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现代数据中心网络(Date Center Network,DCN)经常会使用多路径(MultiPath,MP)拓扑结构,这样可以避免两节点间某条链路失效而导致的网络拥塞问题,而且增加了网络的带宽和容错率。传统的OSPF(Open Shortest Path First)路由算法会选择单条最短路径作为最终路径,这样可能会导致大部分数据流集中在单一路径上而出现网络拥塞,而其他可用路径处于闲置状态,不能充分地利用DCN中的链路资源,基于SDN(Software Defined Network)的集中化的调度方式能够提高网络利用效率。设计了一套基于OpenFlow协议的链路负载均衡模型,详细阐述了它的总体框架和算法实现过程,并通过实验仿真验证了算法的可行性和有效性。
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基于基于OpenFlow的数据中心网络负载均衡算法的数据中心网络负载均衡算法
现代数据中心网络(Date Center Network,DCN)经常会使用多路径(MultiPath,MP)拓扑结构,这样可以
避免两节点间某条链路失效而导致的网络拥塞问题,而且增加了网络的带宽和容错率。传统的OSPF(Open
Shortest Path First)路由算法会选择单条最短路径作为最终路径,这样可能会导致大部分数据流集中在单一路
径上而出现网络拥塞,而其他可用路径处于闲置状态,不能充分地利用DCN中的链路资源,基于
SDN(Software Defined Network)的集中化的调度方式能够提高网络利用效率。设计了一套基于OpenFlow协
议的链路负载均衡模型,详细阐述了它的总体框架和算法实现过程,并通过实验仿真验证了算法的可行性和有
效性。
0 引言引言
近年来,
[1]
是一种将控制层和转发层分离的新型网络架构,交换机只负责数据流的转发,降低了网络交换机的负载,控制层的功能全
部由运行于服务器上的控制器实现。控制器需要下发流表到交换机才能支持转发层设备的有效运行,而控制层与转发层之间的
通信需要遵守一定的规则,目前较普遍的是采用OpenFlow
[2]
协议来实现信息交互。本文目的是在SDN网络架构下解决网络流
量高峰期链路的负载分布不均匀问题,设计了负载均衡机制的总体框架、实现流程图以及具体实现。
1 数据中心网络流量特征数据中心网络流量特征
国内外学者对真实数据中心网络流量特征进行了深入的观察研究。Mckeown研究表明数据中心网络流量与传统的局域网和
广域网流量有着极大的不同,内部节点间的数据流量在数据中心网络所有流量中占主导地位
[3]
。Greenberg指出数据中心80%
的数据流量为数据中心内部的流量,而且85%的数据流小于100 KB
[4]
。目前采用最多的是Fattree
[5]
网络拓扑,它可以为两两
节点之间的流量提供多条路径,这样从理论上能降低单一路径的负载率过高的问题,而在实际应用中还是会出现某条路径上流
量拥塞严重而其他可用路径却处于闲置状态的问题。
数据中心网络流量模型由大流和小流组成,每个数据流由许多数据包组成,这些数据包具有5个相同特征(源IP地址、源端
口号、目的IP地址、目的端口号、协议类型)。而大流是造成部分链路拥塞的主要原因,所以负载均衡机制主要针对大流,在
调度过程中尽量忽视小流来降低调度开销。数据流的大小由其所含字节数决定,同时数据流越大,持续的时间越长,小流持续
时间很短。本文将字节数大于100 KB的流界定为大流。
2 负载均衡实现的总体框架负载均衡实现的总体框架
控制器的负载均衡功能模块如图1所示,主要包括拓扑发现模块、大流监测模块、流量收集模块、路径计算模块、流表导入
模块。拓扑发现模块帮助控制器掌握通过全局的拓扑信息,包括主机的位置信息、交换机之间的连接等。大流监测模块在链路
利用率最大路径上找出并标记大流。流量收集模块周期性地收集OpenFlow交换机网络的流量信息,为两个节点之间的多条路
径选择提供参考流量监测模块统计交换机接口的流量信息,用于分析计算各链路的链路利用率。路径计算模块为大流的重路由
提供支持,是实现负载均衡功能的重要部件。流表导入模块是通过控制器向OpenFlow交换机发送Packet_out消息实现的,动
态地将大流的最终得出的重路由路径添加到交换机流表,从而实现OpenFlow网络的负载均衡功能。负载均衡算法的实现流程
如图2所示。
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