基于SDN控制器故障移除和网络链路负载均衡研究

摘要

近几年来随着互联网技术的快速发展，互联网已经成为人们生活和生产不可或缺的一部分，特别是近些年来互联网的用户数量和数据传输量都呈指数增长的趋势。在这种情况下，基于TCP/IP协议的传统网络已经无法满足目前人们对网络的需求。因此研究者提出新型的网络架构——软件定义网络(Software Defined Network，SDN)。近些年来研究SDN已成为研究未来网络的趋势，而研究者对SDN的研究主要分布在两个方面:一种是对控制平面的研究，其主要的研究方向是提高SDN网络的可扩展性和容错性;另外一种是对数据平面的研究，研究者的主要研究方向是提高网络链路带宽负载均衡。
　　故本文主要的研究分为以下两个部分:
　　(1)在控制平面上主要是针对在SDN网络在对控制器故障移除的时间过高和控制器故障移除后如何保证控制器负载均衡的问题，本文提出了多领域分布式故障转移机制（Failover Mechanisms for Multi-domain Distributed，FMMD），该方法是根据多领域分布式SDN网络架构的特征和OpenFlow协议1.3.0中主从控制器的概念，进行控制器的故障移除。其中除本领域内的控制器为独立交换机（独立交换机是指故障控制器的下属交换机）的主控制器外，将与其相邻领域内的控制器作为独立交换机的从属控制器，并将这些控制器作为备用迁移控制器。通过计算独立交换机和各个从属控制器的迁移效率，从而确定各从属控制器的优先级。当主控制器发生故障时，独立交换机选择优先级高的从属控制器进行迁移并进行控制器的角色变换，从而确保控制器负载均衡。通过实验表明，本文提出的FMMD移除方法有效地降低了故障转移时间和端到端平均延迟时间，同时也有效地控制了控制器过载，从而使SDN网络控制器达到负载均衡。
　　(2)在数据平面主要的研究方向是基于OpenFlow的Fat-Tree数据中心网络结构网络链路负载均衡问题，由于传统解决网络链路负载均衡的方法存在两个主要的问题:第一，在数据中心网络中源地址端到目的地址端的可行路径有多条，并且由于网络链路带宽使用率和链路的初始带宽值不同，所导致的当前可用带宽不同，如何在这些可行路径集合中选择当前平均可用带宽最大路径;第二，如何保证所选择的可行路径不会出现路径瓶颈问题。本文针对以上两个问题提出了多路径动态规划(Multipath Dynamic Programming，MDP)算法，该算法主要分为两个步骤，首先通过Fat-Tree数据中心网络结构特点在可行路径的集合中使用动态规划算法选择出一条平均可用带宽最大路径。其次，通过计算该路径的可用带宽标准差来判定所选择的路径是否会出现瓶颈问题。并通过实验将MDP算法与传统的动态负载均衡(Dynamic Load Balancing，DLB)算法的随流变化的平均带宽率和平均报文传输延迟两个性能参数进行对比，从而得出MDP算法更好的保证网络链路的负载均衡。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外的相关研究

1．2．1 分布式控制器故障移除的相关研究

1．2．2 数据中心网络的负载均衡的相关研究

1．3 论文的主要工作

1．4 文章的组织结构

第二章 SDN发展及其相关技术

2．1 SDN发展历史与标准组织

2．1．1 SDN发展历史

2．1．2 标准组织

2．2 OpenFlow技术及OpenvSwitch交换机

2．2．1 OpenFlow协议

2．2．2 OpenvSwitch交换机

2．3 SDN控制器和实验仿真环境mininet

2．3．1 SDN控制器

2．3．2 实验仿真环境mininet

2．4 符号描述

2．5 本章小结

第三章 基于SDN控制器的故障移除

3．1 故障移除相关方法简述

3．2 FMMD方法的提出

3．3 确定从属控制器的优先级数学建模

3．4 故障移除算法

3．5 实验结果以及评估

3．5．1 仿真环境描述

3．5．2 实验评估指标

3．5．3 实验结果

3．6 本章小结

第四章 基于OpenFlow的Fat-Tree数据中心网络的链路负载均衡研究

4．1．1 Fat-Tree数据中心网络简介

4．1．2 相关的路径选择算法

4．2 流的检测和网络链路监听

4．2．1 流的检测

4．2．2 网络链路监听

4．3 最佳路径的选择策略

4．3．1 路径选择策略

4．3．2 路径瓶颈问题解决方案

4．4 最佳路径的选择(MDP)

4．5 实验及评估

4．5．1 仿真场景描述

4．5．2 实验评估指标

4．5．3 实验结果及评估

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目