基于軟件定義網絡的電力云數據中心流量控制技術

鐘 掖 龍玉江 趙威揚 張光益

(貴州電網有限責任公司信息中心,貴州 貴陽550000)

為了滿足數據中心網絡性能的新要求,數據中心網絡架構的研究與應用已成為當前的熱門話題[1-2]。相對于傳統網絡架構,SDN(Software Defined Network,軟件定義網絡)具有明顯優勢,其具備的可編程性、數據轉發和通知分離模式,以及網絡瞬時狀態管理方式,使其在完成分布式控制平面的所有功能的同時,還可以實現網絡瞬態的集中管理[3]。

當前對于數據流量的控制方法已經有相關研究,陽凱等人[4]基于SDN 的OpenFlow協議實現了流量的控制,針對復雜的網絡業務流量也可以靈活且穩定地控制數據流。曾穎等人[5]基于隨機森林和文本挖掘算法實現了對于數據流量的預測和控制,在預測過程中實現了文本特征的提取,有效提升了數據流量控制的穩定性。以上方法雖然在一定程度上提升了流量控制的效率,但未考慮鏈路的負載均衡問題。

基于此,本文提出基于軟件定義網絡的電力云數據中心流量控制技術研究,通過軟件定義網絡路由算法為數據傳輸鏈路的荷載進行均衡,實現流量控制,并通過仿真實驗驗證了所提技術的有效性。

1 軟件定義網絡運行模式

軟件定義網絡通過集中式、可編程的操作方法,與網絡設備的基礎控制層分離,在避免基礎硬件設備對操作任務影響的基礎上,提高了硬件的應用性能[6-7]。在軟件定義網絡構架中,包括控制信息的處理、流表安裝信息的生成和轉發等過程；控制層面到數據層面過程,包括流表的接收和安裝等過程[8-9]。

2 基于軟件定義網絡的流量控制方法

2.1 電力云數據中心建模

在對電力云數據中心流量進行控制之前,首先建立網絡模型。在此條件下,電力云數據中心網絡模型可以表示為:

其中,ti,j表示電力云數據中心節點位置,如果兩節點之間有鏈路連通則對應的元素為1,否則為0。

2.2 流量控制目標函數

對電力云中心流量控制的根本基礎是尋找數據傳遞過程中的最小傳輸延時,這就與傳輸過程中的節點跳數、開銷、帶寬直接相關,那么就可以將目標轉化為找尋鏈路種群中的CBest、HBest和SBest,并以此在鏈路求解空間中引導數據流鏈路解向最優解方向搜索。這直接關系到最優解的好壞和搜索的效率。對于多目標均衡控制問題,由于子目標都是求解最小值,所以目標函數定義如下:

公式(2)中,Cl/m 表示受到擾動的數據個數占之前數據總數的比率,hl/m 表示網絡中的最大鏈路利用率,ε1、ε2、ε3分別為兩個子目標的權值。以此線性加權和作為本文的鏈路負載均衡問題的評價函數,求出多個數據傳輸方案p 中的最優解。

2.3 鏈路負載均衡

在上述電力云數據中心模型基礎上,運用軟件定義網絡路由算法為網絡中所有的流量數據計算工作路由和備用鏈路集,并部署所有的鏈路[10-11]。

流量鏈路均衡問題是基于從每一個多選擇中找到合適的變量,屬于多選項分配問題,因為該問題的目標包含多個子目標,符合多目標均衡控制問題的定義。因此,在本文選用將問題轉化為求解出最小數據擾動率下的負載均衡,以此作為最優選擇[12]。

在電力云數據中心網絡中,數據傳輸鏈路算法中有b 數組和p 數組兩個數據域,分別代表所有位置和當前解的位置,在算法中解為m 維,m 代表已有的數據數量。則最終的荷載均衡結果為:

根據數據傳輸鏈路均衡結果,對現網中的備用鏈路進行全局調整,解的長度和現網數據的個數相同,解對應位置的數值是指相應數據的工作鏈路選取,以此作為控制層面的輸出結果,實現對電力云數據中心的流量控制。

3 試驗

在實驗中,通過調節節點個數改變網絡拓撲的大小。仿真過程中分別設置節點數量為1000 到8000。同時,為提高實驗結果的可靠性,分別采用文獻[4]提出的流量控制方法和文獻[5]提出流量控制方法法作為對比,同時進行試驗。

首先分別采用三種方法對不同拓撲規模下的流量消耗情況進行測試,其結果如圖1 所示。

圖1 流量規模控制結果

通過圖1 可以看出,隨著網絡中用戶規模的增加,本文所提控制技術計算得到的網絡產生的總流量小于文獻[4]方法和文獻[5]方法。實驗證明本文所提控制技術計算得到任務部署方案在減小網絡流量方面優于其他算法。特別是對于大規模網絡有更加明顯的優勢。這主要是因為所提方法通過軟件定義網絡的實現了鏈路荷載均衡,綜合分析了鏈路開銷、跳數以及帶寬,有效降低了數據傳輸的流量開銷。

同時,對不同控制方法的延時情況進行對比,其結果如圖2所示。

圖2 延時控制結果

通過圖2 中可以看出,使用本文所提控制技術計算得到的服務器到用戶端的延時在任何規模的網絡中都比文獻[4]方法和文獻[5]方法得到的延時低。當用戶規模為4000 時,本文所提控制技術計算得到的服務器到用戶延時比文獻[4]方法算法低9.2%,比文獻[5]方法算法低8.59%。當用戶規模為8000 時,本文所提控制技術計算得到的服務器到用戶延時比文獻[4]方法算法低8.47%,比文獻[5]方法算法低3.0%。這主要是因為本文所提技術通過軟件定義網絡實現了數據傳輸鏈路荷載均衡,減少了由于鏈路擁塞造成的延時問題。

4 結論

隨著經濟和技術的不斷發展,對于數據傳輸的要求也將不斷提高。本文提出基于軟件定義網絡的電力云數據中心流量控制技術研究,通過對數據傳輸鏈路進行多方面綜合分析,并利用軟件定義網絡路由算法對傳輸鏈路進行荷載均衡處理,實現了對數據流量的有效控制,在提高數據傳輸效率的同時,降低了網絡延時,值得推廣應用。