一種軟件定義網(wǎng)絡負載均衡裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信技術領域，涉及一種軟件定義網(wǎng)絡負載均衡裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Networking，SDN)是由美國斯坦福大學提出的 以OpenFlow為基礎的新型網(wǎng)絡架構。SDN的典型架構共分三層，最上層為應用層，包括各種 不同的業(yè)務和應用；中間層為控制層，主要負責處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設備資源的編排，維護網(wǎng)絡拓 撲和狀態(tài)信息等;最底層為數(shù)據(jù)層，主要負責基于流表的數(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)絡控制、在控制層與數(shù)據(jù)層設備之間開放網(wǎng) 絡接口、網(wǎng)絡可由外部程序編程等。
[0003] 在SDN架構中，基于網(wǎng)絡虛擬化技術的網(wǎng)絡切片能夠有效隔離用戶數(shù)據(jù)流量、區(qū)分 服務鏈，從而可解決傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡成本高、不夠靈活、QoS難以有效管理等問題。SDN系統(tǒng)架 構中，如何實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡切片中，以及網(wǎng)絡切片的各交換機之間有效傳輸，以實現(xiàn) 數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)化是亟待解決的問題。
[0004] 文獻[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]針對無線Mesh網(wǎng)絡架構，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)量的傳輸路徑以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸吞 吐量最優(yōu)；文獻[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的流切片負載 均衡算法，通過引入差異化服務理論將數(shù)據(jù)流進行劃分，進而針對不同數(shù)據(jù)流，應用不同切 割粒度進行切片，各切片根據(jù)鏈路負載情況進行多路并行傳輸，從而實現(xiàn)各路的負載均衡； 文獻[楊琪，一種跨集群負載均衡的方法及裝置，CN104243337A，2013]提出了一種跨集群負 載均衡的方法，當網(wǎng)絡中用戶對某集群應用服務的訪問流量過大時，通過SDN控制平面將用 戶對該集群的訪問流量負載迀移至其他集群，以實現(xiàn)集群之間的負載均衡。
[0005] 以上文獻已考慮基于SDN的系統(tǒng)架構的負載均衡及路由選擇，但現(xiàn)有研究未綜合 考慮網(wǎng)絡切片及交換機負載狀態(tài)以及用戶QoS需求，本發(fā)明針對SDN系統(tǒng)架構，提出基于網(wǎng) 絡虛擬化的網(wǎng)絡切片方法，進而設計高效的負載均衡策略，以實現(xiàn)網(wǎng)絡切片之間、切片內(nèi)部 的負載均衡以及用戶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)絡負載均衡裝置與方法，該方 法和裝置利用網(wǎng)絡切片的思想，在切片內(nèi)和切片之間實現(xiàn)基于負載均衡的數(shù)據(jù)流切換方 法，解決網(wǎng)絡中各交換機負載不均衡問題，實現(xiàn)在SDN架構中，對網(wǎng)絡中交換機負載情況的 集中感知及控制，從而有效提高用戶的QoS滿意度、降低時延、提升網(wǎng)絡穩(wěn)定性。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0008] 一種軟件定義網(wǎng)絡負載均衡方法，包括以下步驟:步驟一:根據(jù)業(yè)務支持能力將核 心網(wǎng)交換機虛擬化為虛擬交換機;步驟二:基于虛擬交換機構建網(wǎng)絡切片；步驟三:收集用 戶業(yè)務特性信息及網(wǎng)絡切片狀態(tài)信息，評估數(shù)據(jù)流路由負載狀態(tài)及切片內(nèi)虛擬交換機負載 狀態(tài);步驟四：確定網(wǎng)絡切片數(shù)據(jù)流路由切換策略，實現(xiàn)網(wǎng)絡切片之間及切片內(nèi)部的負載均 衡。
[0009] 進一步，在步驟三中，根據(jù)各網(wǎng)絡切片中虛擬交換機的負載信息，評估虛擬交換機 及數(shù)據(jù)流路由負載狀態(tài);若存在虛擬交換機或數(shù)據(jù)流路由負載過重，則根據(jù)用戶QoS需求信 息及網(wǎng)絡切片傳輸信息，確定候選虛擬交換機及數(shù)據(jù)流路由，進而根據(jù)負載均衡準則確定 數(shù)據(jù)流切換目標虛擬交換機及虛擬路由。
[0010] 進一步，所述的評估虛擬交換機及數(shù)據(jù)流路由負載狀態(tài)，采用以下方法:將周期T 劃分為長度為T/Μ的Μ個時間間隔，第i個虛擬交換機在第m個時間間隔的負載率定義為
，1 < i < N，1 < Μ，其中，表示第i個虛擬交換機在第m個時間間隔已使 用的緩存容量，If表示第i個虛擬交換機緩存的總容量，N為所述切片中虛擬交換機的數(shù) 量;周期T內(nèi)虛擬交換機i的平均負載率定義，
令3:為虛擬交換機負載率門 限值，若石，則說明虛擬交換機i負載過重；周期T內(nèi)某虛擬路由平均負載定義為
^其中，η為所述路由上虛擬交換機數(shù)量;令如為網(wǎng)絡切片中數(shù)據(jù)流路由平均負 載率門限值，若則說明這個周期該數(shù)據(jù)流路由負載過重；反之說明該周期內(nèi)數(shù)據(jù) 流路由負載合理。
[0011] 進一步，所述的確定候選虛擬交換機的方法為：用戶業(yè)務需求信息包括傳輸速率、 時延及丟包率，根據(jù)虛擬交換機是否滿足用戶QoS需求，確定候選切換虛擬交換機：
[0012] 1)若用戶業(yè)務具有最小傳輸速率要求，則需比較虛擬交換機傳輸速率與用戶最低 速率需求，記Ri為虛擬交換機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Si可作為候選虛擬交換機；
[0013] 2)若用戶業(yè)務具有最大時延需求，則需比較虛擬交換機的處理時延是否滿足用戶 的最大時延需求，記Di為虛擬交換機Si的處理數(shù)據(jù)包時延，D max為用戶的最大時延需求，若Di < Dmax，則虛擬交換WSi可作為候選虛擬交換機；
[0014] 3)若用戶業(yè)務具有最大丟包率需求，則需比較虛擬交換機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。
[0015] 進一步，所述的確定目標虛擬交換機及虛擬路由的方法具體包括:若當前網(wǎng)絡切 片中數(shù)據(jù)流的虛擬路由平均負載率超過門限值，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，選擇當前切片平均負載最 低的虛擬路由為數(shù)據(jù)流切換目標路由；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，選擇目標切片中平均負載最低的虛擬 路由為數(shù)據(jù)流切換目標路由，若不存在，則此次數(shù)據(jù)流切換失敗;若當前網(wǎng)絡切片中數(shù)據(jù)流 路由平均負載率低于門限值，但存在某虛擬交換機平均負載率高于門限值，則在虛擬路由 上該虛擬交換機相鄰兩跳鄰居節(jié)點的一跳鄰居虛擬交換機中查詢是否存在滿足用戶QoS需 求的虛擬交換機;若存在，則選擇負載率最低的虛擬交換機為切換虛擬交換機，替代虛擬路 由中原虛擬交換機;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)絡負載均衡裝置，包括：
[0017] 1)信息收集平臺：收集來自用戶終端的QoS需求信息及來自網(wǎng)絡切片中虛擬交換 機的負載信息;該平臺包括用戶需求模塊及網(wǎng)絡切片狀態(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)絡切片狀態(tài)收集模塊接收網(wǎng)絡切片中虛擬交換機的負 載信息；
[0018] 2)切換策略平臺：包括網(wǎng)絡切片狀態(tài)評估模塊及網(wǎng)絡切片負載均衡決策模塊，其 中，網(wǎng)絡切片狀態(tài)評估模塊根據(jù)網(wǎng)絡切片狀態(tài)收集模塊所收集到的網(wǎng)絡切片虛擬交換機負 載信息，評估網(wǎng)絡切片及虛擬交換機負載狀態(tài)；網(wǎng)絡切片負載均衡決策模塊根據(jù)當前用戶 QoS需求及網(wǎng)絡狀態(tài)模型，均衡各切片內(nèi)虛擬交換機及切片間的負載；
[0019] 3)信息交互平臺：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)絡切片負載信息，輸入至信息收集平臺；將切換決策平臺的均衡決策信息發(fā)送到 控制器，控制器通過南向接口向虛擬交換機中嵌入相應的流表項來達到負載均衡。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于:SDN系統(tǒng)架構中，集中式的網(wǎng)絡控制器能夠獲取網(wǎng)絡的全 局視圖，通過對網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設備進行控制管理，可實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)流更為高效、靈活的 管控。本發(fā)明通過采用網(wǎng)絡虛擬化技術，將核心網(wǎng)交換機虛擬化為虛擬交換機，進而基于虛 擬交換機構建網(wǎng)絡切片，從而可有效隔離用戶數(shù)據(jù)流量、區(qū)分服務鏈，實現(xiàn)面向用戶業(yè)務特 性的傳輸控制;本發(fā)明提出的SDN負載均衡裝置及方法可有效實現(xiàn)網(wǎng)絡切片之間及切片內(nèi) 部的負載均衡，從而可有效提升網(wǎng)絡設備利用率以及用戶QoS提升，具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行 說明：
[0022] 圖1為本發(fā)明負載均衡的裝置結構示意圖；
[0023] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性通信系統(tǒng)框圖；
[0024]圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡切片負載均衡流程圖；
[0025] 圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的切換策略方法的通信示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0027] 圖1為本發(fā)明負載均衡的裝置結構示意圖，本發(fā)明提供的軟件定義網(wǎng)絡負載均衡 裝置，包括：
[0028] 1)信息收集平臺：收集來自用戶終端的QoS需求信息及來自網(wǎng)絡切片中虛擬交換 機的負載信息;該平臺包括用戶需求模塊及網(wǎng)絡切片狀態(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)絡切片狀態(tài)收集模塊接收網(wǎng)絡切片中虛擬交換機的負 載信息；
[0029] 2)切換策略平臺：包括網(wǎng)絡切片狀態(tài)評估模塊及網(wǎng)絡切片負載均衡決策模塊，其 中，網(wǎng)絡切片狀態(tài)評估模塊根據(jù)網(wǎng)絡切片狀態(tài)收集模塊所收集到的網(wǎng)絡切片虛擬交換機負 載信息，評估網(wǎng)絡切片及虛擬交換機負載狀態(tài)；網(wǎng)絡切片負載均衡決策模塊根據(jù)當前用戶 QoS需求及網(wǎng)絡狀態(tài)模型，均衡各切片內(nèi)虛擬交換機及切片間的負載；
[0030] 3)信息交互平臺：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)絡切片負載信息，輸入至信息收集平臺；將切換決策平臺的均衡決策信息發(fā)送到 控制器，控制器通過南向接口向虛擬交換機中嵌入相應的流表項來達到負載均衡。
[0031] 圖2所示為根據(jù)本發(fā)明實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)設備可以是任何支持OpenFlow協(xié)議的路由器、交換 機、虛擬交換機等；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)明實施例中網(wǎng)絡切片負載均衡流程圖，具體包括：
[0033] 步驟30