黃小曼　沈蘇彬

(南京郵電大學(xué)計算機(jī)學(xué)院　江蘇 南京 210003)

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一種基于集群的SDN控制器負(fù)載均衡方案

黃小曼沈蘇彬

(南京郵電大學(xué)計算機(jī)學(xué)院江蘇 南京 210003)

摘要SDN(Software Defined Networking)集中式管控在帶來網(wǎng)絡(luò)全局視角、可編程以及靈活性的同時，其可靠性和可縮放性一直是其弱點(diǎn)。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍指出分布式控制器是解決這個問題的一種可行方案。然而，交換機(jī)和控制器之間的靜態(tài)映射關(guān)系會限制分布式控制器系統(tǒng)的性能。針對這個問題，基于OpenFlow協(xié)議，提出一種在運(yùn)行時動態(tài)修改交換機(jī)與控制器之間配置關(guān)系的交換機(jī)遷移方案。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以實(shí)現(xiàn)分布式控制器之間的負(fù)載均衡，提高了控制平面的可縮放性。

關(guān)鍵詞SDN可縮放性O(shè)penFlow負(fù)載均衡

0引言

軟件定義聯(lián)網(wǎng)SDN[1]是一種軟件可編程的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其核心思想是將數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，控制平面利用控制—轉(zhuǎn)發(fā)接口對數(shù)據(jù)平面上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中控制，SDN網(wǎng)絡(luò)中的集中式管控由軟件控制器實(shí)現(xiàn)。

大規(guī)模數(shù)據(jù)中心具有成百上千臺交換機(jī)，僅使用一臺集中式控制器很難滿足要求，且集中控制器會帶來可縮放性和可靠性的問題。實(shí)現(xiàn)一個邏輯集中、物理分布式的控制器體系結(jié)構(gòu)成為解決SDN控制平面可縮放性的良好解決方案，這樣既可以獲得分布式系統(tǒng)帶來的較高可縮放性和可靠性，又可以保留集中控制系統(tǒng)的簡單特性。近年來，關(guān)于分布式SDN控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一系列研究成果[2,3]，大多分布式控制器系統(tǒng)的研究焦點(diǎn)是建立實(shí)現(xiàn)分布式功能的模塊。然而，限制分布式控制器系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素是交換機(jī)與控制器之間的靜態(tài)配置關(guān)系，這一靜態(tài)配置關(guān)系會造成控制平面的負(fù)載不均衡?，F(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)(例如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng))中流量在時間和空間上都是不停變化的。所以，當(dāng)交換機(jī)突發(fā)大量流請求時，與之相連的控制器負(fù)載將快速上升，可能會造成控制器性能降低甚至癱瘓，經(jīng)過一段時間，可能會造成整個控制平面性能的降低[4]。因此，交換機(jī)和控制器間的靜態(tài)配置關(guān)系會降低系統(tǒng)性能。解決方法之一是為控制器配置多冗余容量，以應(yīng)對大量突發(fā)流。但這種方法會增加開銷，同時浪費(fèi)資源。

針對這個問題，本文提出了交換機(jī)遷移方案，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中動態(tài)修改交換機(jī)與控制器之間的配置狀態(tài)。然而將交換機(jī)從一臺控制器中遷往另外一臺控制器時會破壞控制器正在進(jìn)行的消息處理過程，現(xiàn)有OpenFlow[5]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并沒有提供一個合適的解決方案，本文提出的遷移機(jī)制是在充分利用OpenFlow定義的三種控制器角色基礎(chǔ)上，保護(hù)控制器的流處理過程，實(shí)現(xiàn)分布式控制器之間的流請求負(fù)載均衡，提高了系統(tǒng)的吞吐量和可縮放性。

1相關(guān)技術(shù)分析

1.1分布式控制器

控制器結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了單線程控制器[6]到多線程控制器[7]這樣的過程。但單一的物理控制器系統(tǒng)帶來了低可縮放性和易受損的缺點(diǎn)。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)需求的提高，分布式控制器受到廣泛關(guān)注。分布式控制器研究的核心研究問題是關(guān)于如何解決分布式控制器實(shí)例之間的狀態(tài)一致性。例如，Onix[2]通過維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫NIB(NetworkInformationBase)的分發(fā)機(jī)制，保證整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息庫的一致性。HyperFlow[3]復(fù)制所有分布式節(jié)點(diǎn)中發(fā)生的事件，所以每個節(jié)點(diǎn)可以處理這些事件并更新本地狀態(tài)。現(xiàn)有的分布式控制器方案大多建立在傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，旨在建立分布式節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息共享、狀態(tài)更新等分布式功能模塊。SDN作為新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將分布式系統(tǒng)引入到SDN控制器中時，需要對控制—轉(zhuǎn)發(fā)接口協(xié)議進(jìn)行分析，提供在分布式環(huán)境下的靈活部署特性。

1.2OpenFlow協(xié)議

OpenFlow協(xié)議從2009年首次提出后，目前已經(jīng)發(fā)展到v1.4，ONF組織將v1.3作為一個穩(wěn)定的版本，本節(jié)以O(shè)penFlowv1.3進(jìn)行討論。下面簡要介紹本文使用的OpenFlow消息類型：

(1)Role-request/Role-reply消息：Role-Request消息由控制器發(fā)起，用于交換機(jī)與多控制器連接的場景中，當(dāng)交換機(jī)收到該消息時，根據(jù)請求的控制器角色類型作出相應(yīng)回復(fù)，向控制器發(fā)送Role-Reply消息，告知控制器是否允許修改角色。

(2)Flow-mod/Flow-removed消息：Flow-mod消息由控制器發(fā)起，用來增加、刪除和修改交換機(jī)中的流表項(xiàng)，通過對Flow-mod消息格式中command字段指定操作來完成，該字段可以指定為增加、刪除和修改等。當(dāng)交換機(jī)收到控制器的Flow-mod刪除消息時，根據(jù)消息中指定的流表項(xiàng)信息，找到流表中的相應(yīng)流表項(xiàng)刪除，并返回Flow-removed消息表示確認(rèn)刪除，F(xiàn)low-Removed消息也用于因流表項(xiàng)超時，而引起的流表項(xiàng)刪除情況。當(dāng)交換機(jī)連接到多臺控制器時，F(xiàn)low-Removed會發(fā)送給與交換機(jī)相連的master控制器和equal控制器.

(3)Barrier-request/Barrier-reply消息：Barrier-request消息用于確保之前下發(fā)的消息已經(jīng)被交換機(jī)處理完畢，當(dāng)控制器發(fā)送該消息到交換機(jī)時，交換機(jī)會立即處理之前收到的所有消息，并回復(fù)Barrier-reply消息。如果要確保控制器先后發(fā)送到交換機(jī)的兩條消息得到按序處理，可以在兩個消息中間增加Barrier-request消息。

OpenFlow協(xié)議提出了交換機(jī)與多臺控制器相連的概念，多連接可以有效地預(yù)防控制器單點(diǎn)故障問題，OpenFlow協(xié)議將控制器角色分為三種：Master、Equal和Slave。

控制器的默認(rèn)角色是Equal，Equal控制器對于交換機(jī)具有全部處理能力，能夠接受所有交換機(jī)發(fā)來的異步消息(例如Packet-in、Flow-removed消息等)，Equal控制器也可以發(fā)送控制器-交換機(jī)消息以修改交換機(jī)的狀態(tài)；Slave控制器對交換機(jī)只有讀權(quán)限，默認(rèn)情況下Slave控制器不接受任何交換機(jī)異步消息，但交換機(jī)可以處理Slave控制器的角色請求消息；Master控制器與Equal控制器對交換機(jī)所具有的權(quán)限相似，區(qū)別在于交換機(jī)可以與多臺Equal控制器相連，而僅可以與一臺Master控制器相連。當(dāng)某臺控制器發(fā)送Role-request消息到交換機(jī)，請求將當(dāng)前角色修改為Master，交換機(jī)會將與之相連的Master控制器角色改為Slave。交換機(jī)維護(hù)與多控制器的連接，控制器可以在任意時刻修改它的角色。

本文旨在分布式控制器環(huán)境下，基于OpenFlow協(xié)議定義的三種控制器角色，將Equal角色作為過渡角色，逐步實(shí)現(xiàn)交換機(jī)在多控制器之間的無縫遷移，以實(shí)現(xiàn)在集群環(huán)境下的控制器負(fù)載均衡功能。

2設(shè)計目標(biāo)

本文將服務(wù)器集群技術(shù)應(yīng)用到SDN分布式控制器方案中，構(gòu)建SDN控制器集群環(huán)境。本節(jié)首先介紹控制器集群需要完成的功能，其次分析交換機(jī)遷移方案所需解決的幾類關(guān)鍵問題。

2.1控制器集群

控制器集群采用分布式數(shù)據(jù)存儲方式維持一個邏輯集中的控制平面.它存儲所有交換機(jī)信息,集群中各個節(jié)點(diǎn)共享這些信息。集群服務(wù)主要提供以下服務(wù)：集群系統(tǒng)在啟動時，集群服務(wù)提供從文件讀取集群配置的服務(wù)；運(yùn)行過程中，集群服務(wù)提供集群節(jié)點(diǎn)名稱到節(jié)點(diǎn)所在主機(jī)名稱/IP地址的解析服務(wù)。

一個控制器集群的例子，如圖1所示，該集群包括兩個控制器節(jié)點(diǎn)，分別為A和B；A連接交換機(jī)X，交換機(jī)X又與多個交換機(jī)相連，x1、x2、…、xn。B連接交換機(jī)Y，Y與一系列交換機(jī)相連。根據(jù)OpenFlow協(xié)議的定義，交換機(jī)可以與多臺控制器相連，圖1中，實(shí)線A1和B1代表與交換機(jī)相連的控制器是Master控制器，虛線代表與交換機(jī)相連的控制器是Slave控制器，在該集群結(jié)構(gòu)下，A與B之間通過TCP協(xié)議互聯(lián)，共享網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，且每個控制器節(jié)點(diǎn)都維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)拓?fù)?，包含全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

圖1　兩個節(jié)點(diǎn)的控制器集群

控制器集群的可縮放性體現(xiàn)在整個集群平面對數(shù)據(jù)平面流請求的處理性能，包括計算時間和流規(guī)則安裝延遲。文獻(xiàn)[8]中實(shí)驗(yàn)證明，控制器對流請求的計算時間可以忽略不計，流規(guī)則安裝延遲則受控制器資源使用情況限制，主要包括CPU使用率和內(nèi)存使用率，控制器集群需要監(jiān)測集群中每個控制器節(jié)點(diǎn)的資源使用情況，當(dāng)集群中某點(diǎn)控制器節(jié)點(diǎn)資源使用率較高時，負(fù)責(zé)從集群中選舉出具有較小資源使用率的控制節(jié)點(diǎn)。

2.2交換機(jī)遷移

交換機(jī)與控制器之間的靜態(tài)配置關(guān)系是限制分布式控制器系統(tǒng)性能的一個主要因素，它使得分布式控制器結(jié)構(gòu)無法適用于在空間上和時間上多變的流情況。例如，不同時間測量數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量，其最大值和最小值之間相差很大[9]，或者數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中可能大部分流量只由少量幾臺交換機(jī)產(chǎn)生，而大部分交換機(jī)產(chǎn)生較少流量。當(dāng)一臺控制器資源使用率較高時，分布式控制器系統(tǒng)的整體響應(yīng)時間會增加，從而影響上層應(yīng)用。本文通過在控制器之間動態(tài)遷移交換機(jī)的方法，來提高整個控制平面的可縮放性，即在數(shù)據(jù)層是通過遷移交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制平面負(fù)載均衡，交換機(jī)在遷移過程中，需要滿足下面兩個條件：

(1)交換機(jī)在遷移的過程中，要保證與該遷移交換機(jī)至少有一臺相連控制器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，而不能直接通過將目的控制器的角色改成Master來完成交換機(jī)的遷移工作。例如控制器在遷移開始之前，發(fā)送了一條Flow-mod刪除消息到交換機(jī)中，在交換機(jī)遷移之前還沒有回復(fù)Flow-removed消息到控制器中，那么遷移之后會造成信息的丟失和狀態(tài)的不一致性。

(2) 交換機(jī)在遷移的過程中，要保證安全性。即只能有一臺控制器處理交換機(jī)的異步消息。例如多臺控制器對同一交換機(jī)的Packet-in消息進(jìn)行處理，會造成流表項(xiàng)的多次安裝，還會造成分布式數(shù)據(jù)存儲的不一致性。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1集群配置

集群配置主要描述集群內(nèi)部狀態(tài)信息，包括集群中包含的成員信息、每個控制器節(jié)點(diǎn)所維護(hù)的數(shù)據(jù)分片信息以及數(shù)據(jù)分片上所存放的數(shù)據(jù)信息。

modules= [

{

name= “Topology”

//網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K

shards= [

{

name= “shard-1”

replicas= [

“member-2”

//備份存放在成員2中

“member-1”

]

}

}

3.2資源使用情況監(jiān)測實(shí)現(xiàn)

考慮到本分布式系統(tǒng)是運(yùn)行在一個局域網(wǎng)中，各個控制器節(jié)點(diǎn)的IP地址各不相同。使用IP地址作為區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況的標(biāo)識。每個控制器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張日志表格，用于存放集群中各個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息，其中包括IP地址、CPU使用率和內(nèi)存使用率?？刂破鞴?jié)點(diǎn)之間傳遞負(fù)載情況的消息格式如表1所示：

表1　資源使用情況格式

本集群中各個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在Ubuntu系統(tǒng)上，每個控制器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測本機(jī)負(fù)載信息，并每隔30秒向其他所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送負(fù)載信息。下面為監(jiān)測CPU和內(nèi)存使用率的描述：

Userid=”ip”

//IP地址作為控制機(jī)器節(jié)點(diǎn)標(biāo)識

if(userid==＄1){cpuUsage+=＄3

//監(jiān)測CPU使用率

memUsage+=＄4

//檢測內(nèi)存使用率

}

3.3交換機(jī)動態(tài)遷移

交換機(jī)遷移機(jī)制是通過運(yùn)行中動態(tài)修改控制器角色完成，圖2(a)代表遷移前的拓?fù)鋱D，S1、S2、S3和S4共同組成一個網(wǎng)絡(luò)，每個交換機(jī)與一個或者兩個控制器相連；圖中虛線代表交換機(jī)連接的是Slave控制器，實(shí)線代表交換機(jī)連接的是Master控制器。圖2(b)中由于控制器A上負(fù)載過大，決定將交換機(jī)S3遷移到控制器B中，圖2(b)為交換機(jī)遷移后拓?fù)鋱D。

本文應(yīng)用的遷移方案在開始階段由交換機(jī)插入一條冗余消息，由后續(xù)階段對其響應(yīng)，逐步完成交換機(jī)的遷移。下面將遷移過程分為4個階段，具體描述如下：

階段1：控制器B請求修改角色為Equal；由控制器A通過集群通信信道告知控制器B交換機(jī)開始遷移，此時交換機(jī)尚未開始處理事務(wù)，交換機(jī)在遷移之前加入一條空的流表項(xiàng)，這樣操作主要是為了減少下一階段的冗余時間。當(dāng)控制器B接收到來自控制器A的開始遷移消息，控制器B發(fā)送一個Role-request消息到交換機(jī)S3中，請求將控制器B的角色變成過渡角色-Equal。在交換機(jī)接收到來自控制器B的角色改變請求信息，交換機(jī)將控制器B的角色改變成Equal，且回復(fù)控制器B角色已經(jīng)改變。

階段2：刪除空流表項(xiàng)；此時還無法完全將交換機(jī)S3的事務(wù)轉(zhuǎn)移到控制器B中，因?yàn)榭刂破鰽仍然是交換機(jī)S3的Master控制器，而控制器B是交換機(jī)S3的Equal控制器。為了將交換機(jī)業(yè)務(wù)平滑無縫地轉(zhuǎn)移到控制器B中，需利用遷移開始前插入的空流表項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)階段控制器A發(fā)送Flow-mod刪除消息來刪除該流表項(xiàng)，在交換機(jī)S3收到該消息后，因?yàn)榇藭r控制器A仍然工作在Master角色下，而控制器B工作在Equal角色下，所以交換機(jī)S3會向兩臺控制器都發(fā)送Flow-removed消息，以確認(rèn)空流表項(xiàng)刪除。控制器B開始介入交換機(jī)S3的事務(wù)處理。

階段3：確認(rèn)事物結(jié)束；控制器A此時無法立即與交換機(jī)S3斷開連接，網(wǎng)絡(luò)中可能還有正在處理的事務(wù)，所以控制器A發(fā)送一個Barrier-request消息到交換機(jī)中，直到交換機(jī)S3回復(fù)Barrier-reply消息。此時，控制器A與交換機(jī)S3之間的事務(wù)處理正式結(jié)束。

階段4：控制器B請求修改角色為Master；至此需要將控制器B改為Equal控制器，在上階段結(jié)束后，控制器A發(fā)送事務(wù)提交完成消息到控制器B中，在接收到該消息后，控制器B立即向交換機(jī)S3發(fā)送Role-request消息，請求變化為Master控制器，而交換機(jī)S3在收到角色改變請求后，經(jīng)過交換機(jī)內(nèi)部處理，返回Role-reply消息到控制器B中，交換機(jī)會自動將控制器A的角色修改為Slave。至此，正式完成交換機(jī)S3的遷移過程，控制器B開始處理交換機(jī)S3的請求。

圖3為交換機(jī)無縫遷移過程中具體的消息傳遞過程。

圖3　消息傳遞過程

4系統(tǒng)測試

4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文通過測試兩臺控制器組成的集群系統(tǒng)來分析SDN控制器系統(tǒng)的可縮放性，利用兩臺OpenDaylight[10]控制器組成控制器集群，以構(gòu)成控制平面；下層的數(shù)據(jù)平面采用Mininet[11]來部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備環(huán)境。其中，控制平面上部署的兩臺控制器，控制器A和控制器B，兩臺控制器部署的主機(jī)IP地址分別是10.10.136.121和10.10.136.122；數(shù)據(jù)平面上利用Mininet部署八臺交換機(jī)，運(yùn)行Mininet的主機(jī)IP地址是10.10.136.123，三臺主機(jī)均運(yùn)行Ubuntu12.04系統(tǒng)。

圖4　實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

初始網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，其中S1～S7的Master控制器是控制器A，控制器B作為Slave與S1～S7相連；S8的Master控制器是控制器B，控制器A作為Slave與S8相連，圖4中，實(shí)線代表與交換機(jī)相連的是Master控制器，虛線代表與交換機(jī)相連的是Slave控制器。

4.2測試方法和結(jié)果分析

文獻(xiàn)[12]指出SDN控制平面實(shí)際是一個分布式系統(tǒng)，可以通過測量分布式系統(tǒng)的響應(yīng)時間來評估分布式系統(tǒng)的可縮放性。本文通過向控制器集群輪詢發(fā)送流請求消息，測試其響應(yīng)時間來反映其可縮放性。每臺交換機(jī)每次發(fā)送2000條流請求消息(Packet-in消息)，一共發(fā)送4次，分別測量每個控制器的資源使用情況以及響應(yīng)時間。首次測量為控制器A處理S1～S7的流請求，控制器B處理S8的流請求；第二次測量時，將S7遷移到控制器B的控制域內(nèi)，即將控制器B變?yōu)镾7的Master控制器；按照這樣的順序，直到控制器A負(fù)責(zé)處理S1～S4的流請求，控制器B負(fù)責(zé)處理S5～S8的流請求。由于Slave控制器接收到Packet-in消息時，不處理并將其丟失，故對控制器的性能影響可以忽略不計。

(a) CPU使用率對比圖

(b) 內(nèi)存使用率對比圖

(c) 響應(yīng)時間對比圖圖5　對比情況

經(jīng)過以上4次測量，得出4次監(jiān)測控制器CPU使用率對比情況如圖5(a)所示，內(nèi)存使用率對比如圖5(b)所示，兩臺控制器的響應(yīng)時間對比如圖5(c)所示。

實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)行過程中遷移交換機(jī)可以降低控制平面的總體響應(yīng)時間，提高控制平面的可縮放性，實(shí)現(xiàn)控制平面負(fù)載均衡。當(dāng)應(yīng)對數(shù)據(jù)平面的大量數(shù)據(jù)流請求時，控制平面仍能保持穩(wěn)定的處理能力。

5結(jié)語

本文的研究內(nèi)容是針對多控制器系統(tǒng)中負(fù)載不平衡引起的控制器效率下降的問題，提出了將集群技術(shù)應(yīng)用到多控制系統(tǒng)中，且在集群中實(shí)現(xiàn)交換機(jī)在運(yùn)行時動態(tài)轉(zhuǎn)移，這可以有效地提高控制器的處理性能以及網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使各個控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)載得到均衡。本文未來的研究計劃是將容錯功能加入到控制器集群環(huán)境中。

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A LOAD BALANCING SCHEME OF SDN CONTROLLERS BASED ON CLUSTERING

Huang XiaomanShen Subin

(School of Computer,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,Jiangsu,China)

AbstractThe centralised SDN control brings the global network perspective,programmability and flexibility,but it also brings the weakness of reliability and scalability as well.The solution based on distributed controllers is a feasible method as widely noted by the industry and academia.However,the static mapping relationship between a switch and a controller limits the performance of distributed controllers.To solve this problem,this paper proposes based on OpenFlow protocol a switch migration scheme which can dynamically modify the configuration relationship between switch and controller on operation.It is proved by the experiment that the scheme can achieve the load balance between controllers and improve the scalability of the control plane.

KeywordsSDNScalabilityOpenFlowLoad balancing

收稿日期：2015-02-06。江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)前瞻性研究項(xiàng)目(BY2013095-1-08)。黃小曼，碩士生，主研領(lǐng)域：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。沈蘇彬，研究員。

中圖分類號TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.032