探讨SDN流表的回溯式负载均衡技术应用与优化

李莹

摘 要：SDN软件定义网络是新型的网络架构，体现出良好的转发与控制解耦、集中控制等特性，较好地解决流量不均衡分布而引发的热路径瓶颈问题，对于解决网络流量不均衡分布而引发的热路径问题有重要的作用。为此，本文重点探讨和研究基于SDN流表的回溯式负载均衡技术，构建基于SDN流表的回溯式负载均衡系统，提升网络路径负载均衡的适应性。

关键词：SDN流表 回溯式 负载均衡 技术

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-00-02

本文探讨基于SDN的新型网络架构，实现网络数据和控制功能的解耦合，并引入负载均衡技术，收集和获取网络状态实时信息，极其有效地实现对网络流量的合理分配和管理，避免网络链路中的阻塞现象，提升网络链路资源利用率和用户体验。

1 负载均衡技术及流表研究概述

1.1 以单控制器为主的负载均衡技术

该负载均衡技术可以从数据层面和控制层面加以分析和理解，其中，数据层面的负载均衡技术是基于单控制器场景实现对流量的均匀分布和调控，利用路由技术和重路由技术，提升网络链路的利用率，避免网络链路叠合或闲置的问题。控制层面的负载均衡技术关注控制器与交换机的频繁交互性能的研究，相关学者提出了主动混合流表与被动混合流表安装的模式，以减轻控制器与交换机频繁交互的问题；还有些学者提出改进的快速流调度技术，减轻控制器和交换机之间的通信负载压力。

1.2 分布式控制器下的负载均衡技术

分布式控制器包括有主控制器、辅控制器和等价控制器，是一种动态的负载均衡技术，动态优化控制器与交换器节点的关系，其缺陷在于迁移技术部署相对复杂和繁琐，增大了时间和资金成本。

1.3 流表研究

SDN流表在交换机中增添高速TCAM表与低速表存储相结合的存储空间，借助于流表项关联度算法、前缀聚合算法、无前缀聚合算法，实现对SDN流表的压缩存储，较好地优化流表容量。同时，还要注重对网络流量细粒度的有效管理和控制，及时更新表项，解决流表容量不足的问题。

2 SDN流表的回溯式负载均衡优化方案分析

2.1 方案思路

基于SDN流表的回溯式负载均衡技术思路，主要表现为以下内容：LLDP报文全网流表—链路测量—拥塞检测（流表容量及队列容量）—拥塞预处理—路径找寻、节点变更—流表清理并进行路径评价。

2.2 基于SDN流表的回溯式负载均衡技术信息

基于SDN流表的回溯式负载均衡技术中的外部信息包括有LLDP报文、节点黑名单集合、端口队列缓存数信息、表项缓存数、节点序列集合等；内部信息包括有：可扩展的Packet-In消息、网络测量信息、节点类型标志信息、寻径消息、可达路径节点序列集合、较优路径集合信息、回溯请求消息、回溯记录信息、Flowmod消息等。

2.3 SDN流表的回溯式多路径负载均衡系统构建

2.3.1 基于SDN流表的负载均衡基本活动及行为分析

在SDN流表的回溯式多路径负载均衡系统之中，主要包括以下基本活动和行为：（1）网络链路测量。主要是指LLDP报文、全网流表集合信息的映射活动。（2）拥塞检测。主要是映射端口队列信息、流表容量信息、拥塞信息等内容。（3）拥塞预处理。主要映射拥塞信息、测量信息和寻径信息等内容。（4）路径回溯。主要是映射原路径信息、回溯请求信息、二次寻径信息、回溯记录信息等。（5）路径评价。主要是映射路径、测量信息和较优路径等内容。

2.3.2 基于SDN流表的负载均衡系统结构及其行为特性分析

SDN流表的负载均衡系统结构以拥塞检测为起点，以拥塞预处理为分叉点，实现系统流量拥塞负载均衡和流表拥塞负载均衡，包涵有链路测量、拥塞检测、拥塞预处理、路径寻找、路径回溯、路径评价、表项生成及清理、节点删除及添加等子项。具体来说，其行为特性可以描述为：（1）由LLDP报文和全网流表获悉链路测量信息，通过拥塞检测获悉扩展的PACKET-IN消息，经由拥塞预处理获取路径集合信息，评价得出较优路径并生成表项。（2）由LLDP报文和全网流表获悉链路测量信息，通过拥塞检测获悉扩展的PACKET-IN消息，经由拥塞预处理获取回溯请求、二次寻径等信息，评价得出较优路径并生成最终输出调度流表项。

2.4 SDN流表的回溯式多路径负载均衡关键技术

2.4.1 SDN流表负载均衡框架算法

这主要包括流量拥塞型负载均衡子框架算法和流表拥塞型负载均衡子框架算法，其中：（1）流量拥堵型负载均衡子框架算法。由控制器实现对网络状态的周期性更新，检测交换机的拥堵现象，并生成扩展的Packet-In消息，由相应的负载均衡处理模块进行路径寻找、评价和表项生成。（2）流表拥堵型负载均衡子框架算法。该算法针对流表容量不足而出现的网络拥堵现象进行分析，要设立两个阈值，在流表容量超出第一个阈值的情形下，可以通过路由算法修改流表所在交换机的节点黑名单；在流表容量超出第二个阈值的情形下，导入表项清理行为，以避免网络流量转发过大而引发的拥堵现象。

2.4.2 SDN流表负载均衡关键算法

框架算法中的关键子算法主要包括以下内容：（1）拥堵检测关键子算法。该算法的步骤为：提取输入的端口队列长度信息→提升输入的流表容量信息→计算提取队列长度与总队列长度的比值→计算提出流表项数目与流表总容量比值，在计算得出比值大于70%、80%、90%时，则会发送拥堵信息至控制器，由此实现对网络拥堵现象的检测。（2）回溯寻径关键子算法。该算法的步骤为：读取寻径信息—提取交换机和目标流的信息—深度搜索所有路径。

3 SDN流表的回溯式负载均衡技术实现

基于SDN流表的回溯式负载均衡系统能够实现网络交换机拥堵状态的主动检测，并将信息传送至控制器；能够回溯节点寻径特性，对流表缺位的交换节点进行记录，生成节点黑名单，并清理超载交换机，以达到提升系统均衡及效率的能力。

SDN流表的回溯式负载均衡技术依照三层网络架构进行部署和设计，由下到上为交换机、RYU控制器、SDN负载均衡系统框架，由底层交换机实现网络拥堵检测，生成扩展的PACKET-IN消息，并传送至控制器的预处理模块，由控制器的测量模块实时测量获取网络链路及拓扑表信息，再实施流表项的清理、添加和删除等活动。在SDN流表的回溯式负载均衡技术之中，主要采用顺序圖和协作图的交互设计表达方式，其中：顺序图注重执行动作的先后顺序关联；协作图则侧重于执行活动的交互与协作，两种表达方式是可以转换并对应操作的。

4 结语

综上所述，多路径的网络拓扑环境中可以采用SDN负载均衡技术和系统，在明晰SDN负载均衡的相关概念前提下，搭建SDN流表负载均衡运行机制，引入SDN负载均衡框架算法和子程序的关键算法，设计多路径的SDN负载均衡系统，有效解决网络拥堵时延现象，合理进行流量调度和优化。未来还要关注非特殊拓扑环境下降低寻径算法复杂度的问题，深度利用流表容量参数，更好地提升网络负载均衡能力和效率。

参考文献

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[2] 揭震.负载均衡技术在电子商务网站的应用实现[D].天津大学，2012.

[3] 谢健.基于PHP的负载均衡技术的研究与改进[D].华东理工大学，2015.