[发明专利]基于多层虚拟拓扑节能的SDN数据中心网络流量调度方法

说明书

基于多层虚拟拓扑节能的SDN数据中心网络流量调度方法。本发明提供了一种节能的多层虚拟子拓扑的流量调度方法，首先建立节能流量调度问题的优化数学模型，使得在能够承载所有网络数据流的前提下，网络能耗最小，然后通过节能的多层虚拟拓扑流量调度算法来求解该数学优化模型，得到数据流的节能调度方案，通过休眠高一层的虚拟拓扑和交换机端口到达节能的目的。此外，该方法能够根据当前链路利用率，动态调整高一层虚拟子拓扑的工作状态，并且能够在开启的子拓扑中找到跳数最少、最大链路利用率最小的路径来路由数据流，从而解决“富连接”数据中心网络在低负载时能源利用率较低的问题。

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，具体是基于多层虚拟拓扑节能的 SDN数据中心网络流量调度算法。

背景技术

随着云计算、物联网和大数据技术的快速发展，数据中心的规模变得越来越大，其能源消耗巨大并且不断增长，极大限制了其运营及发展。据统计，2015年我国数据中心能耗高达1000亿千瓦时，超过我国社会用电量1.5％，相当于整个三峡大坝一年的发电量。随着近期5G通信等技术的快速增长，预计到2020年我国数据中心能耗占比将增长至8％。

数据中心设备包括外围设备和网络设备，数据中心网络的能耗占数据中心的总能耗达到了15％～20％。随着外围设备，例如服务器、存储设备、制冷设备等节能技术的快速发展及部署，网络部分的能耗占比将会变得越来越多。为了保证数据中心的可靠性和可用性，交换机等网络设备几乎永不关机，不论数据中心网络负载量大小，均以接近100％的功率持续运行。

为了提高数据中心网络可靠性和网络容量，人们提出了许多“富连接”的数据中心网络架构，如Fat-Tree、Monsoon、BCube、Helios 等。其中，Fat-Tree结构简单，对分带宽大，并且可提供服务器之间的多条等价路由，成为热门候选。但是，相对于传统数据中心，这种结构引入较多的交换机，进一步增加了网络的能耗。当今的数据中心网络多采用等价多路径(Equal-CostMulti path，ECMP)路由算法对数据流进行调度。在Fat-Tree型数据中心网络中，到达任意一个目的服务器结点存在多条等价路径，ECMP算法利用静态哈希函数从中选择一条路径来路由数据流。由此实现负载均衡。但是，ECMP未考虑网络的能耗问题。

在Fat-Tree型数据中心网络中，当网络流量负载较低时，可以通过节能流量调度方法和休眠空闲的交换机设备降低网络能耗，提高能源利用率。这种方法的基本思想就是利用部分交换机设备及端口承载当前的数据流，同时休眠空闲的网络交换机及端口，从而实现降低网络的总能耗。为此，要求能够对数据中心网络进行全局监控和对资源的统一管理调度，并且需要交换机具有较强的计算能力，以及方便可行的状态转换(开启/休眠)能力。但是，传统的数据中心网络中，交换机的路由转发表都是采用分布式的方法，独立地进行计算。

软件定义网络(Software DefinedNetworking，SDN)作为一种新型的网络架构，为实现数据中心网络的节能流量调度提供了新的平台。 SDN实现了网络交换设备控制平面和数据转发平面的分离，形成了逻辑上统一的控制器，实现对网络通信流量和网络资源的集中调度和管理。在SDN数据中心网络中，可以方便的实现交换设备及其端口的休眠或开启。

SDN技术使得数据中心网络的计算能力大大提高，能够对网络资源，例如交换机、端口等进行细粒度化管理，并且较易实现休眠或唤醒设备。由此，基于SDN的数据中心网络节能问题成为了当下的一个研究热点。

Heller等人提出了弹性树(ElasticTree)机制实现数据中心网络节能，提供网络的可扩展性。该机制根据网络通信负载的大小，动态调整交换机和链路的活跃状态。实验结果表明，该方法在保证能承载激增的通信数据量的同时，可以节省高达50％的网络能耗。