一种基于双边匹配的控制器最优部署方法及系统

1.本发明属于通信技术领域，涉及一种基于双边匹配的控制器最优部署方法及系统。


背景技术：

2.随着云计算和大数据的快速发展，作为信息设施的资源中心，数据中心(data center,dc)对下一代网络技术的发展起到很大作用。网络用户的快速增长，网络流量的突然增加，以及网络规模的快速扩张，将导致dc间通信的高性能要求，以支持dc之间的快速数据传输、数据备份和数据同步。然而，以电气交换为核心技术的传统dc间网络，在带宽容量、能耗和传输延迟等方面都遇到了技术瓶颈。因此，为了满足dc间通信的高性能要求，需要一种有效的网络技术来互联dc。
3.通过高速光网络互联的数据中心网络发展迅速，将成为未来的发展趋势。光网络传输技术可以提供灵活性、速度和先进的服务质量。弹性光网络(elastic optical networks，eons)被广泛认为是最有前途的dc间互联技术。eons利用带宽可变光应答器(bandwidth variable optical transponders，bv-ots)和在一系列频谱连续频率槽(frequency slots，fss)上操作的带宽可变交叉连接(bandwidth variable cross-connects，bv-oxcs)来设置光路。由于这些频槽比传统的波长信道占用更窄得多的带宽，eons可以根据实际的流量需求自适应地提供带宽。因此，eons可以为满足互联数据中心的高带宽和低延迟需求提供一个很有前途的基础设施。然而，dc和eons之间的资源多样性却是一个挑战。为了统一地控制不同的资源，在光网络中引入了由openflow(of)协议所启用的软件定义网络(software defined networking，sdn)。sdn是一种虚拟化技术，它通过一个统一的接口来抽象异构资源，并应用集中控制。同时，sdn支持网络功能和协议的可编程性，这为具有全局视图的功能和服务提供了高度的灵活性。因此，操作人员考虑应用sdn技术全局控制网络和数据中心互联的弹性光网络中的应用资源。
4.对于中小型数据中心互联的弹性光网络，一般来说，较少流请求消息很容易由一个中央sdn控制器处理。但是，当扩展到必须管理数百万条流请求消息的大型运营商网络时，一个集中式控制器将成为网络的瓶颈，导致一些缺点，如响应延迟长和可伸缩性差。因此，一种由多个sdn控制器组成的分布式控制平面被提出来解决这些缺点。然而，多个控制器的不合理放置可能会导致控制器负载的分布不平衡，不利于网络的稳定性。
5.以往的单边研究思想只从交换机或控制器的角度来实现位置部署，其中大多数都只考虑优化一个或两个性能指标。然而，这样的控制器部署并不是最优的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于双边匹配的控制器最优部署方法及系统，实现了在不同拓扑结构下，具有低传输延迟、高控制资源利用率、高负载均衡率的最优多控制器布局。本发明适用于大规模数据中心互联的弹性光网络。
7.本发明首先计算交换机和控制器之间的相互满意度，之后构建一个多目标优化模块，使相互满意度达到最大，最后，根据最大相互满意度，选择最优的开关和控制器来匹配，并且通过交换机迁移算法实现控制器负载均衡。
8.本发明基于下述系统实现，该系统包括of控制器、of协议代理、启用of的光交叉连接、多目标优化模块、控制平面网络和底层数据平面网络，底层数据中心互联的弹性光网络由多个of控制器集中管理，数据平面被划分为多个光网络域，每个域由一个控制器单独控制，底层数据平面上的网络节点包括一个of协议代理和一个启用of的光交叉连接；
9.所述of控制器管理底层数据平面的各个交换机。
10.所述of协议代理通过扩展的of协议接收来自of控制器的流表消息，并将其转换为底层硬件设备理解的逻辑语言，之后控制底层of-oxcs的交叉连接过程。
11.所述多目标优化模块，用于最大化控制器与交换机之间的相互满意度。
12.一种基于双边匹配的控制器最优部署方法，具体步骤包括如下：
13.步骤一、系统初始化：
14.将底层数据平面网络的拓扑结构建模为无向图g(s,e)，其中s表示光交换机节点集(of-oxcs)，表示边集(交换机之间的光纤链路)，m表示光节点的数量，c表示控制器的集合，控制器能处理的最大流请求数为控制器的容量，称为an，光交换节点之间的延迟定义为网络延迟矩阵d(i,j)，用于计算最短路径延迟。控制器与交换机之间的传输延迟阈值为t，将所有交换机放入未关联交换机集：r
←
s，将控制器和交换机匹配对设为空集：
15.步骤二、状态转移策略：
16.每个变量随机选择一个交换机，然后根据以下状态转换策略选择一个合适的控制器形成匹配对
17.其中，λ(j,i)表示匹配对(j,i)的信息素；η(j,i)表示匹配对(j,i)的启发式信息，并满足η(j,i)＝si(cj)；sy(j)表示当变量y移动到第j个控制器并初始化到所有交换机的完整集时，可供选择的其余交换机集；
18.步骤三、运用双向匹配方法实现控制器与交换机匹配：
19.对于每个变量，若r≠0，则基于公式max(α
ij
+β
ij
)，计算出与交换机si相关联的最合适的控制器cj∈c，性能指标fk和g
l
下的满意度α
ij
(交换机si与控制器cj匹配)和满意度β
ij
(控制器cj与交换机si匹配)的计算公式如下：
[0020][0021]
[0022][0023][0024][0025][0026]
其中fk(i,j)表示交换机si和控制器cj相匹配时第k个指标的值，g
l
(i,j)表示控制器cj和交换机si相匹配时第l个指标值，表示在性能指标fk下交换机si和控制器cj相匹配时的评估值，表示在性能指标g
l
下控制器cj和交换机si相匹配时的评估值，wk表示性能指标fk的权重，表示在指标fk下，交换机si和控制器cj相匹配的满意度，v
l
表示性能指标g
l
的权重，表示在指标g
l
下，控制器cj和交换机si相匹配的满意度；
[0027]
若g
l
＜an，则将匹配对(si,cj)加入x,并且r＝r-s；
[0028]
若r＝0且g
l
≥an，则执行交换机迁移算法来实现控制器cj的负载平衡；
[0029]
步骤四、执行交换机迁移算法更新控制器和交换机匹配对，实现控制器负载均衡，对于si∈sj(i)，(sj(i)为与控制器cj关联的交换机组)执行下列步骤：
[0030]
计算交换机si与控制器cj之间的传输延迟f1：
[0031]
其中m表示交换机节点的数量，d(i,j)表示交换机i和控制器j之间的最短路径延迟，其中i∈s，j∈sc；
[0032]
如果f1(si)≤t则执行退出，否则对于cj∈c，计算控制器cj的负载g1，再选出拥有最小负载的控制器cj，控制器负载计算公式如下：
[0033][0034]
其中uj,ua，n分别表示由控制器j控制的交换机的个数、由所有控制器控制的交换机的平均个数和控制器的个数；
[0035]
将交换机si与拥有最小负载的控制器cj配对；
[0036]
步骤五、当变量完成选择后，记录控制器和交换机的当前匹配对，从sy(j)中删除所选的第i个交换机。接下来，变量移动到下一个交换机，并为它选择最优的控制器，不断循环上述过程，直到所有的控制器和交换机都匹配了为止。所有匹配对上的信息素按下式操作，以确定控制器和交换机是否为最佳匹配：
[0037]
λ(j,i)＝[(1-ρ)λ(j,i)+ρδλ(j,i)+ρδλ*(j,i)]
[0038][0039]
其中，sy(j)表示当变量y移动到第j个控制器并初始化到所有交换机的完整集时，可供选择的其余交换机集，λ(j,i)表示匹配对(j,i)的信息素；ρ表示信息素消失的程度，并且0＜ρ＜1；δλ(j,i)和δλ*(j,i)表示变量y移动时在匹配对(j,i)上留下的信息素增量；q代表当前匹配中稳定匹配对的数量。
[0040]
本发明与现行技术相比具有的优点：
[0041]
第一，本发明从控制器和交换机两个方面考虑满意度，可以有效地确定控制器在数据中心互联的弹性光网络中的最优位置。
[0042]
第二，本发明考虑了多个性能指标，可以在确定控制器位置的基础上提高整个网络的资源利用率、延迟和负载均衡性能。
附图说明
[0043]
图1是数据中心互联的弹性光网络架构；
[0044]
图2是本发明的多性能指标下的双边匹配方法示意图；
[0045]
图3是本发明实现双边匹配的流程图；
[0046]
图4是本发明实现交换机迁移的流程图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述。
[0048]
对于中小型数据中心互联的弹性光网络，一般来说，较少流请求消息很容易由一个中央sdn控制器处理。但是，当扩展到必须管理数百万条流请求的大型运营商网络时，一个集中式控制器将成为网络的瓶颈，导致一些缺点，如响应延迟长和可伸缩性差。因此，提出了一种由多个sdn控制器组成的分布式控制平面来解决这些缺点。然而，多个控制器的不合理放置可能会导致控制器负载的分布不平衡，不利于网络的稳定性。
[0049]
以往的单边研究思想只从交换机或控制器的角度来实现位置部署，其中大多数都只考虑优化一个或两个性能指标。然而，这样的位置部署并不是最优的。本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种双边匹配方法，实现了在不同拓扑结构下，具有低传输延迟、高控制资源利用率、高负载均衡率的最优多控制器布局。
[0050]
如图1和2所示，一种基于双边匹配的控制器部署系统，包括of控制器，of协议代理，启用of的光交叉连接，多目标优化模块，网络被分为控制平面和底层数据平面，底层数据中心互联的弹性光网络由多个of控制器集中管理，数据平面被划分为多个光网络域，每个域由一个控制器单独控制，底层数据平面上的网络节点由一个of协议代理和一个启用of的光交叉连接组成；
[0051]
所述of控制器，部署于控制平面，管理数据平面的各个交换机。
[0052]
所述of协议代理，部署于数据平面，通过扩展的of协议接收来自of控制器的流表消息，并将其转换为底层硬件设备可以理解的逻辑语言，之后控制底层of-oxcs的交叉连接
过程。一个of协议代理和一个启用of的光交叉连接组成底层数据平面上的一个网络节点。
[0053]
所述多目标优化模块，用于最大化控制器与交换机之间的相互满意度。
[0054]
在本发明的方法的具体实施过程中，与控制器匹配的每个交换机的评估指标集为{f1,f2,
…
,fk}，与交换机匹配的每个控制器的评价指标集为{g1,g2,
…
,g
l
}。当交换机与每个控制器匹配时，分别计算出不同评价指标fk之下的与控制器相匹配的交换机的满意度，并根据最大满意程度选择最优控制器来实现匹配。同时，当控制器匹配每个交换机时，根据不同的评价指标g
l
分别计算控制器与每个交换机的匹配满意度，并根据最大满意度选择最优交换机来实现匹配。在匹配完成后，使用交换机迁移算法，实现控制器的负载平衡。
[0055]
参照附图3，实现控制器与交换机的双边匹配，双边匹配的具体执行步骤如下：
[0056]
(1)系统初始化：
[0057]
将底层数据平面网络的拓扑结构建模为无向图g(s,e)，其中s表示光交换机节点集(of-oxcs)，表示边集(交换机之间的光纤链路)，m表示光节点的数量，c表示控制器的集合，控制器可以处理的最大流请求数为控制器的容量，称为an，光交换节点之间的延迟定义为网络延迟矩阵d(i,j)，用于计算最短路径延迟。控制器与交换机之间的传输延迟阈值为t，将所有交换机放入未关联交换机集：r
←
s，将控制器和交换机匹配对设为空集：
[0058]
(2)为每个变量建立一个控制器集列表c并且为每个变量随机选择一个交换机si∈s；
[0059]
(3)对于每个变量，若r≠0，则基于公式max(α
ij
+β
ij
)，可以计算出与交换机si相关联的最合适的控制器cj∈c，性能指标fk和g
l
下的满意度α
ij
(交换机si与控制器cj匹配)和满意度β
ij
(控制器cj与交换机si匹配)的计算公式如下：
[0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066]
其中fk(i,j)表示交换机si和控制器cj相匹配时第k个指标的值，g
l
(i,j)表示控制器cj和交换机si相匹配时第l个指标值，表示在性能指标fk下交换机si和控制器cj相匹配时的评估值，表示在性能指标g
l
下控制器cj和交换机si相匹配时的评估值，wk表示性能指标fk的权重，表示在指标fk下，交换机si和控制器cj相匹配的满意度，v
l
表示性能指标g
l
的权重，表示在指标g
l
下，控制器cj和交换机si相匹配的满意度；
[0067]
(4)若g
l
＜an，则将匹配对(si,cj)加入x,并且r＝r-s；
[0068]
(5)若r＝0且g
l
≥an，则执行交换机迁移算法来实现控制器cj的负载平衡。
[0069]
如图4所示，实现控制器的负载平衡，交换机迁移协议的具体执行步骤如下：
[0070]
(1)对于si∈sj(i)，(sj(i)为与控制器cj关联的交换机组)，计算交换机si与控制器cj之间的传输延迟f1：
[0071][0072]
其中m表示交换机节点的数量，d(i,j)表示交换机i和控制器j之间的最短路径延迟，其中i∈s，j∈sc；
[0073]
(2)如果f1(si)≤t则退出，否则对于cj∈c，计算控制器cj的负载g1，再选出拥有最小负载的控制器cj，控制器负载计算公式如下：
[0074][0075]
其中uj,ua，n分别表示由控制器j控制的交换机的个数、由所有控制器控制的交换机的平均个数和控制器的个数；
[0076]
(3)将交换机si与拥有最小负载的控制器cj配对。
[0077]
当变量完成选择后，记录控制器和交换机的当前匹配对，从sy(j)中删除所选的第i个交换机。接下来，变量移动到下一个交换机，并为它选择最优的控制器，不断循环上述过程，直到所有的控制器和交换机都匹配了为止。所有匹配对上的信息素按下式操作，以确定控制器和交换机是否为最佳匹配：
[0078]
λ(j,i)＝[(1-ρ)λ(j,i)+ρδλ(j,i)+ρδλ*(j,i)]
[0079][0080]
其中，sy(j)表示当变量y移动到第j个控制器并初始化到所有交换机的完整集时，可供选择的其余交换机集，λ(j,i)表示匹配对(j,i)的信息素；ρ表示信息素消失的程度，并且0＜ρ＜1；δλ(j,i)和δλ*(j,i)表示变量y移动时在匹配对(j,i)上留下的信息素增量；q代表当前匹配中稳定匹配对的数量。
[0081]
通过本实施方式所述的方法，有效地实现了所述待迁移交换机的迁移，实现了控制器负载均衡。
[0082]
以上描述仅是本发明的一些具体实例，不构成对本发明的修改限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的
情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修改和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。