一种在软件定义网络中分配资源的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及软件定义网络和数据中屯、网络领域，尤其设及一种基于线性规划算法 对网络流问题进行求解的方法。
【背景技术】
[0002] 网络资源(交换设备中央处理单元，内存，链路等）的合理分配一向是网络研究领 域中一个重要的课题，随着云计算技术的不断发展，数据中屯、网络的地位日趋重要，数据中 屯、网络中的流量也逐渐成上升趋势，一些突发大流量甚至超过了网络单条链路处理能力的 限制，因此合理分配网络资源，W达到对整体网络流空间有效处理，但又不会造成链路与交 换资源的不均衡利用的目标则尤其重要。
[0003] 在传统网络中交换设备是一个封闭实体，网络包的处理由各交换设备独立做出决 定，所有设备之间基本是各自为政的，没有一个全局的网络观，在运种情况下想达到网络资 源在全网的最优分配基本是不可能的。
[0004] 软件定义网络的出现从根本上改变了运一现状，软件定义网络的架构是网络的控 制平面（con化〇1 panel)与转发平面(data panel)完全分离，网络中有一个处于中屯、的控 制器(controlIer)，可W将用户定义的高级处理策略(Policy)转换成一条条具体处理规则 安装于交换设备上，运样整个网络就有一个全局视角，可W达到资源全局最优分配的目标。
[0005] 关于运一课题学术界已有相关的研究，"One Big Switch" [Co肥XT'13]，vCRIB [NSDI'13]，0FFICER[Infocom'15]等均是运一领域的研究成果，但是运些研究共同的特点 是均只考虑了交换内存不够运一资源限制，而基本没有考虑其他诸如CPU运类的资源限制， 而运类资源的限制往往是不容忽视的，尤其在虚拟网络设备中，例如:vCRIB阳SDI'13]就指 出当化en vSwitch上安装有2K个规则(600个为通配符规则），仅需化/s的网络流到达速率 就可使CPU的运转率达到100%，运样看来解决CPU的资源限制甚至比解决内存的资源限制 更加重要。
[0006] 〇FFICER[ Inf ocom ' 15 ]虽然提出了一个通用的解决此类问题的优化框架，但是由 于其使用得是整型线性规划方法，求解空间有限，不适用于大型数据中屯、网络拓扑，提出的 近似算法在流量空间较大的情况下复杂度又过高，另外它考虑得主要也是内存的限制。本 发明在此基础上进行了改进，提出了一种使用于处理一段时间内网络流量的网络资源在整 个网络中得到均衡的分配模型，并用线性规划的方法进行求解，运样的模型可W达到使用 简单而适合于实际网络拓扑环境。
[0007] 专利US20040073673是与本发明最相近的工作，但是它的目标是网络应用(Web, MapReduce,化化base)在服务器上的合理分配，主要目的是合理利用服务器资源，而本发明 的目标是各交换设备协调处理网络流，且本发明可W应用于任何软件定义网络。
【发明内容】
[000引针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种在软件定义网络中，合理均衡的 分配网络资源，用W处理一段时间内到达的网络流，使网络资源的利用达到合理化与最优 化的方法。解决了如何充分应用软件定义网络的全局观在全网中合理分配资源的问题。
[0009] 为解决W上问题，本发明采用W下技术方案：
[0010] 将问题建模为多商品流问题，最大化网络中所有交换设备的剩余处理能力，使用 线性规划方法进行求解，求解问题的线性规划化inear Programming)解析器集成了当今最 前沿的LP算法技术，求解速度较快。经模型求解出的大部分网络流都可W做到不经拆分，沿 着最短路径得到处理，对于个别需要拆分流的场景，本发明基于线性规划的结果提出了近 似算法。
[0011] 该近似算法是对网络中每一对网络设备<源站，目标站〉确定一条最短路径，每一 条路径做到尽量不相交，即不同的<源站，目标站〉对对应的路径中尽量没有相同的交换设 备和链路。在得到的最短路径上再次应用上述线性规划模型，确定其各个交换设备上分配 的流量。
[0012] -种在软件定义网络中分配资源的方法，其特征在于，包括网络设备、控制器和交 换设备，包括W下步骤：
[0013] 步骤1，收集全网资源信息：控制器首先与交换设备进行通信，获取网络资源总体 情况，包括交换设备的处理能力W及链路带宽信息；
[0014] 步骤2,收集下一时段流量信息:收集用户请求的流量空间信息；
[001引步骤3,将流量空间信息输入到线性规划模型中进行求解；
[0016] 步骤4,分析结果:检查步骤3中的求解结果是否有拆分流，如果有拆分流的情况， 则执行步骤5;如果没有拆分流的情况，则直接执行步骤6;
[0017] 步骤5,调用近似算法，将拆分的流聚集在单条路径上；
[0018] 步骤6,调用控制器的生成规则模块生成各交换设备的流处理规则；
[0019] 步骤7，安装流处理规则至交换设备。
[0020] 交换设备是支持化enflow的交换设备，尤其是虚拟交换设备化en vSwitch;分为 入口交换设备、中间交换设备、出口交换设备；网络设备之间，网络设备与交换设备之间通 过化enFlow协议进行通信。
[0021] 线性规划模型安装在控制器上，主要用于对软件定义网络中的中央处理器资源分 配情况进行求解。
[0022] 近似算法是对网络拓扑中每一对网络设备确定一条最短路径，每一条路径尽量不 相交，在得到的最短路径上再次应用线性规划模型，确定其各个交换设备上分配的流量。
[0023] 线性规划模型包括：
[0024] 目标函数：
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[0026] 约束条件：
[0027] 纖孩鶴辦祭 '於.?夺%S妨沒鱗额總 稱
[00 巧]min X 〇bjTarA+objTa;rB (3)
[0029] 约束(2)保证网络流尽量沿着最短路径在网络中运行；
[0030] 带宽约束：
[0031]纖懲.1:%
[003^ 然怒狡:? .争％S滋瑪. 約）
[0033] 约束(4)保证流经链路的所有处理和未处理过的流不会超过链路的容量限制；
[0034] 流量平衡约束：
巧）
[0037] ifueS6，Pf'（u's) = 0 (6)[003引 ifveS6，Uf,(s,^ = 0(7)
㈱ 巧）
[0041] 约束(5)规定:进入交换设备S的流应当与流出S的流在数量上相等；约束(6)规定 当S是入口交换设备，则流应当全部都是未处理的流;约束(7)规定当S是出口交换设备，贝U 不应当有没有处理的流，即所有流出网络的流应当都是处理过的；
[0042] 约束(8)和(9)规定:对于同一条流，当其进入某个交换设备S，再从该交换设备S中 流出时，其处理过的部分应当增加或保持不变，而未处理过的部分应当减少或保持不变；
[0043] 交换处理约束：
[0044] Vs E So
[0045] Z fEF 2 vEN-( S )Pf, (S, V)- Z 拒F 2 uEN-( S )Pf, (V, S) ^ Cs-Rs
[0046] (10)
[0047] 约束（10)规定:对于任意一个交换设备s，它处理的所有流的总和应当小于其总的 处理能力减去该交换设备的一个预留值。
[004引本发明的主要技术特征是一、SDN网络的控制器实时计算最优结果并安装处理规 则于交换设备；二、交换设备处理机资源最优分配建模;=、各交换设备协同处理网络流； 四、线性规划算法快速求解;五、近似算法。基本步骤包括:收集网络流空间集、使用线性规 划模型求解、求解结果分析、分流结果采用近似算法、安装结果规则至交换设备。
[0049]进一步地，求解线性规划模型的LP solver集成了原始对偶单纯型算法(primal and dual simplex algorithms )，带交叉点的并行屏障算法（paral Ie I barrier algorithm with crossover)，并发优化与位移算法（concurrent optimization,and sifting algorithm)
[(K)加]进一步地，所述网络拓扑既包含数据中屯、的化tTree，化2拓扑，也包含各类局域和 广域网络的拓扑。
[0051]与现有技术相比，本发明具有W下有益效果:本发明采用一个优化求解模型，对软 件定义网络中的资源，尤其是处理机资源进行合理分配，使其处理各种流量空间时可W达 到全网的负载均衡。本发明可应用于各种主流的软件定义网络控制器，例如：P0X，N0X， 化en化yLight等等，本发明的技术方案求解速度快，可W应用于大规模的实际网络拓扑。多 数情况下求解结果可W直接使用。
[0052] 本发明具有如下有益效果:一、可W完全复用现有的软件定义网络中的所有元素， 对硬件不需要有任何改造，即使是直接实施算法的控制器，也仅需支持可调用线性规划解 析