網絡通信中的均衡控制器設計與實現

王依凱

摘 要： 基于負載通告的SDN均衡控制器在進行網絡通信控制時容易出現控制器負載過高問題，導致網絡通信傳輸效率低、穩定性差。設計與實現新的網絡通信均衡控制器，其包括應用層、控制層和基礎設施層。控制器功能模塊中的動態更新與均衡模塊采集流組及接口流量，依據流組信息完成信道分配均衡策略；預處理模塊調整信息傳輸的順序，均衡分流模塊對路由器進行處理，對網絡通信中分流實施均衡管理。利用PID算法對控制器軟件進行設計，通過交換機選擇程序解決控制器負載過高的問題。實驗結果證明，所設計控制器下的網絡通信具有傳輸效率高、穩定性強的優勢。

關鍵詞： 網絡通信； 均衡控制器； 信道分配； 均衡策略； 均衡分流； PID算法； 負載

中圖分類號： TN715?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0072?04

Abstract： The problem of overloading of the controller is prone to occur when the SDN equalization controller based on load notification is used for network communication control， resulting in low transmission efficiency and poor stability of network communication. Therefore， a novel network communication equilibrium controller is designed and implemented， which is composed of the application layer， control layer， and infrastructure layer. The dynamic update and balance module in the functional modules of the controller collects flow groups and interface traffic， and accomplishes the channel allocation balance strategy according to the flow group information. The preprocessing module is used to adjust the sequence of information transmission. The balanced shunting module processes the router and implements balanced management of shunts in network communications. The PID algorithm is used to design the software of the controller. The switcher selection program is used to resolve the problem of overloading of the controller. The experimental results show that the network communication controlled by the designed controller has the advantages of high transmission efficiency and strong stability.

Keywords： network communication； equilibrium controller； channel allocation； balance strategy； balanced shunting； PID algorithm； load

由于網絡通信系統中存在大量協議的運行及海量信息的傳遞[1]，所以網絡通信的均衡控制對于提高網絡運行質量十分重要[2]。傳統基于負載通告的SDN均衡控制器，在進行網絡通信控制過程中，利用負載通告的能力使控制器盡快完成均衡決策，但其容易出現控制器負載過高的問題，導致網絡通信傳輸效率低，穩定性差[3]。因此，本文設計并實現新的網絡通信均衡控制器，在有效地進行網絡通信信道分配均衡化的同時，提高網絡通信傳輸效率，降低傳輸誤差。

1 網絡通信中的均衡控制器設計與實現

1.1 控制器整體架構設計

按照分層式構架將本文設計的網絡通信中的均衡控制器分為三部分，分別是：應用層、控制層和基礎設施層，其總體架構如圖1所示。控制器通過北向接口和南向接口分別實現控制層與應用層之間的互通以及控制層與基礎設施層之間的擴散活動。

應用層包含OpenStack信道資源調度平臺。該平臺利用控制層內的北向接口支配基礎設施層內的交換機，完成全部網絡通信中信道資源均衡分配的整體支配[4]。

控制層包含網絡通信控制器的關鍵模塊（控制器）。控制器利用南向接口控制交換機的數據流表生成、資源分配方案規劃以及信息存儲等過程，利用北向接口將信道資源均衡分配給應用層信道資源調度平臺中的使用者，對網絡通信中的信道資源進行均衡化分配。

基礎設施層包含均衡控制器交換機，以控制器反映的流表標準為基礎，實施信道資源組合和匹配[5]，控制資源的擴散活動。

1.2 控制器功能模塊設計

1.2.1 設計預處理模塊

由于網絡通信用戶可能出現較多特殊問題，使得網絡通信信道均衡質量大大降低。因此，有必要對信道分配實施預處理，在預處理過程中調整信息傳輸的順序，對有效信息要優先傳輸，無效信息延后輸出或給予刪除，然后再實施信道均衡分配[6]。

1.2.2 設計均衡分流模塊

1） 對路由器中的初始參數實施設置，用戶對路由器接口地址以及掩碼等參數進行分析，通過動態Hash算法均衡分流方案對路由器流量進行調控。

2） 用戶基于開啟路由器的設置文檔，對不同路由器間的關聯規范實施設置，采用動態Hash算法對路由器流量實施均衡化處理。

3） 均衡分流模塊基于用戶設置時間周期，對網絡通信中的路由器狀態和數據信息進行采集。

4） 均衡分流模塊采用動態Hash算法，對獲取的路由器接口流量信息實施計算以及管理，確保流量滿足不同網絡通信用戶的應用規范[7]。

1.3 控制器運行邏輯設計

本文以OpenFlow協議為基礎設計的網絡通信中的均衡控制器的運行邏輯如圖2所示。

1.4 控制器軟件設計

1.4.1 采用PID算法實現軟件設計

利用A/D轉化器內的PID算法進行本文均衡控制器整體的軟件設計，需先設置以下參數：

PID控制算法通過轉化器內NFC芯片獲取控制器中OpenStack信道資源調度平臺的數據信息，將獲取的數據信息在轉化器內MCGS組態環境下進行處理和變換。OpenStack信道資源調度平臺執行由轉化器內OTP芯片發出的同時連接128個控制點的命令，實現對網絡通信中均衡控制器的控制[8]，最終實現總體網絡通信中均衡控制器軟件設計。

1.4.2 交換機選擇程序的設計

依照信息到達率的高低對控制器控制的交換機進行排序[9]，則有：

式中：[Thrtar]，[Ltar]，[Lmig]分別表示控制器的門限值、控制器的負載值以及遷移給控制器的負載。通過式（3）實現遷移的負載低于控制器負載門限同負載差值的[1α]，解決控制器負載過高的問題。

2 實驗分析

實驗選擇本文設計的網絡通信中的均衡控制器、基于可靠性評估均衡控制器、基于輪轉法均衡控制器進行一系列性能相關的試驗分析。實驗為驗證本文控制器下網絡通信的性能優勢，對3個控制器下的某物流公司網絡信道吞吐量進行對比，對比結果如圖3所示。

分析圖3可得，3個控制器下實驗物流網絡通信信道吞吐量都隨著平均信噪比的增加而提升。平均信噪比較高時，本文控制器下的物流網絡信道吞吐量大幅高于其他兩個控制器，說明本文控制器可實現網絡通信的有效控制，提高網絡通信性能。實驗為驗證本文控制器下網絡通信的信道平均公平性優勢，獲取3個控制器下實驗物流網絡通信的信道平均公平指數，并進行對比，如圖4所示。

分析圖4能夠得到：在平均信噪比為0 dB時，本文控制器下物流網絡的平均公平指數較基于輪轉法控制器下物流網絡高出約0.06；在平均信噪比為30 dB時，本文控制器下物流網絡的平均公平指數較基于可靠性評估控制器下物流網絡高出約0.14，說明本文控制器下物流網絡的信道公平性高于其他物流網絡。

實驗為驗證本文控制器下實驗物流網絡通信的穩定性，對3個控制器下物流網絡的信道平均中斷概率進行比較，圖5為比較結果。

由圖5能夠得到，在信道的平均信噪比小于15 dB的條件下，本文控制器下物流網絡通信的信道平均中斷概率與其他兩個控制器下物流網絡通信差距較小；在信道平均信噪比大于15 dB的條件下，3個控制器下網絡通信的中斷概率均隨著信道平均信噪比的提升而增長，但本文控制器下網絡通信的信道平均中斷概率增長曲線較平緩，并明顯低于另外兩個控制器下的網絡通信，說明本文控制器下的網絡通信具有較好的穩定性。實驗為驗證本文控制器下的網絡通信的時延性，采用3個控制器下的實驗物流網絡通信分別進行100次試驗，記錄不同控制器下物流網絡通信的傳輸時延并進行比較。

表1為不同控制器下物流網絡通信的傳輸時延對比結果。對其進行分析能夠得到，本文控制器下物流網絡通信的傳輸時延波動幅度較小，并且遠遠低于其他兩個控制器下的物流網絡通信，說明本文控制器下的物流網絡通信的傳輸時延較低。

采用3個控制器下的物流網絡通信進行誤差試驗，結果如表2所示。

分析表2可得，與其他兩個控制器下的物流網絡通信過程相比較，本文控制器下的物流網絡通信的平均誤差較小，證明本文控制器下的物流網絡通信準確性較高，可以實現網絡通信中信道均衡的準確分配。

3 結 論

本文設計并實現了新的網絡通信中的均衡化控制器，解決了以往使用基于負載通告的SDN均衡控制器進行網絡通信控制時，存在效率低、穩定性差的缺點。本文控制器能確保網絡通信的正常工作，同時提高了網絡通信中信道資源分配的均衡化，對于提高網絡通信系統的性能具有積極作用，可廣泛應用在通信、醫療、航空等諸多領域。

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