一種在軟件定義網(wǎng)絡中分配資源的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及軟件定義網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中屯、網(wǎng)絡領(lǐng)域，尤其設及一種基于線性規(guī)劃算法 對網(wǎng)絡流問題進行求解的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 網(wǎng)絡資源(交換設備中央處理單元，內(nèi)存，鏈路等）的合理分配一向是網(wǎng)絡研究領(lǐng) 域中一個重要的課題，隨著云計算技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中屯、網(wǎng)絡的地位日趨重要，數(shù)據(jù)中 屯、網(wǎng)絡中的流量也逐漸成上升趨勢，一些突發(fā)大流量甚至超過了網(wǎng)絡單條鏈路處理能力的 限制，因此合理分配網(wǎng)絡資源，W達到對整體網(wǎng)絡流空間有效處理，但又不會造成鏈路與交 換資源的不均衡利用的目標則尤其重要。
[0003] 在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中交換設備是一個封閉實體，網(wǎng)絡包的處理由各交換設備獨立做出決 定，所有設備之間基本是各自為政的，沒有一個全局的網(wǎng)絡觀，在運種情況下想達到網(wǎng)絡資 源在全網(wǎng)的最優(yōu)分配基本是不可能的。
[0004] 軟件定義網(wǎng)絡的出現(xiàn)從根本上改變了運一現(xiàn)狀，軟件定義網(wǎng)絡的架構(gòu)是網(wǎng)絡的控 制平面（con化〇1 panel)與轉(zhuǎn)發(fā)平面(data panel)完全分離，網(wǎng)絡中有一個處于中屯、的控 制器(controlIer)，可W將用戶定義的高級處理策略(Policy)轉(zhuǎn)換成一條條具體處理規(guī)則 安裝于交換設備上，運樣整個網(wǎng)絡就有一個全局視角，可W達到資源全局最優(yōu)分配的目標。
[0005] 關(guān)于運一課題學術(shù)界已有相關(guān)的研究，"One Big Switch" [Co肥XT'13]，vCRIB [NSDI'13]，0FFICER[Infocom'15]等均是運一領(lǐng)域的研究成果，但是運些研究共同的特點 是均只考慮了交換內(nèi)存不夠運一資源限制，而基本沒有考慮其他諸如CPU運類的資源限制， 而運類資源的限制往往是不容忽視的，尤其在虛擬網(wǎng)絡設備中，例如:vCRIB陽SDI'13]就指 出當化en vSwitch上安裝有2K個規(guī)則(600個為通配符規(guī)則），僅需化/s的網(wǎng)絡流到達速率 就可使CPU的運轉(zhuǎn)率達到100%，運樣看來解決CPU的資源限制甚至比解決內(nèi)存的資源限制 更加重要。
[0006] 〇FFICER[ Inf ocom ' 15 ]雖然提出了一個通用的解決此類問題的優(yōu)化框架，但是由 于其使用得是整型線性規(guī)劃方法，求解空間有限，不適用于大型數(shù)據(jù)中屯、網(wǎng)絡拓撲，提出的 近似算法在流量空間較大的情況下復雜度又過高，另外它考慮得主要也是內(nèi)存的限制。本 發(fā)明在此基礎(chǔ)上進行了改進，提出了一種使用于處理一段時間內(nèi)網(wǎng)絡流量的網(wǎng)絡資源在整 個網(wǎng)絡中得到均衡的分配模型，并用線性規(guī)劃的方法進行求解，運樣的模型可W達到使用 簡單而適合于實際網(wǎng)絡拓撲環(huán)境。
[0007] 專利US20040073673是與本發(fā)明最相近的工作，但是它的目標是網(wǎng)絡應用(Web, MapReduce,化化base)在服務器上的合理分配，主要目的是合理利用服務器資源，而本發(fā)明 的目標是各交換設備協(xié)調(diào)處理網(wǎng)絡流，且本發(fā)明可W應用于任何軟件定義網(wǎng)絡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種在軟件定義網(wǎng)絡中，合理均衡的 分配網(wǎng)絡資源，用W處理一段時間內(nèi)到達的網(wǎng)絡流，使網(wǎng)絡資源的利用達到合理化與最優(yōu) 化的方法。解決了如何充分應用軟件定義網(wǎng)絡的全局觀在全網(wǎng)中合理分配資源的問題。
[0009] 為解決W上問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0010] 將問題建模為多商品流問題，最大化網(wǎng)絡中所有交換設備的剩余處理能力，使用 線性規(guī)劃方法進行求解，求解問題的線性規(guī)劃化inear Programming)解析器集成了當今最 前沿的LP算法技術(shù)，求解速度較快。經(jīng)模型求解出的大部分網(wǎng)絡流都可W做到不經(jīng)拆分，沿 著最短路徑得到處理，對于個別需要拆分流的場景，本發(fā)明基于線性規(guī)劃的結(jié)果提出了近 似算法。
[0011] 該近似算法是對網(wǎng)絡中每一對網(wǎng)絡設備<源站，目標站〉確定一條最短路徑，每一 條路徑做到盡量不相交，即不同的<源站，目標站〉對對應的路徑中盡量沒有相同的交換設 備和鏈路。在得到的最短路徑上再次應用上述線性規(guī)劃模型，確定其各個交換設備上分配 的流量。
[0012] -種在軟件定義網(wǎng)絡中分配資源的方法，其特征在于，包括網(wǎng)絡設備、控制器和交 換設備，包括W下步驟：
[0013] 步驟1，收集全網(wǎng)資源信息：控制器首先與交換設備進行通信，獲取網(wǎng)絡資源總體 情況，包括交換設備的處理能力W及鏈路帶寬信息；
[0014] 步驟2,收集下一時段流量信息:收集用戶請求的流量空間信息；
[001引步驟3,將流量空間信息輸入到線性規(guī)劃模型中進行求解；
[0016] 步驟4,分析結(jié)果:檢查步驟3中的求解結(jié)果是否有拆分流，如果有拆分流的情況， 則執(zhí)行步驟5;如果沒有拆分流的情況，則直接執(zhí)行步驟6;
[0017] 步驟5,調(diào)用近似算法，將拆分的流聚集在單條路徑上；
[0018] 步驟6,調(diào)用控制器的生成規(guī)則模塊生成各交換設備的流處理規(guī)則；
[0019] 步驟7，安裝流處理規(guī)則至交換設備。
[0020] 交換設備是支持化enflow的交換設備，尤其是虛擬交換設備化en vSwitch;分為 入口交換設備、中間交換設備、出口交換設備；網(wǎng)絡設備之間，網(wǎng)絡設備與交換設備之間通 過化enFlow協(xié)議進行通信。
[0021] 線性規(guī)劃模型安裝在控制器上，主要用于對軟件定義網(wǎng)絡中的中央處理器資源分 配情況進行求解。
[0022] 近似算法是對網(wǎng)絡拓撲中每一對網(wǎng)絡設備確定一條最短路徑，每一條路徑盡量不 相交，在得到的最短路徑上再次應用線性規(guī)劃模型，確定其各個交換設備上分配的流量。
[0023] 線性規(guī)劃模型包括：
[0024] 目標函數(shù)：
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[0026] 約束條件：
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[0029] 約束(2)保證網(wǎng)絡流盡量沿著最短路徑在網(wǎng)絡中運行；
[0030] 帶寬約束：
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[0033] 約束(4)保證流經(jīng)鏈路的所有處理和未處理過的流不會超過鏈路的容量限制；
[0034] 流量平衡約束：
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[0037] ifueS6，Pf'（u's) = 0 (6)[003引 ifveS6，Uf,(s,^ = 0(7)
㈱ 巧）
[0041] 約束(5)規(guī)定:進入交換設備S的流應當與流出S的流在數(shù)量上相等；約束(6)規(guī)定 當S是入口交換設備，則流應當全部都是未處理的流;約束(7)規(guī)定當S是出口交換設備，貝U 不應當有沒有處理的流，即所有流出網(wǎng)絡的流應當都是處理過的；
[0042] 約束(8)和(9)規(guī)定:對于同一條流，當其進入某個交換設備S，再從該交換設備S中 流出時，其處理過的部分應當增加或保持不變，而未處理過的部分應當減少或保持不變；
[0043] 交換處理約束：
[0044] Vs E So
[0045] Z fEF 2 vEN-( S )Pf, (S, V)- Z 拒F 2 uEN-( S )Pf, (V, S) ^ Cs-Rs
[0046] (10)
[0047] 約束（10)規(guī)定:對于任意一個交換設備s，它處理的所有流的總和應當小于其總的 處理能力減去該交換設備的一個預留值。
[004引本發(fā)明的主要技術(shù)特征是一、SDN網(wǎng)絡的控制器實時計算最優(yōu)結(jié)果并安裝處理規(guī) 則于交換設備；二、交換設備處理機資源最優(yōu)分配建模;=、各交換設備協(xié)同處理網(wǎng)絡流； 四、線性規(guī)劃算法快速求解;五、近似算法?；静襟E包括:收集網(wǎng)絡流空間集、使用線性規(guī) 劃模型求解、求解結(jié)果分析、分流結(jié)果采用近似算法、安裝結(jié)果規(guī)則至交換設備。
[0049]進一步地，求解線性規(guī)劃模型的LP solver集成了原始對偶單純型算法(primal and dual simplex algorithms )，帶交叉點的并行屏障算法（paral Ie I barrier algorithm with crossover)，并發(fā)優(yōu)化與位移算法（concurrent optimization,and sifting algorithm)
[(K)加]進一步地，所述網(wǎng)絡拓撲既包含數(shù)據(jù)中屯、的化tTree，化2拓撲，也包含各類局域和 廣域網(wǎng)絡的拓撲。
[0051]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果:本發(fā)明采用一個優(yōu)化求解模型，對軟 件定義網(wǎng)絡中的資源，尤其是處理機資源進行合理分配，使其處理各種流量空間時可W達 到全網(wǎng)的負載均衡。本發(fā)明可應用于各種主流的軟件定義網(wǎng)絡控制器，例如：P0X，N0X， 化en化yLight等等，本發(fā)明的技術(shù)方案求解速度快，可W應用于大規(guī)模的實際網(wǎng)絡拓撲。多 數(shù)情況下求解結(jié)果可W直接使用。
[0052] 本發(fā)明具有如下有益效果:一、可W完全復用現(xiàn)有的軟件定義網(wǎng)絡中的所有元素， 對硬件不需要有任何改造，即使是直接實施算法的控制器，也僅需支持可調(diào)用線性規(guī)劃解 析