一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN)是由美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的 以O(shè)penFlow為基礎(chǔ)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN的典型架構(gòu)共分三層，最上層為應(yīng)用層，包括各種 不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用；中間層為控制層，主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備資源的編排，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓 撲和狀態(tài)信息等;最底層為數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。SDN主 要特性為控制平面與數(shù)據(jù)平面分離、集中式網(wǎng)絡(luò)控制、在控制層與數(shù)據(jù)層設(shè)備之間開放網(wǎng) 絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)可由外部程序編程等。
[0003] 在SDN架構(gòu)中，基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)切片能夠有效隔離用戶數(shù)據(jù)流量、區(qū)分 服務(wù)鏈，從而可解決傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)成本高、不夠靈活、QoS難以有效管理等問題。SDN系統(tǒng)架 構(gòu)中，如何實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)切片中，以及網(wǎng)絡(luò)切片的各交換機(jī)之間有效傳輸，以實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)化是亟待解決的問題。
[0004] 文獻(xiàn)[Yang F，Gondi V，Hallstrom J 0，et al.OpenFlow-based load balancing for wireless mesh infrastructure[C]//2014 IEEE 11th Consumer Communications and Networking Conference (CCNC) ,2014:444-449]針對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出一種基 于鏈路質(zhì)量信息的路由選擇方法，即選擇具有最佳鏈路質(zhì)量的傳輸路徑以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸吞 吐量最優(yōu)；文獻(xiàn)[Wang P，Lan J,Chen S.OpenFlow based flow slice load balancing [J] ·Communications,China,2014,11(12): 72-82]提出了一種基于OpenFlow的流切片負(fù)載 均衡算法，通過引入差異化服務(wù)理論將數(shù)據(jù)流進(jìn)行劃分，進(jìn)而針對(duì)不同數(shù)據(jù)流，應(yīng)用不同切 割粒度進(jìn)行切片，各切片根據(jù)鏈路負(fù)載情況進(jìn)行多路并行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)各路的負(fù)載均衡； 文獻(xiàn)[楊琪，一種跨集群負(fù)載均衡的方法及裝置，CN104243337A，2013]提出了一種跨集群負(fù) 載均衡的方法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶對(duì)某集群應(yīng)用服務(wù)的訪問流量過大時(shí)，通過SDN控制平面將用 戶對(duì)該集群的訪問流量負(fù)載迀移至其他集群，以實(shí)現(xiàn)集群之間的負(fù)載均衡。
[0005] 以上文獻(xiàn)已考慮基于SDN的系統(tǒng)架構(gòu)的負(fù)載均衡及路由選擇，但現(xiàn)有研究未綜合 考慮網(wǎng)絡(luò)切片及交換機(jī)負(fù)載狀態(tài)以及用戶QoS需求，本發(fā)明針對(duì)SDN系統(tǒng)架構(gòu)，提出基于網(wǎng) 絡(luò)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)切片方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)高效的負(fù)載均衡策略，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片之間、切片內(nèi)部 的負(fù)載均衡以及用戶QoS性能提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡裝置與方法，該方 法和裝置利用網(wǎng)絡(luò)切片的思想，在切片內(nèi)和切片之間實(shí)現(xiàn)基于負(fù)載均衡的數(shù)據(jù)流切換方 法，解決網(wǎng)絡(luò)中各交換機(jī)負(fù)載不均衡問題，實(shí)現(xiàn)在SDN架構(gòu)中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)負(fù)載情況的 集中感知及控制，從而有效提高用戶的QoS滿意度、降低時(shí)延、提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0008] 一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方法，包括以下步驟:步驟一:根據(jù)業(yè)務(wù)支持能力將核 心網(wǎng)交換機(jī)虛擬化為虛擬交換機(jī);步驟二:基于虛擬交換機(jī)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片；步驟三:收集用 戶業(yè)務(wù)特性信息及網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)信息，評(píng)估數(shù)據(jù)流路由負(fù)載狀態(tài)及切片內(nèi)虛擬交換機(jī)負(fù)載 狀態(tài);步驟四：確定網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)據(jù)流路由切換策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片之間及切片內(nèi)部的負(fù)載均 衡。
[0009] 進(jìn)一步，在步驟三中，根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)切片中虛擬交換機(jī)的負(fù)載信息，評(píng)估虛擬交換機(jī) 及數(shù)據(jù)流路由負(fù)載狀態(tài);若存在虛擬交換機(jī)或數(shù)據(jù)流路由負(fù)載過重，則根據(jù)用戶QoS需求信 息及網(wǎng)絡(luò)切片傳輸信息，確定候選虛擬交換機(jī)及數(shù)據(jù)流路由，進(jìn)而根據(jù)負(fù)載均衡準(zhǔn)則確定 數(shù)據(jù)流切換目標(biāo)虛擬交換機(jī)及虛擬路由。
[0010] 進(jìn)一步，所述的評(píng)估虛擬交換機(jī)及數(shù)據(jù)流路由負(fù)載狀態(tài)，采用以下方法:將周期T 劃分為長(zhǎng)度為T/Μ的Μ個(gè)時(shí)間間隔，第i個(gè)虛擬交換機(jī)在第m個(gè)時(shí)間間隔的負(fù)載率定義為
，1 < i < N，1 < Μ，其中，表示第i個(gè)虛擬交換機(jī)在第m個(gè)時(shí)間間隔已使 用的緩存容量，If表示第i個(gè)虛擬交換機(jī)緩存的總?cè)萘?，N為所述切片中虛擬交換機(jī)的數(shù) 量;周期T內(nèi)虛擬交換機(jī)i的平均負(fù)載率定義，
令3:為虛擬交換機(jī)負(fù)載率門 限值，若石，則說明虛擬交換機(jī)i負(fù)載過重；周期T內(nèi)某虛擬路由平均負(fù)載定義為
^其中，η為所述路由上虛擬交換機(jī)數(shù)量;令如為網(wǎng)絡(luò)切片中數(shù)據(jù)流路由平均負(fù) 載率門限值，若則說明這個(gè)周期該數(shù)據(jù)流路由負(fù)載過重；反之說明該周期內(nèi)數(shù)據(jù) 流路由負(fù)載合理。
[0011] 進(jìn)一步，所述的確定候選虛擬交換機(jī)的方法為：用戶業(yè)務(wù)需求信息包括傳輸速率、 時(shí)延及丟包率，根據(jù)虛擬交換機(jī)是否滿足用戶QoS需求，確定候選切換虛擬交換機(jī)：
[0012] 1)若用戶業(yè)務(wù)具有最小傳輸速率要求，則需比較虛擬交換機(jī)傳輸速率與用戶最低 速率需求，記Ri為虛擬交換機(jī)Si的傳輸速率，R mins用戶的最小速率需求，若Ri 2 Rmin，則虛擬 交換機(jī)Si可作為候選虛擬交換機(jī)；
[0013] 2)若用戶業(yè)務(wù)具有最大時(shí)延需求，則需比較虛擬交換機(jī)的處理時(shí)延是否滿足用戶 的最大時(shí)延需求，記Di為虛擬交換機(jī)Si的處理數(shù)據(jù)包時(shí)延，D max為用戶的最大時(shí)延需求，若Di < Dmax，則虛擬交換WSi可作為候選虛擬交換機(jī)；
[0014] 3)若用戶業(yè)務(wù)具有最大丟包率需求，則需比較虛擬交換機(jī)丟包率是否滿足用戶的 最大丟包率需求，記PLi為虛擬交換機(jī)Si的丟包率，PL max為用戶的最大可容忍丟包率，若PLi < PLmax，則虛擬交換WSi可作為候選虛擬交換機(jī)。
[0015] 進(jìn)一步，所述的確定目標(biāo)虛擬交換機(jī)及虛擬路由的方法具體包括:若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切 片中數(shù)據(jù)流的虛擬路由平均負(fù)載率超過門限值，則在所述切片內(nèi)尋找可用虛擬路由；若存 在滿足用戶QoS需求的多條虛擬路由，則執(zhí)行切片內(nèi)數(shù)據(jù)流切換，選擇當(dāng)前切片平均負(fù)載最 低的虛擬路由為數(shù)據(jù)流切換目標(biāo)路由；若不存在，則在其他切片中尋找是否存在滿足用戶 QoS需求的路由；若存在，則執(zhí)行切片間數(shù)據(jù)流切換，選擇目標(biāo)切片中平均負(fù)載最低的虛擬 路由為數(shù)據(jù)流切換目標(biāo)路由，若不存在，則此次數(shù)據(jù)流切換失敗;若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片中數(shù)據(jù)流 路由平均負(fù)載率低于門限值，但存在某虛擬交換機(jī)平均負(fù)載率高于門限值，則在虛擬路由 上該虛擬交換機(jī)相鄰兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居虛擬交換機(jī)中查詢是否存在滿足用戶QoS需 求的虛擬交換機(jī);若存在，則選擇負(fù)載率最低的虛擬交換機(jī)為切換虛擬交換機(jī)，替代虛擬路 由中原虛擬交換機(jī);若不存在，則執(zhí)行切片間數(shù)據(jù)流切換。
[0016]本發(fā)明還提供了一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡裝置，包括：
[0017] 1)信息收集平臺(tái)：收集來自用戶終端的QoS需求信息及來自網(wǎng)絡(luò)切片中虛擬交換 機(jī)的負(fù)載信息;該平臺(tái)包括用戶需求模塊及網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊，其中，用戶需求模塊接 收來自用戶終端的QoS需求信息；網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊接收網(wǎng)絡(luò)切片中虛擬交換機(jī)的負(fù) 載信息；
[0018] 2)切換策略平臺(tái)：包括網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)評(píng)估模塊及網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡決策模塊，其 中，網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)評(píng)估模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊所收集到的網(wǎng)絡(luò)切片虛擬交換機(jī)負(fù) 載信息，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片及虛擬交換機(jī)負(fù)載狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡決策模塊根據(jù)當(dāng)前用戶 QoS需求及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型，均衡各切片內(nèi)虛擬交換機(jī)及切片間的負(fù)載；
[0019] 3)信息交互平臺(tái)：與用戶終端、SDN數(shù)據(jù)平面及SDN控制器交互，獲取用戶QoS需求 信息及網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載信息，輸入至信息收集平臺(tái)；將切換決策平臺(tái)的均衡決策信息發(fā)送到 控制器，控制器通過南向接口向虛擬交換機(jī)中嵌入相應(yīng)的流表項(xiàng)來達(dá)到負(fù)載均衡。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于:SDN系統(tǒng)架構(gòu)中，集中式的網(wǎng)絡(luò)控制器能夠獲取網(wǎng)絡(luò)的全 局視圖，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行控制管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶數(shù)據(jù)流更為高效、靈活的 管控。本發(fā)明通過采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將核心網(wǎng)交換機(jī)虛擬化為虛擬交換機(jī)，進(jìn)而基于虛 擬交換機(jī)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片，從而可有效隔離用戶數(shù)據(jù)流量、區(qū)分服務(wù)鏈，實(shí)現(xiàn)面向用戶業(yè)務(wù)特 性的傳輸控制;本發(fā)明提出的SDN負(fù)載均衡裝置及方法可有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片之間及切片內(nèi) 部的負(fù)載均衡，從而可有效提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率以及用戶QoS提升，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說明：
[0022] 圖1為本發(fā)明負(fù)載均衡的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性通信系統(tǒng)框圖；
[0024]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡流程圖；
[0025] 圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的切換策略方法的通信示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027] 圖1為本發(fā)明負(fù)載均衡的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明提供的軟件定義網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡 裝置，包括：
[0028] 1)信息收集平臺(tái)：收集來自用戶終端的QoS需求信息及來自網(wǎng)絡(luò)切片中虛擬交換 機(jī)的負(fù)載信息;該平臺(tái)包括用戶需求模塊及網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊，其中，用戶需求模塊接 收來自用戶終端的QoS需求信息；網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊接收網(wǎng)絡(luò)切片中虛擬交換機(jī)的負(fù) 載信息；
[0029] 2)切換策略平臺(tái)：包括網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)評(píng)估模塊及網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡決策模塊，其 中，網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)評(píng)估模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)收集模塊所收集到的網(wǎng)絡(luò)切片虛擬交換機(jī)負(fù) 載信息，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片及虛擬交換機(jī)負(fù)載狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡決策模塊根據(jù)當(dāng)前用戶 QoS需求及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型，均衡各切片內(nèi)虛擬交換機(jī)及切片間的負(fù)載；
[0030] 3)信息交互平臺(tái)：與用戶終端、SDN數(shù)據(jù)平面及SDN控制器交互，獲取用戶QoS需求 信息及網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載信息，輸入至信息收集平臺(tái)；將切換決策平臺(tái)的均衡決策信息發(fā)送到 控制器，控制器通過南向接口向虛擬交換機(jī)中嵌入相應(yīng)的流表項(xiàng)來達(dá)到負(fù)載均衡。
[0031] 圖2所示為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性通信系統(tǒng)框圖。在該通信系統(tǒng)中，SDN控制 層為開源控制器;SDN數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以是任何支持OpenFlow協(xié)議的路由器、交換 機(jī)、虛擬交換機(jī)等；其中，開源控制器包括Floodlight、0penDaylight、N0X/P0X、Ryu、 OpenContrai 1 控制器等。
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)載均衡流程圖，具體包括：
[0033] 步驟30