面向SDN的多控制器高可靠性部署算法研究

摘要

软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork,SDN）将控制权从网络设备中分离出来，并交由集中式控制器统一管理。其中，控制器作为SDN网络架构的核心，既要对上层应用程序的请求做出响应，又要对底层数据平面进行管控。但随着网络规模的日益扩大，单控制器架构在可靠性与拓展性方面面临着巨大的挑战，因此多控制器架构应运而生。在多控制器架构中，控制器的数量、部署位置以及与交换机间的映射关系直接影响着SDN网络系统的性能，所以本文重点研究了面向SDN的多控制器部署问题，主要研究工作如下： （1）提出一种基于优化K-center的可靠部署算法（Reliable Deployment Algorithmbased on Optimized K-center,RD-KC）。针对现有静态部署算法缺乏从时延与可靠性两个方面对控制器部署进行优化的问题，本文首先结合节点树分析控制器部署对系统可靠性的影响，并设计一种路径可靠性优化策略，以寻求节点间的可靠低时延传输路径。随后，通过优化K-center算法提高求解精度与减少运行时间，并在优化K-center算法的迭代过程中，添加节点映射调整步骤，以提高系统可靠性。仿真结果表明，RD-KC算法在传输时延与系统可靠性方面拥有更好的综合性能，且运行时间相对较少。 （2）提出一种基于主从模式的高可用动态部署算法（Highly Available Dynamic Deployment Algorithm based onLeader-FollowerMode,HADD-LFM）。为在网络故障恢复后满足迁入控制器的容量限制并降低传输时延，本文采用主从模式来解决控制器故障的问题。首先，为维持控制器间迁移状态的一致性，本文通过一种基于Paxos协议的邻域主控制器选举算法来确定主从控制器节点；其次，由主控制器节点执行一种基于容量约束的时延优化分配算法，以确定故障控制器下交换机集的分配方案；最后，由从控制器节点根据分配结果执行交换机的迁移操作，以完成网络故障恢复。为进一步降低控制器的平均响应时延，本文还设计一种网络映射还原机制，用于故障控制器失效恢复时还原交换机与控制器间的映射关系。针对交换机与控制器间的重映射过程，本文设计一种主动式四阶段平稳协议，以减少重映射对网络运行的影响。仿真结果表明，HADD-LFM算法能够保证故障恢复期间控制器不因交换机的迁入而超载，且相比于其它同类算法，能够获得更低的控制器平均响应时延。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景及意义

1.3国内外研究现状

1.3.1多控制器静态部署算法研究现状

1.3.2多控制器动态部署算法研究现状

1.4本文主要研究工作

1.5论文结构与安排

第2章 SDN及其控制平面设计

2.1 SDN概述

2.1.1 SDN由来

2.1.2 SDN网络架构

2.2 OpenFlow协议

2.2.1 OpenFlow交换机

2.2.2 OpenFlow控制器

2.3控制平面设计

2.3.1控制平面架构

2.3.2控制平面响应模式

2.3.3控制链路组网方式

2.4本章小结

第3章 基于优化K-center的可靠部署算法

3.1问题描述

3.2系统模型

3.3基于优化K-center的可靠部署算法

3.3.1路径可靠性优化

3.3.2优化K-center算法

3.3.3节点映射调整

3.3.4整体算法设计

3.4仿真实验及结果分析

3.5本章小结

第4章 基于主从模式的高可用动态部署算法

4.1问题描述

4.2系统模型

4.3基于主从模式的高可用动态部署算法

4.3.1邻域主控制器选举

4.3.2节点故障恢复

4.3.3网络映射还原

4.3.4整体算法设计

4.4仿真实验及结果分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文