一种软件定义网络控制器部署方法与流程

本发明属于通信网络技术领域，涉及一种软件定义网络控制器部署方法。

背景技术：

软件定义网络(Software Defined Networks，SDN)是由美国斯坦福大学提出，以OpenFlow为基础的新型创新网络平台。SDN的典型架构共分三层，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；中间层为控制层，主要负责处理数据转发设备资源的编排，维护网络拓扑和状态信息等；最底层为数据层，主要负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。SDN主要特性为控制平面与数据平面分离、集中式网络控制、在控制层与数据层设备之间开放网络接口、网络可由外部程序编程。由于控制层与数据层的分离，使得快速开通及配置网络连接服务变成可能。在SDN架构中，智能化的SDN控制器能够获取网络的全局视图，并且能够控制整个网络的数据转发设备。

然而，SDN集中式控制也带来了SDN网络可扩展性问题。随着网络规模增大，SDN网络仅依靠单控制器多线程处理方式，将很难保证网络QoS，且单控制器存在单点失效等问题，从网络稳定性、安全性等方面综合考虑，多控制器部署成为当前解决SDN网络可扩展性的主流方法。研究表明多控制器在网络中部署的位置、数量都将对网络性能造成很大影响，因此SDN网络控制器部署问题成为当前SDN研究重点之一。

文献[Adlen Ksentini,Miloud Bagaa,Tarik Taleb,Ilangko Balasingham.On using bargaining game for optimal placement of SDN controllers.2016IEEE International Conference on Communications(ICC)]提出一种联合考虑控制器与控制器之间时延和控制器与交换机之间时延的控制器位置选择方法，但该方法未考虑网络中交换机实际业务差异性。文献[Long Yao,Peilin Hong,Wen Zhang,Jianfei Li,Dan Ni.Controller placement and flow based dynamic management problem towards SDN.2015IEEE International Conference on Communication Workshop(ICCW)]提出一种基于SDN交换机节点权重的控制器部署方法，但作者仅通过交换机节点在网络拓扑中的下一跳邻居节点数来建模交换机业务差异性，未综合考虑多跳链路性能。文献[Tracy Yingying Cheng,Mengqing Wang,Xiaohua Jia.QoS-guaranteed controller placement in SDN.2015IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM)]提出一种以提高网络QoS为目标的控制器部署，但仅对控制器侧时延进行建模，未考虑交换机侧时延以及链路开销等因素。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种软件定义网络控制器部署方法，该方法能够在综合考虑控制器负载、交换机业务特性等限制条件下，优化确定SDN控制器部署策略，从而实现控制器开销最小化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软件定义网络控制器部署方法，该方法包括以下步骤：步骤1、建模候选控制器与交换机之间通信开销；步骤2、建模候选控制器负载限制条件；步骤3、建模候选控制器节点度数限制条件；步骤4、建模交换机时延及速率限制条件，确定交换机候选控制器集合；步骤5、建模候选控制器与交换机关联标识限制条件；步骤6、在满足控制器及交换机限制条件下,基于控制器通信开销最小化确定控制器部署策略。

进一步，所述步骤1具体包括：

假设网络中所有交换机处可部署控制器，建模候选控制器与交换机之间通信开销为所有候选控制器与所关联交换机之间通信开销总和，即其中，D_ij为第i个候选控制器与第j个交换机关联时对应的通信开销，分别以C_i，V_j表示第i个候选控制器及第j个交换机，y_ij为C_i与V_j之间的关联标识，y_ij＝1表示C_i与V_j关联，否则，y_ij＝0，1≤i≤M,1≤j≤N，其中M、N分别为网络中控制器及交换机的数目。

进一步，所述D_ij定义为通信链路传播时延，消息传输时延及请求消息排队时延之和，即其中，表示C_i与V_j关联时通信链路传播时延，表示C_i与V_j之间的消息传输时延，表示V_j的请求消息在C_i处的排队时延，若i＝j则

所述定义为其中，L_ij表示C_i与V_j之间的链路距离，v₀为电磁波传播速度，为C_i与V_j之间的第h跳链路的距离，H_ij为C_i与V_j之间传输路径的跳数；

所述定义为其中，λ_j表示V_j的请求消息到达速率，β表示交换机请求消息数据包大小，表示C_i与V_j之间的第h跳链路径的传输速率；

将各候选控制器处理交换机消息过程建模成M/M/1排队模型，且交换机请求消息到达服从泊松到达过程，定义为其中σ_i表示C_i处理请求消息的平均速率，S_i表示与C_i关联的所有交换机的集合。

进一步，在步骤2中，建模候选控制器负载限制条件为任意两个控制器的负载差异低于给定门限值，即对于任意的控制器i，k，均有其中，ξ为控制器负载差异门限值。

进一步，在步骤3中，建模候选控制器节点度数限制条件，具体地，令N_i为C_i的一跳邻居节点数目，所选择控制器节点应满足一跳邻居节点数目大于给定门限值即当且仅当C_i可为目标控制器。

进一步，在步骤4中，建模交换机传输时延及速率限制条件，具体为：若C_i与V_j关联，则需满足V_j传输时延限制条件其中为V_j可允许最大传输时延；还则需满足V_j传输速率限制条件其中为V_j最低传输速率需求；根据传输时延及速率限定条件，可确定V_j的候选控制器集合

进一步，在步骤5中，建模交换机与控制器关联标识限制条件：①y_ij∈{0,1}；②③④⑤若则y_ij＝0。

进一步，在步骤6中，在满足控制器、交换机限制条件下，基于控制器通信开销最小化确定控制器部署策略，即

本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以在综合考虑控制器负载、交换机业务特性等限制条件下，优化确定SDN控制器部署策略，从而实现控制器开销最小化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为软件网络交换机、控制器场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所述的一种软件定义网络控制器部署方法,假设分布式控制器采用扁平控制方式，所有控制器被放置在不相交的区域,分别管理各自的网络。各控制器间的地位相等,并通过东西向接口进行带内通信。以及控制器对SDN交换机设备请求消息的下发采用被动模式。

图1为软件网络交换机、控制器场景示意图，通过策略将交换机关联到不同控制器，在最最小化控制器通信开销的情况下，实现控制器对整个网络的集中控制。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

1)建模候选控制器与交换机之间通信开销：

建模候选控制器与交换机之间通信开销为所有候选控制器与所关联交换机之间通信开销和其中，D_ij为第i个候选控制器与第j个交换机关联时对应的通信开销，分别以C_i，V_j表示第i个候选控制器及第j个交换机，y_ij为C_i与V_j的关联标识，y_ij＝1表示C_i与V_j关联，否则，y_ij＝0，1≤i≤M,1≤j≤N，其中M、N分别为网络中控制器及交换机的数目。

所述D_ij定义为通信链路传播时延,消息传输时延及请求消息排队时延之和，即其中，表示C_i与V_j关联时通信链路传播时延，表示C_i与V_j之间的消息传输时延，表示V_j的请求消息在C_i处的排队时延。

所述定义为其中，L_ij表示C_i与V_j之间的链路距离，v₀为电磁波传播速度；为C_i与V_j之间的第h跳链路的距离，H_ij为C_i与V_j之间传输路径的跳数。所述定义为其中，λ_j表示V_j的请求消息到达速率，β表示交换机请求消息数据包大小，表示C_i与V_j之间的第h跳链路径的传输速率。所述定义过程中，将各候选控制器处理交换机消息过程建模成M/M/1排队模型，且交换机请求消息到达服从泊松到达过程，定义为其中σ_i表示C_i处理请求消息的平均速率，S_i表示与C_i关联的所有交换机的集合。

2)建模候选控制器负载限制条件：

建模候选控制器负载限制条件为任意两个控制器的负载差异低于给定门限值，即：对于任意的控制器i，k，都有其中，ξ为控制器负载差异门限值。该限制条件确保了SDN网络中不同控制器间负载均衡。

3)建模候选控制器节点度数限制条件：

令N_i为C_i的一跳邻居节点数目，所选择控制器节点应满足一跳邻居节点数目大于给定门限值即当且仅当C_i可为目标控制器。该限制条件可以一定程度上降低求解最优部署策略问题的算法时间复杂度。

4)确定交换机候选控制器集合：

若C_i与V_j关联，则需满足V_j传输时延限制条件为其中为V_j可允许最大传输时延；若C_i与V_j关联，则需满足速率限制条件为其中为V_j最低传输速率需求。根据传输时延及速率限定条件，可确定V_j的候选控制器集合

5)建模候选控制器与交换机关联标识限制条件：

①y_ij∈{0,1}；②③④⑤若则y_ij＝0，其中限制条件①表示关联标识是属于0或1的布尔变量；限制条件②表示一个SDN交换机只能与一个控制器关联；限制条件③表示所有SDN交换机关联的控制器数目和不能超过候选控制器个数；限制条件④表示网络中所有的SDN交换机必须与控制器关联；限制条件⑤表示网络中交换机所关联的控制器应属于各自候选控制器集合。

6)基于控制器通信开销最小化确定控制器部署策略：

在满足控制器、交换机限制条件下，基于控制器通信开销最小化确定控制器部署策略，即,

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。