基于SDN的多控制器负载均衡技术研究

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软件定义网络(Software Defined Network,SDN)作为一种新型的网络架构,解决了传统网络业务适应能力差、灵活性低以及部署效率低下等难题。然而,受限于控制器的处理性能和单点失效问题,单一且集中式的控制器已成为整个SDN网络的瓶颈,为此,研究者们提出了由多控制器协同构成的分布式控制平面。但与此同时,由于网络流量的时变性和突发性,分布式控制平面又引起了多控制器的负载不均衡问题,造成网络系统性能下降,且无法最大限度地发挥控制器的性能。基于上述背景,本文重点研究了多控制器在主从共存和对等共存模式下的负载均衡问题,主要工作如下:(1)提出一种基于交换机迁移效率感知的动态负载均衡算法(Dynamic Load Balancing Algorithm Based on Efficiency-Aware Switch Migration,DLB-EASM)。本文在控制器主从共存模式下,首先从交换机请求、网络域管理、全局网络视图同步和流表下发四个方面对控制器负载进行量化,同时引入负载通知抑制算法以降低系统的通信开销;然后,针对传统基于交换机迁移的负载均衡算法中,迁移对象选取僵化导致负载均衡效益低和多次迁移的问题,综合交换机迁移产生的系统开销和迁移后对网络性能产生的影响,建立交换机迁移的效率模型,并根据该效率模型设计交换机迁移对象的选取策略;最后,通过一种四阶段迁移协议完成控制器与交换机之间的重映射过程。实验结果表明,DLB-EASM能够有效实现多控制器的负载均衡,降低控制器的响应时延,同时提升系统的吞吐量。(2)提出一种基于非合作博弈的自适应流量调度算法(Adaptive Traffic Scheduling Algorithm Based on Non-Cooperative Game Theory,ATS-NCGT)。在多控制器对等共存模式下,根据交换机与控制器间的交互特性,将多控制器的负载均衡问题转化交换机的非合作博弈问题;然后,为提升博弈求解过程的寻优精确度和收敛速度,提出一种基于模拟退火的混合遗传优化算法,并以交换机请求期望响应时间作为收益函数,寻求流量分配策略的最优解,实现基于非合作博弈的流量调度过程,达到多控制器负载均衡的目的。实验结果表明,ATS-NCGT能够更均衡的对数据流量进行分配,相比于其它同类算法,可以获得更高的负载均衡度,而在控制器响应时延和控制器资源利用率方面,也拥有更好的综合性能。
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