[發明專利]一種基于SDN的數據中心網絡動態負載均衡方法

有效

• 申請號: 201910196434.6
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109787913B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 孫恩昌;付瓊霄;張延華;吳文君;王倩雯;孟康;車飛燕
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04L47/125
• 分類號: H04L47/125;H04L67/1001
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種基于SDN的數據中心網絡動態負載均衡方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：控制器根據監測到的網絡拓撲，計算得到各接入層交換機間的k條備選路徑，并存儲到路徑表path_table中；

步驟2：控制器周期性獲取并更新交換機流表已用容量、交換機端口流量信息及流表流量信息；

步驟3：當一條新流到達網絡，根據源目的主機IP，判斷主機所連接的交換機是否已知；若未知，則通過ARP協議獲得相連的交換機及連接端口；若已知，則查找path_table，得到兩主機間k條備選路徑；

步驟4：從k條備選路徑中選取最優轉發路徑；其中，最優轉發路徑為評分最高的路徑；評分的具體計算方法如下：

步驟4.1：計算路徑上各交換機的流條目代價增量：

其中，table_i表示交換機i的流表，為交換機i的流表的流條目代價增量，其代表流量通過交換機i時給該交換機流表帶來的負擔；f(x)為流條目代價函數，表示如下：

a，b，α，β取相應值，使f(x)滿足連續、單調增，且為凸函數；C_max為流表最大容量，kC_max為流表擁塞閾值，k的取值為0-1之間；x代入流表已用容量；

步驟4.2：計算路徑最小流表剩余容量：

其中，代表路徑path上的交換機s_n的流表剩余容量；

步驟4.3：綜合考慮路徑流條目帶寬增量和路徑最小流表剩余容量，得到路徑評分：

步驟5：對最優轉發路徑上的所有交換機下發流表；

步驟6：周期性監測網絡中的大象流；通過步驟2得到的流表流量信息對流大小進行計算，流的大小由下式得到：

f＝(b_t+T-b_t)/T

其中，b_t為t時刻流的總字節數，b_t+T為t+T時刻流的總字節數，T為監測周期；

設置大象流閾值f_th，該閾值取0.5％B_max，B_max為鏈路最大帶寬；若流大小超過f_th，則判斷該流為大象流，否則為老鼠流；

步驟7：為監測到的大象流計算重路由路徑；這里計算兩條路徑，一條主路徑和一條備份路徑；大象流默認通過主路徑傳輸，備份路徑用于當網絡狀況不佳時為主路徑分擔部分流量以實現負載均衡；從k條備選路徑中選擇評分最高的路徑作為大象流的主路徑，從剩余路徑中選擇與主路徑無重合鏈路且評分最高的路徑作為備份路徑；評分的具體計算方法如下：

步驟7.1：計算鏈路帶寬代價增量：

其中，link_j表示鏈路j，為鏈路j的鏈路帶寬代價增量，v為流量大小；g(y)為鏈路帶寬代價函數，表示如下：

c，d，γ，μ取相應值，使g(y)滿足連續、單調增，且為凸函數；B_max為鏈路最大帶寬，kB_max為鏈路擁塞閾值，k的取值為0-1之間；y代入鏈路已用帶寬；

步驟7.2：計算路徑最小鏈路剩余帶寬：

B_min＝min{B_j|j∈path}

其中，B_j代表路徑path上的鏈路j的剩余帶寬；

步驟7.3：綜合考慮路徑的鏈路帶寬代價增量和路徑最小鏈路剩余帶寬，得到路徑評分：

步驟8：為主路徑和備份路徑上的所有交換機下發流表，并為源交換機下發組表；組表中主路徑和備份路徑對應的權重分別設為100、0，使得流量全部通過主路徑傳輸；

步驟9：周期性監測網絡鏈路負載均衡度；設置鏈路負載均衡閾值δ_th，δ_th的選取方法如下：選定一系列δ_th值進行仿真，最終選取使網絡吞吐量最高的δ_th作為鏈路負載均衡閾值；若鏈路負載均衡度連續m個監測周期大于鏈路負載均衡閾值，則判定網絡鏈路負載不均衡；m的取值應大于1小于5；鏈路負載均衡度δ由下式計算：

其中，N為網絡中鏈路總數，L為網絡中鏈路總集合，B_j(t)為t時刻鏈路j的已用帶寬，D_j(t)為t時刻鏈路最大帶寬，u_j(t)為t時刻鏈路帶寬利用率，u_ave(t)為t時刻全網鏈路平均帶寬利用率；

步驟10：當鏈路負載不均衡時，觸發分流機制；分流機制的具體方法如下：

步驟10.1：選擇網絡中鏈路帶寬利用率最大的鏈路；

步驟10.2：選擇該鏈路上最大的大象流；

步驟10.3：判斷該大象流的備份路徑上是否存在擁塞鏈路；這里對擁塞鏈路的定義為：鏈路帶寬大于鏈路擁塞閾值kB_max

步驟10.4：若備份路徑上不存在擁塞鏈路，則更新源交換機中組表，使主路徑與備份路徑對應action的權重比為兩路徑最小鏈路剩余帶寬比，實現分流；

步驟10.5：若備份路徑上存在擁塞鏈路，則重新計算出一條備份路徑用于分流；新的備份路徑的選擇方法如下：從該大象流的k條備選路徑中，選擇除主路徑之外路徑最小剩余帶寬最大的路徑作為新備份路徑；為主路徑和備份路徑上的交換機下發新的流表，并為源交換機下發新的組表；

步驟11：再次判斷網絡鏈路負載是否均衡；若鏈路負載不均衡，重復步驟10。