多域SDN网络中负载均衡路由算法研究

张 丹，朱兴浩，李 书

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

多域SDN网络中负载均衡路由算法研究

张 丹，朱兴浩，李 书

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

SDN是一种新型的网络架构，可分离数据平面和控制平面。其通常利用集中控制器来管理所有的网络中的交换机。随着网络规模的扩大，单个控制器的有限性能将导致控制平面拥塞，一些方案被提出以解决可扩展性问题，即将网络分离多个域。文章分析了现有的跨域交互技术以及负载均衡算法，并对已有的负载均衡算法作出比较。

SDN；跨域交互；负载均衡

软件定义网络[1]（Software Defined Network，SDN）是目前认为最具有前景的传统网络向未来网络转变的未来网络，具有可编程性、易于管理、快速创新的特点。不像传统的网络，在SDN架构中控制平面和数据平面是相分离的。一个集中控制的平面被称为控制器，带来了以下好处：一是不涉及底层网络设备通过应用编程网络；二是只有一个集中的结点控制网络等。随着网络规模的增大，单个集中式的控制器不能满足网络的需求。学术界和工业界探索性地提出了集群的概念和分布式控制器。分布式控制器在一定程度上解决了可扩展性问题，但是同时可带来了控制器间的信息交互和一致性问题。针对这一问题，Onix，B4通过网络数据库获取去他控制器的基本网络信息，但只能满足上层算法和应用最基本的需求。一个域内的交换机有控制器进行管理控制，这些交换机和控制器自成一个自治域（AS）。在软件定于网络的研究领域，OpenFlow协议具有成熟的域内管理能力，但对于域间来说，并没有一种成熟的域间控制器交互机制解决域间通信问题。

1 软件定义网络概述

SDN起源于斯坦福大学的校园网络，是一种新型的网络架构和技术，它的核心理念是将传统IP网络的数据转发和路由控制进行分离，实现集中控制，分布转发，通过软件可编程的方式来简化和优化网络。目前业界理解的SDN的一般架构，主要由以下3个层面组成：基础设施层、控制层、应用层。基础设施层主要负责数据处理、转发和状态收集等功能；控制层由SDN控制软件组成，可通过标准化协议与下层进行通信，控制底层网络设备的转发行为，处理数据平面的编排，维护网络的拓扑、状态信息；应用层，不同的应用逻辑通过控制器开放的API管理能力控制设备的报文转发功能。

2 软件定义网络中多域交互技术研究

随着网络节点数目的增加，单一的网络域被进行划分。多域网络在数据中心和企业网络中得到广泛的运用，为解决网络的可扩展性问题提供了新的思路。当网络规模过大时，需要部署多域的组网方案。其中每个SDN域都由各自的控制平面控制。多域组网方案有水平架构和垂直架构两种。水平架构形式的多域组网方案中，域控制平面之间的关系是对等的。而在垂直架构中，则划分为域控制器层和超级控制器层。其中域控制器层负责自身域内的控制，超级控制器层负责管理域间的通信。

实现水平架构的多域控制器的解决方案有分布式集群和东西向接口协议两种方式。部署分布式集群可以实现同类型多控制器实例的协同工作，无法支持异构控制器之间的协同工作。而东西向接口协议支持异构多域控制器之间的协同工作，其通过交换路由等信息实现多域网络通信。垂直架构的多域控制器组网中超级控制器负责域间通信，而域控制器负责域内的通信。超级控制器相当于集中式的路由器，负责域间的通信，而每一个域由的域控制器模拟成独立的网络域，从而实现全局网络的管理。目前实现垂直架构的多域控制器协同工作的协议有Open eXchange协议。

从有单个控制器控制的网络域拓展到多个控制器协同工作的多域网络，还有一系列的工作需要解决。从网络的实际需求来说，首先需要解决网络的可扩展性问题。这一问题在软件定义网络的架构下可以归结为跨域控制器的协同工作问题。目前有一些研究解决跨域控制器的协同工作问题，文献[1]提出了一种可扩展的会话协议（Extensible Session Protocol，XSP）。XSP是一个位于传输层之上的高级会话协议，被作为网络应用和网络服务之间的交互接口。此工作虽然存在它的应用价值，但是不能成为解决SDN域间交互的有效机制。SDN旨在解决SDN多域协作的适用性的方法和机制，为新型域间路由等规模较大的互联网下SDN域间应用的可编程性提供关键的方法和机制。文献[2]提出了EWBridge机制，即EWBridge是多域网络的高性能网络交换机制。EWBridge主要包括控制器/NOS发现过程、定义不同场景下的网络视图信息、网络视图信息存储和转换模式、高性能网络视图交换机制等5个功能模块，由这5个功能模块相互协作已实现跨域控制器的协同工作。

3 负载均衡算法

负载均衡是流管理领域中的一个非常重要的问题。在一个网络中负载平衡的目的是在多个路径之间均匀地分配流，从而使它使用更少的时间能够处理更多的数据流。为了避免服务器拥堵，许多数据中心使用负载均衡器硬件设备来帮助网络的流量分布到多台机器。然而，这些设备往往过于昂贵而不能被广泛使用。SDN技术的出现带来了一个有效和负担得起的网络流量控制方案。

在SDN网络中，常用负载均衡算法常见有流分割后再传输、流聚合后再传输和流透明传输3种方法。文献[3]提出了流分割策略，将控制器匹配到的大流进行分割后再进行多路径传输。首先设定了一个流速率阈值，当某条大流f的速率超过该阈值时，即判定该流为大流，并需要进行分割。针对流聚合再传输的方式，文献[4]提出了MiceTrap方案。同时考虑到直接调度小流会导致调度效率过低，因此，该方案将网络中的小流聚合后，再根据计算的路径权重对聚合后的流进行多路径转发。文献[5]基于模糊控制理论提出了模糊综合评估机制(Fuzzy Synthetic Evaluation Mechanism，FSEM)实现路径负载均衡。在网络初始状态时，网络中并没有流量，此时使用Top-K最短路径算法计算出K条最短路径。当网络中存在大量流量分布时，则采用FSEM对路径进行评估，并计算出最佳传输路径。

4 结语

通过文献和总结，文章分析了现有的多域交互技术以及SDN中已有负载均衡算法，并结合软件定义网络的结构特征，需要进一步对多域SDN中负载均衡算法研究。

[1]KISSEL E, SWANY M. The eXtensible Session Protocol: A Protocol for Future Internet Architectures[R].Dissertations & Theses -Gradworks, 2012：1-14.

[2]LIN P, BI J, WANG Y. East-West Bridge for SDN Network Peering[M].Berlin Heidelberg: Springer, 2013.

[3]TRESTIAN R, MUNTEAN G M, KATRINIS K. MiceTrap：Scalable traffic engineering of data center mice flows using OpenFlow[C]. Ghent：Integrated Network Management (IM 2013)，2013：904-907.

[4]BRAUN W, MENTH M. Load-dependent flow splitting for traffic engineering in resilient OpenFlow networks[C].Cottbus：Networked Systems (NetSys), 2015 International Conference and Workshops，2015：1-5.

[5]LI J, CHANG X, Ren Y, et al. An Effective Path Load Balancing Mechanism Based on SDN[C].Beijing：Trust, Security and Privacy in Computing and Communications (TrustCom), 2014 IEEE 13th International Conference，2014：527-533.

Research on load balancing routing algorithm in multi domain SDN networks

Zhang Dan, Zhu Xinghao, Li Shu
（Communication and Information Engineering College of Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China）

SDN is a new kind of network architecture, which can separate the data plane and the control plane. It usually uses a centralized controller to manage all the switches in the network. With the expansion of network scale, the limited performance of controller will lead to control plane congestion. Some schemes have been proposed to solve this problem by separating multiple domains from the network. In this paper, the existing inter-domain interactive technology and load balancing algorithm were analyzed, and the existing load balancing algorithms were compared.

SDN; inter-domain interaction; load balancing

张丹（1989— ），女，河南商丘。