《電子技術(shù)應(yīng)用》
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SDN控制器部署中的可靠性優(yōu)化研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
毛 明,,陳庶樵,崔世建
國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,,河南 鄭州450002
摘要: 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層解耦,,其將所有轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與一個(gè)邏輯集中的控制器相連接,。為避免網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大引起的單點(diǎn)失效,向分布式控制結(jié)構(gòu)發(fā)展成為OpenFlow廣域網(wǎng)部署的趨勢(shì),,其中控制層多控制器的部署問(wèn)題是SDN設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),。提出基于控制路徑連通度的控制器部署方案來(lái)最大化SDN控制器部署的可靠性,并使用3種不同的算法對(duì)比控制器部署性能,。仿真結(jié)果表明,,該方案可以在可接受時(shí)延范圍內(nèi)提升部署SDN控制器的可靠性,。
中圖分類號(hào): TN911;TP393.0
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.027
中文引用格式: 毛明,,陳庶樵,,崔世建. SDN控制器部署中的可靠性優(yōu)化研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(3):108-111,,115.
英文引用格式: Mao Ming,Chen Shuqiao,,Cui Shijian. The research on reliability optimization in SDN controller placement[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(3):108-111,,115.
The research on reliability optimization in SDN controller placement
Mao Ming,,Chen Shuqiao,Cui Shijian
National Digital Switching System Engineering & Technology Research Center,,Zhengzhou 450002,,China
Abstract: The Software Defined Networking(SDN) approach decoupled control and forwarding planes in the traditional network architecture. It connected all the forwarding devices to a logically centralized controller. To avoid single failure introduced by the expansion of network scale, distributed control architecture was going to be a new tendency in the deployment of OpenFlow WANs. The controller placement problem was one of the critical problems in SDN design. This paper proposed a controller placement scheme based on the connectivity of control path to maximize the reliability of controller placement in SDN, and used three different algorithms to contrast the performance. Simulation results show the scheme can enhance the reliability of SDN controller deployment within delay constraint.
Key words : SDN;controller placement problem,;reliability optimization,;control path

0 引言

    軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)的核心思想在于控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層的分離,,OpenFlow[1]協(xié)議為實(shí)現(xiàn)其倡導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)控制提供可編程接口,,能夠極大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理工作。隨著SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,,這種集中工作模式很可能成為其在WAN中的瓶頸點(diǎn)[2],。為提升網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、可靠性,,多控制器部署的思路逐漸受到較多的關(guān)注,。

    多控制器的部署問(wèn)題可以歸納為:給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌枰嗌賯€(gè)控制器能夠滿足網(wǎng)絡(luò)需求,,以及如何為這些控制器尋找最優(yōu)位置進(jìn)行部署,。文獻(xiàn)[3,4]中明確將確定控制器數(shù)量及位置的問(wèn)題定義為控制器部署問(wèn)題(Controller Placement Problem,,CPP),。通過(guò)文中分析可以看到,現(xiàn)有研究方向都在向優(yōu)化目標(biāo)的選擇集中,,因此控制器部署問(wèn)題是一個(gè)NP難問(wèn)題,。

    本文提出故障場(chǎng)景度量值的概念來(lái)尋求控制器部署的解決方案,將節(jié)點(diǎn)間控制路徑連通度作為實(shí)施控制器放置的首要指標(biāo)。

1 相關(guān)工作

    目前對(duì)于CPP的研究主要集中在兩個(gè)方向進(jìn)行:基于時(shí)延優(yōu)化和基于可靠性優(yōu)化,?;跁r(shí)延優(yōu)化主要利用聚類思想來(lái)部署控制器及其交換機(jī)集合。該部署思想目前主要有基于平均時(shí)延,、最壞情況時(shí)延[5]等部署方法,。基于可靠性優(yōu)化的控制器部署研究集中于控制層,,主要圍繞三方面展開(kāi):(1)路徑可靠性[6],;(2)節(jié)點(diǎn)可靠性[7];(3)負(fù)載均衡[8],。也有研究從多目標(biāo)整合優(yōu)化的角度來(lái)進(jìn)行基于可靠性部署問(wèn)題的研究[9],。

    針對(duì)SDN的可靠性研究分為數(shù)據(jù)層可靠性和控制層可靠性兩方面:(1)數(shù)據(jù)層可靠性:SHARMA S等人[10]利用OpenFlow1.1協(xié)議的故障轉(zhuǎn)移機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的故障恢復(fù),提出并評(píng)估兩種不同的復(fù)原方式的性能,。(2)控制層可靠性:控制層可靠性研究分為控制器及其控制路徑兩部分,。控制器的可靠性是指應(yīng)對(duì)控制器故障的可靠性保證,,這類可靠性可以通過(guò)提升控制器自身的可靠性(如使用更加可靠的硬件)或使用多個(gè)備份控制器的方式得到改善[10],。

    現(xiàn)有OpenFlow廣域網(wǎng)部署可由兩種網(wǎng)絡(luò)類型來(lái)實(shí)現(xiàn):帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(in-band networks)和帶外網(wǎng)絡(luò)(out-of-band networks),如圖1,、圖2所示,。在帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中,OpenFlow流能夠共享常規(guī)網(wǎng)絡(luò)流的相同路徑,。在基于OpenFlow的廣域網(wǎng)中使用帶內(nèi)部署更加合理,。根據(jù)OpenFlow1.3.2協(xié)議,控制器到交換機(jī)的通信路徑實(shí)際上取決于IP路由協(xié)議,。在廣域網(wǎng)中,,通常每一對(duì)設(shè)備之間具備多條可用路徑,,當(dāng)前路徑失效時(shí),,其他路徑能夠快速取代并傳輸OpenFlow信息。因此增強(qiáng)OpenFlow控制通道的多路性能夠提升OpenFlow廣域網(wǎng)的恢復(fù)能力,。

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2 故障場(chǎng)景模型描述

    本文的優(yōu)化目標(biāo)在于合理選取控制器的部署位置,,具備限制同時(shí)故障發(fā)生數(shù)的能力,在失效場(chǎng)景中控制路徑減少的情況下,,使失聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)最小化,,從而保證系統(tǒng)可靠性。將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠P突癁镚(V,,E),,其中V表示節(jié)點(diǎn)設(shè)備,E表示節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)鏈路,,文中符號(hào)參數(shù)定義如表1所示,。

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2.1 故障場(chǎng)景度量值建模

    在故障場(chǎng)景fk中,,為便于實(shí)驗(yàn)分析,使用平均鏈路失效概率來(lái)衡量該故障場(chǎng)景的整體失效概率,。

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    遍歷所有可能的故障場(chǎng)景,,尋找使式(3)具有最小值的節(jié)點(diǎn)i作為控制器部署位置,此時(shí)能夠確保節(jié)點(diǎn)i對(duì)控制路徑具有最低的故障發(fā)生概率,。

    式(4)~式(7)是約束條件,。式(4)是故障場(chǎng)景度量值的取值范圍;式(5)表示控制器處于活躍狀態(tài)時(shí),,ci取值為1,,否則為0;式(6)表示在故障場(chǎng)景fk中該節(jié)點(diǎn)與所有節(jié)點(diǎn)路徑連通度小于設(shè)定閾值,,則fk(Ci)為1,,否則為0;式(7)表示出現(xiàn)故障fk時(shí),,其所有的鏈路失效概率取值在0~1之間,;式(8)表示首先為每個(gè)控制器分配r個(gè)交換機(jī),如果有剩余,,再根據(jù)節(jié)點(diǎn)連通度大小將其分配給某個(gè)控制器,。

2.2 基于路徑連通度的域內(nèi)交換機(jī)選取策略

    本文考慮尋找節(jié)點(diǎn)連通度最大的節(jié)點(diǎn)作為交換機(jī)集合來(lái)增強(qiáng)該控制器的控制路徑連通效能。

    定義1 控制路徑連通度,。選定每個(gè)控制器放置節(jié)點(diǎn)后,,優(yōu)先選取與控制器節(jié)點(diǎn)路徑連通度最大的前r個(gè)交換機(jī)作為該控制器域內(nèi)交換機(jī)集合。用控制器部署位置與節(jié)點(diǎn)間不相交路徑平均數(shù)定義路徑連通度,,表示如下:

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    設(shè)定路徑連通度閾值mthre,,當(dāng)節(jié)點(diǎn)路徑連通度小于mthre時(shí),即認(rèn)為節(jié)點(diǎn)間連通度不足,。

2.3 控制路徑選取策略

    所有路徑具有相同失效概率時(shí),,為提高流運(yùn)轉(zhuǎn)效率,應(yīng)尋找最大剩余帶寬路徑,,選擇該路徑作為首要控制路徑并將其他路徑作為備份路徑,。

    定義2 最大剩余帶寬路徑。式(10)實(shí)現(xiàn)選擇節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b之間最大剩余帶寬路徑p,,如下所示:

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    路徑的帶寬容量取決于組成該路徑鏈路中的最小帶寬鏈路,,如下式所示:

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    路徑p剩余帶寬Bres(p)由路徑p可用帶寬減去已占用帶寬Bal(p)求得:

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3 控制器部署算法

    本節(jié)設(shè)計(jì)基于貪婪的控制器放置算法實(shí)現(xiàn)控制器部署。便于與現(xiàn)有的隨機(jī)放置算法和Survivor[6]方法進(jìn)行對(duì)比,。 

3.1 基于貪婪的控制器放置算法

    基于貪婪的控制器放置算法(Greedy-Based Controller Placement,,GBCP)使用聚類思想尋找控制器及其域內(nèi)管控節(jié)點(diǎn)集合。在完成所有迭代后,如果存在剩余節(jié)點(diǎn),,通過(guò)計(jì)算剩余節(jié)點(diǎn)與各個(gè)控制器之間的連通性關(guān)系,,再將其分配至各個(gè)控制器域。

    基于貪婪的控制器放置算法(GBCP):

    輸入:G=(V,,E),,控制器數(shù)m,故障場(chǎng)景集合F,;

    輸出:C,,Su

(1)i=0,,V1=V

(2)for u in V1

(3)計(jì)算u在所有已知可能的故障場(chǎng)景F中的f(Ci),,并升序排序;

(4)選擇具有最小f(Ci)的節(jié)點(diǎn)u(如有多個(gè)相同的節(jié)點(diǎn),,則隨機(jī)選擇),,加入控制器集合C中;

(5)通過(guò)式(9)選取出與節(jié)點(diǎn)u連通度最大的前r個(gè)點(diǎn)作為該控制域內(nèi)的交換機(jī)集合Su,;

(6)把節(jié)點(diǎn)u和集合Su內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)從集合V1中移除,;

(7)i=i+1  

(8)if i<m:返回以上for循環(huán);

(9)else if i=m:

(10)if V1≠φ:

(11)for v in V1

(12)計(jì)算v 和集合C中各控制器的連通性關(guān)系,,并將其分配至連通度最大的控制器域中,;

(13)end for

(14)end for

3.2 其他算法介紹

    該兩種方案是現(xiàn)有的用來(lái)獲取m個(gè)控制器位置實(shí)現(xiàn)控制器部署的實(shí)施方案。

    (1)隨機(jī)放置算法(random):該算法是隨機(jī)地在所有可能的V個(gè)節(jié)點(diǎn)中選取m個(gè)位置作為控制器部署節(jié)點(diǎn),。

    (2)Survivor:該方法通過(guò)明確考慮路徑多樣性從而增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連通性,;在控制器部署中增加容量感知機(jī)制,主動(dòng)避免控制器的過(guò)載問(wèn)題,;通過(guò)控制器容量的備用剩余容量實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)機(jī)制,。

4 性能評(píng)估

    為方便實(shí)驗(yàn),設(shè)定每個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中所有鏈路具有相同的鏈路失效概率,,因此實(shí)驗(yàn)中使用鏈路失效概率來(lái)量化故障場(chǎng)景度量值,。 

    在Internet 2、RNP,、GEANT,、GOODNET、ARPANET19719等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)施如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:(1)使用GBCP部署方法,,計(jì)算出控制器數(shù)目變化與控制路徑損失率的關(guān)系;設(shè)定所有路徑故障概率都為0.05,;(2)在GBCP部署方法得到最佳控制器數(shù)目時(shí),,通過(guò)平均路徑失效概率的變化,觀察各部署方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲锌刂坡窂降膿p失情況;(3)對(duì)比使用本文提出的部署方案,,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲胁渴鸩煌瑪?shù)目的控制器對(duì)應(yīng)時(shí)延變化情況,。

    圖3是控制器數(shù)目與控制路徑損失率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中m/n表示控制器數(shù)目m與交換機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)目n之間的比率,。分析發(fā)現(xiàn),,以上5種實(shí)驗(yàn)拓?fù)涞那€變化具有相似的特征,并且m的取值在0.073n~0.164n之間具有最佳的控制路徑可靠性,。這是因?yàn)楸M管廣域網(wǎng)中通常需要較多的控制器來(lái)保證可靠性,,但控制器數(shù)目不斷地增加又會(huì)造成控制器與交換機(jī)之間的路徑連通度降低,控制路徑損失也相應(yīng)地增加,。因此實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械目刂破鞑渴鹦柚?jǐn)慎選擇控制器的數(shù)目,。

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    在實(shí)驗(yàn)(1)中已經(jīng)獲知,GBCP的部署方案在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲卸加邢嗨频男阅鼙憩F(xiàn),,因此僅選取Internet 2(m=0.122n)測(cè)試3種部署方法得到的路徑失效概率與控制路徑損失率的關(guān)系,。圖4是路徑失效概率與控制路徑損失率之間的關(guān)系。隨著路徑失效概率的上升,,控制路徑損失率也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),;相同路徑失效概率時(shí),Survivor控制路徑損失率始終最低,,random最高,。在路徑失效概率為0.1時(shí),random控制路徑損失率高達(dá)54%,。相比隨機(jī)放置算法,,使用最大路徑連通效能的部署方案能夠降低路徑損失率,提升控制路徑可靠性,。

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    現(xiàn)有研究表明,,每個(gè)控制器在200 ms時(shí)限內(nèi)可以保證流安裝時(shí)間的一致性[11]。實(shí)驗(yàn)(1)在5種拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí),,對(duì)其相應(yīng)時(shí)延情況也做了統(tǒng)計(jì),。圖5、圖6分別是控制器數(shù)目變化與平均時(shí)延[3]和最壞情況時(shí)延[3]的關(guān)系,??刂破鲾?shù)取值在區(qū)間(0.073n,0.164n)之間時(shí),,平均時(shí)延最大值為18 ms,,最壞情況時(shí)延最大值為83 ms。文中基于可靠性優(yōu)化的控制器部署方案選取最優(yōu)控制器數(shù)目后所產(chǎn)生的時(shí)延仍然在控制器可承受的性能范圍內(nèi),,從而保證SDN網(wǎng)絡(luò)在基于可靠性進(jìn)行控制器部署時(shí)不受時(shí)延約束,。

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5 結(jié)語(yǔ)

    本文利用最大化控制路徑可靠性的思想來(lái)解決SDN中的控制器部署問(wèn)題,。使用故障場(chǎng)景度量值的方法來(lái)保證控制路徑失效率最小化,并權(quán)衡可靠性與時(shí)延的關(guān)系,。通過(guò)使用不同的放置算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),,得到以下結(jié)論:控制器部署的性能取決于使用的控制器部署方法;必須合理選擇控制器數(shù)目,;基于可靠性優(yōu)化得到的最優(yōu)控制器部署,,其產(chǎn)生的時(shí)延在控制器響應(yīng)時(shí)間限制范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] GUDE N,,KOPONEN T,,PETTIT J,et al.NOX:towards an operating system for networks[J].Acm Sigcomm Computer Communication Review,,2008,,38(3):105-110.

[2] TOOTOONCHIAN A,GANJALI Y.HyperFlow:a distributed control plane for OpenFlow[C].Internet Network Management Conference on Research on Enterprise NETWORKING,,Washington,,DC,2010.USENIX Association,,2010.

[3] HELLER B,,SHERWOOD R,MCKEOWN N.The controller placement problem[J].Acm Sigcomm Computer Communication Review,,2013,,42(4):7-12.

[4] UL HUQUE M T I,JOURJON G,,GRAMOLI V.Revisiting the controller placement problem[C].IEEE,,Conference on Local Computer Networks,Clearwater,,F(xiàn)lorida,,USA,2015.IEEE Computer Society,,2015:450-453.

[5] 姚琳元,,陳穎,宋飛,,等.基于時(shí)延的軟件定義網(wǎng)絡(luò)快速響應(yīng)控制器部署[J].電子與信息學(xué)報(bào),,2014(12):2802-2808.

[6] MULLER L F,OLIVEIRA R R,,LUIZELLI M C,,et al.Survivor:An enhanced controller placement strategy for improving SDN survivability[C].IEEE Global Communications Conference,2014:1909-1915.

[7] ZHANG Y,,BEHESHTI N,,TATIPAMULA M.On resilience of split-architecture networks[C].Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2011),,2011,,2011:1-6.

[8] GUO Z,,SU M,XU Y,,et al.Improving the performance of load balancing in software-defined networks through load variance-based synchronization[J].Computer Networks,,2014,68(11):95-109.

[9] LANGE S,,GEBERT S,,ZINNER T,et al.Heuristic approaches to the controller placement problem in large scale SDN networks[J].IEEE Transactions on Network & Service Management,,2015,,12(1):1.

[10] SHARMA S,STAESSENS D,,COLLE D,,et al.Enabling fast failure recovery in OpenFlow networks[C].International Workshop on the Design of Reliable Communication Networks,Drcn,,2011.Krakow,,Poland,2011:164-171.

[11] ABBAS G.Network survivability[M].Springer US,,2006.



作者信息:

毛  明,,陳庶樵,崔世建

(國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,,河南 鄭州450002)

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