渐出现了新的部署模式，即，NFV将大量传统硬件功能基于虚拟化技术软件实现，并将其运行于服务器等商业设备。可编程交换节点将特定流量转发到服务器的功能实例中进行处理，实现流量的可编程转发。这种以功能实例为导向的转发模式易导致流量的不均衡问题，进而引发控制平面的负载失衡。即使功能实例在网络建立之初被合理地布局于全网中，也可能由于流量的动态变化而出现某些控制器负载间的不均衡。当前网络的分布式控制平面与数据平面的静态映射结构难以保证负载均衡，针对新型部署模式的特点、技术条件等，迫切需要提出一种全新的弹性控制方法来解决负载不均衡等问题。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种面向网络功能的分布式弹性控制方法，通过在不同控制域迁移的可编程节点，实现对网络功能的弹性控制分布，使网络能够实现自动负载均衡。

按照本发明所提供的设计方案，一种面向网络功能的分布式弹性控制方法，包含负载估计模块，跟踪统计控制器负载，预测PACKETIN事件资源消耗量及每个交换机占用控制器资源；分布式决策器模块，每个控制器均运行各自的决策器实例，计算交换机迁移策略，控制器之间的决策器通过扩展东西接口进行通信，该分布式弹性控制方法具体包含如下步骤：

步骤1.初始化，在分布式控制平面SDN网络拓扑中，每个控制器c_n根据控制器-交换机映射策略f进行交换机分配；

步骤2.负载估计模块跟踪统计控制器负载，当负载满足决策器模块触发条件时，控制器c_n从管理域中随机选择一个交换机s，同时从其邻居集合κ(n)中随机选择一个控制器c_n′，控制器c_n从随机数开始倒计时，控制器c_n对其邻居控制域进行观察是否在进行交换机迁移活动，其中，随机数按指数分布产生，管理域是指控制器c_n在控制器-交换机映射策略f下管理的交换机集合，控制域是指控制器c_n当前管理的交换机集合；

步骤3.分布式决策器模块计算交换机迁移策略，如果倒计时结束，控制器c_n未观察到其邻居控制域正在进行交换机迁移活动，则控制器c_n通告全网其将要与c_n′进行交换机迁移活动；

步骤4.交换机s从c_n控制域迁移到c_n′控制域，迁移结束后，c_n控制域将更新其资源利用率，并重新计算控制器负载；

步骤5.如果控制器c_n的倒计时结束前，有观察到其邻居控制域中正存在交换机迁移活动，则控制器c_n重置倒计时，同时广播该消息到所有的控制器，并返回步骤2。

上述的，预测PACKETIN事件资源消耗量具体包含如下内容：在控制器内部采用平均资源利用率对资源消耗量进行预测，设控制器c_j交换机集合为S_j，对代表估计事件到达率，控制器c_j的带宽、CPU和存储资源使用率分别标记为和假设同一控制域内的交换机具有相同的和则PACKETIN事件的资源消耗量估计为： $\hat{o}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{O}}_j,\hat{p}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{P}}_j,\hat{q}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{Q}}_j.$

上述的，分布式决策器模块计算交换机迁移策略还包含控制器负载设置上门限、下门限，若控制器当前负载低于下门限或高于上门限并持续，则负载估计模块触发分布式决策器模块进行交换机迁移。

优选的，当控制器出现过载，分布式决策器模块将工作在均衡模式；若部分控制器负载低于下门限，分布式决策器模块将工作在绿色模式，合并空闲控制域的交换机并关闭冗余控制器。

上述的，PACKETIN事件指数据报文到达时向控制节点传递通告报文，包括向控制平面传递数据状态信息，向控制平面发送路由计算请求。

本发明的有益效果：

本发明提出负载估计模块及分布式决策器模块，并通过在不同控制域内迁移可编程节点，实现对网络功能的弹性控制分布，使网络能够实现自动负载均衡，负载估计模块运行于控制器之上，跟踪并统计控制器负载，触发分布式决策器模块进行交换机迁移；分布式决策器模块中每个控制器运行各自决策器实例，计算交换机迁移策略，实现网络资源效用最大化。

附图说明：

图1为本发明的控制平面示意图；

图2为本发明的分布式弹性控制方法流程示意图；

图3为本发明的实施例三控制器消息交互示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1～2所示，一种面向网络功能的分布式弹性控制方法，包含负载估计模块，跟踪统计控制器负载，预测PACKETIN事件资源消耗量及每个交换机占用控制器资源；分布式决策器模块，每个控制器均运行各自的决策器实例，计算交换机迁移策略，控制器之间的决策器通过扩展东西接口进行通信，该分布式弹性控制方法具体包含如下步骤：

步骤1.初始化，在分布式控制平面SDN网络拓扑中，每个控制器c_n根据控制器-交换机映射策略f进行分配交换机；

步骤2.负载估计模块跟踪统计控制器负载，当负载满足决策器模块触发条件时，控制器c_n从管理域中随机选择一个交换机s，同时从其邻居集合κ(n)中随机选择一个控制器c_n′，控制器c_n从随机数开始倒计时，控制器c_n对其邻居控制域进行观察是否在进行交换机迁移活动，其中，随机数按指数分布产生，管理域是指控制器c_n在控制器-交换机映射策略f下管理的交换机集合，控制域是指控制器c_n当前管理的交换机集合；

步骤3.分布式决策器模块计算交换机迁移策略，如果倒计时结束，控制器c_n未观察到其邻居控制域正在进行交换机迁移活动，则控制器c_n通告全网其将要与c_n′进行交换机迁移活动；

步骤4.交换机s从c_n控制域迁移到c_n′控制域，迁移结束后，c_n控制域将更新其资源利用率，并重新计算控制器负载；

步骤5.如果控制器c_n的倒计时结束前，有观察到其邻居控制域中正存在交换机迁移活动，则控制器c_n重置倒计时，同时广播该消息到所有的控制器，并返回步骤2。

实施例二，与实施例一基本相同，不同之处在于：预测PACKETIN事件资源消耗量具体包含如下内容：在控制器内部采用平均资源利用率对资源消耗量进行预测，设控制器c_j交换机集合为S_j，对代表估计事件到达率，控制器c_j的带宽、CPU和存储资源使用率分别标记为和假设同一控制域内的交换机具有相同的和则PACKETIN事件的资源消耗量估计为： $\hat{o}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{O}}_j,\hat{p}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{P}}_j,\hat{q}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{Q}}_j.$

分布式决策器模块计算交换机迁移策略还包含控制器负载设置上门限、下门限，若控制器当前负载低于下门限或高于上门限并持续，则负载估计模块触发分布式决策器模块进行交换机迁移。

当控制器出现过载，分布式决策器模块将工作在均衡模式；若部分控制器负载低于下门限，分布式决策器模块将工作在绿色模式，合并空闲控制域的交换机并关闭冗余控制器。

PACKETIN事件指数据报文到达时向控制节点传递通告报文，包括向控制平面传递数据状态信息，向控制平面发送路由计算请求。

实施例三，参见图3所示，结合具体的实施方式对本发明做进一步解释说明：

如图3所示，基于OpenFlow协议消息进行扩展，以便控制器之间相互通信，进而完成交换机迁移，设控制器c_j，其邻居为κ(j)，每个域运行一个决策器线程，具体步骤如下：

步骤a：当c_j中的计时器超时，且其邻居域不存在交换机迁移活动，它将向其选择的目的控制域c_d发出交换机迁移请求，该消息包括迁移交换机ID；

步骤b：c_d将向c_j回应ACK消息，c_j向其邻居发送通告消息，声明在c_d和c_j之间存在交换机迁移活动；

步骤c：交换机开始迁移；

步骤d：迁移结束后，控制器c_d和c_j更新其资源使用率，并向其邻居广播更新。

本发明提出负载估计模块及分布式决策器模块，并通过在不同控制域内迁移可编程节点，实现对网络功能的弹性控制分布，使网络能够实现自动负载均衡，负载估计模块运行于控制器至上，跟踪并统计控制器负载，触发分布式决策器模块进行交换机迁移；分布式决策器模块中每个控制器运行各自决策器实例，计算交换机迁移策略，实现网络资源效用最大化。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种面向网络功能的分布式弹性控制方法，包含负载估计模块，跟踪统计控制器负载，预测PACKETIN事件资源消耗量及每个交换机占用控制器资源；分布式决策器模块，每个控制器均运行各自的决策器实例，计算交换机迁移策略，控制器之间的决策器通过扩展东西接口进行通信，该分布式弹性控制方法具体包含如下步骤：

步骤1.初始化，在分布式控制平面SDN网络拓扑中，每个控制器c_n根据控制器-交换机映射策略f进行交换机分配；

步骤2.负载估计模块跟踪统计控制器负载，当负载满足决策器模块触发条件时，控制器c_n从管理域中随机选择一个交换机s，同时从其邻居集合中随机选择一个控制器c_n′，控制器c_n从随机数开始倒计时，控制器c_n对其邻居控制域进行观察是否在进行交换机迁移活动，其中，随机数按指数分布产生，管理域是指控制器c_n在控制器-交换机映射策略f下管理的交换机集合，控制域是指控制器c_n当前管理的交换机集合；

步骤3.分布式决策器模块计算交换机迁移策略，如果倒计时结束，控制器c_n未观察到其邻居控制域正在进行交换机迁移活动，则控制器c_n通告全网其将要与c_n′进行交换机迁移活动；

步骤4.交换机s从c_n控制域迁移到c_n′控制域，迁移结束后，c_n控制域将更新其资源利用率，并重新计算控制器负载；

步骤5.如果控制器c_n的倒计时结束前，有观察到其邻居控制域中正存在交换机迁移活动，则控制器c_n重置倒计时，同时广播该消息到所有的控制器，并返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的面向网络功能的分布式弹性控制方法，其特征在于：预测PACKETIN事件资源消耗量具体包含如下内容：在控制器内部采用平均资源利用率对资源消耗量进行预测，设控制器c_j交换机集合为S_j，对 代表估计事件到达率，控制器c_j的带宽、CPU和存储资源使用率分别标记为和假设同一控制域内的交换机具有相同的和则PACKETIN事件的资源消耗量估计为： $\hat{o}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{O}}_j,\hat{p}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{P}}_j,\hat{q}=\frac{1}{\underset{s_k\∈S_j}{\Σ}{\hat{a}}_k}{\hat{Q}}_j.$

3.根据权利要求1所述的面向网络功能的分布式弹性控制方法，其特征在于：分布式决策器模块计算交换机迁移策略还包含控制器负载设置上门限、下门限，若控制器当前负载低于下门限或高于上门限并持续，则负载估计模块触发分布式决策器模块进行交换机迁移。

4.根据权利要求3中所述的面向网络功能的分布式弹性控制方法，其特征在于：当控制器出现过载，分布式决策器模块将工作在均衡模式；若部分控制器负载低于下门限，分布式决策器模块将工作在绿色模式，合并空闲控制域的交换机并关闭冗余控制器。

5.根据权利要求1所述的面向网络功能的分布式弹性控制方法，其特征在于：PACKETIN事件指数据报文到达时向控制节点传递通告报文，包括向控制平面传递数据状态信息，向控制平面发送路由计算请求。