[发明专利]一种分布式软件定义网络及在其中动态控制控制器的方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机网络领域，特别是涉及基于分布式控制器的软件定义网络(Software defined networking，SDN)性能优化方案，即分布式软件定义网络及在其中动态控制控制器的方法。

背景技术

通过四十年的发展，互联网已成为现代社会发展及技术进步的重要基础设施之一。然而，随着互联网规模急剧膨胀，传统互联网架构已经无法满足当前运营商、企业以及用户的需求。当前网络面临着诸多挑战，如安全性、可管理性等：网络接入终端逐渐丰富，网络延迟更加深入，网络安全问题凸显；网络管理主要依靠人工配置，服务质量保证难度提升，网络维护成本急剧增加。诸多问题及新的需求给未来互联网架构提出来更高要求。为了适应未来互联网业务发展需求，在工业界和研究领域，逐渐开始创新思考互联网基本体系结构，采用新设计理念优化未来网络基础架构。

软件定义网络(Software defined networking，SDN)是实现网络虚拟化的重要技术，是未来网络的主流研究方向之一。SDN的核心是使网络软件化并充分开放，从而使得网络能够像软件一样灵活、便捷，从而提高网络的创新能力。SDN技术通过把原有封闭的体系解耦为数据平面、控制平面和应用平面，并为网络提供可编程的接口，从而革命性地改变了现有网络架构。这种新型网络架构具有以下优势：1)网络管控能力得到改善，通过控制器实现网络可视化，用户可以根据需求定制个性化网络；2)网络创新能力得到提升，简化网络设计，可以灵活地添加、删除、改进网络功能，使得网络创新以软件更新的速度进行；3)网络可靠性得到加强，网络设备功能大大简化，复杂的网络控制等功能由软件实现，大幅度降低网络设备故障率，从而提升网络可靠性。

然而，SDN架构带来管理便捷的同时也引入了其他问题，这些问题与其管理集中性和开放性是密不可分的。网络的管理集中性使网络服务访问控制、网络配置、网络安全服务部署等都集中于SDN控制器上，攻击者一旦成功实施了对控制器的攻击，将造成网络服务的大面积破坏，影响到整个网络的性能。在SDN的这种架构下，攻击者的攻击对象变得越来越集中，极大地降低了攻击难度。由此，SDN网络提出了分布式的结构。分布式SDN架构使用数量充裕的控制器来完成对整个网络的控制，以获得更好的网络扩展性和可靠性。

当前主要的分布式SDN系统分为以下两种：

1)“垂直的分布式SDN系统”：这种结构是将网络按照功能划分为不同的区域，每个区域有自己的控制器，这些控制器在功能相同的地方会有相互备份，在这一层上方是一个总的控制器来控制这些区域控制器的行为；

2)“平面的分布式SDN系统”：这种结构将网络按照位置划分为互不重合的部分，每一个部分有自己的控制器，这些控制器可以拥有全局视图，或者拥有局部视图，然后根据传统网络中分布式系统的通信方式进行通信。

在分布式SDN网络中，每一个控制器连接多个交换机，每一个交换机连接多个控制器，其中有且仅有一个控制器作为Master控制器，也就是主控制器，其余的作为Equal控制器或者Slave控制器(相当于备份控制器)。Equal控制器同时接收到交换机的流量，但是对流量不做处理，在实际模型中可以不做考虑。本文中后续的讨论中Equal和Slave控制器当作相同的控制器。控制器的角色可以通过角色转换请求信息来完成角色转换。

由于分布式系统在控制器和交换机之间的连接存在大量的备份连接，这些“富连接”网络拓扑在低负载时的能量使用效率却非常低。这是由于在大部分的时间内，网络的负载都远低于峰值负载，使得网络内存在大量低利用率的控制器。由于当前网络设备和部件的能耗受负载变化的影响较小，它们在低负载与满负载时的能耗基本相近，因此这些空闲和低利用率的网络资源将浪费大量的无效电能。如图1所示，图1中有两个控制器，每一个控制器都连接多个交换机(实线表示Master控制器，虚线表示Equal/Slave控制器，下同)。其中以2号控制器为Master控制器的交换机都同时连接了1号控制器，以1号控制器为备份控制器。当网络负载较小的时候，两个控制器都处于活跃状态，则两个控制器的负载都比较小，消耗能量会比较大，如果考虑将2号控制器的所有交换机转移到1号控制器上，同时将2号控制器休眠，不但集中了网络的流量，还节省了2号控制器消耗的能量。虽然这种弹性的分布式的SDN网络已经被提出，但是并没有具体的控制器选择的实现方案。

发明内容