基于SDN的多控制器協同管理平臺的設計

張 寧，李偉良，李濟偉，高金京，雷學義，宋桂林（國家電網有限公司 信息通信分公司，北京 100032）

0 引 言

隨著云計算的不斷發展，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術得到廣泛應用，尤其是華為、中國移動等公司的 SDN產品已經廣泛應用于電信網絡。SDN系統具有靈活高效、擴展性強、可重構、高可靠、低時延等特點，然而由于各個廠家網絡設備的硬件不同，對 SDN系統中控制器管理方式的依賴程度不同，導致多個控制器同時進行用戶請求路由和用戶認證工作。為提高業務網絡性能和可擴展性，需要通過不同設備對業務網絡進行負載均衡，但目前市場上提供復雜算法和接口協議的SDN設備具有部署復雜且成本高、維護困難等特點。因此，本文基于SDN方案，并結合現有網絡架構資源與控制資源構建統一的網絡架構來解決上述問題。

1 多控制器管理技術與分布式負載均衡技術融合度研究

多控制器管理技術是一種新的網絡控制技術。通過增加應用層與控制器的通信，使其能夠提供新的功能。在設計 SDN時所考慮的因素是如何優化控制系統中的每一個控制器，讓其有自己的特性。多控制器管理技術與分布式負載均衡技術作為新出現的技術已廣泛應用于多種網絡應用系統中，且兩者的融合度較高。本文通過多控制器管理技術和分布式負載均衡技術在網絡中協同管理算法與接口協議設計實現 SDN內不同應用平臺之間的無縫切換機制，使分布式負載均衡與多控制器管理技術能夠實現網絡性能和業務功能提升，優化網絡部署。

1.1 SDN控制器設計考慮因素分析

SDN主要通過控制層（Software）控制 SDN系統的動態擴展和動態控制，Software一般由用戶層（Transactions）、緩沖區（Depth）和控制器組成。這些控制器對實現不同業務應用之間無縫連接、性能優化等具有重要作用，但是 SDN中缺乏對控制器之間的調度能力，需要進行合理有效分配資源才能實現靈活調度。通過對一組控制器的運行情況進行跟蹤分析，可發現存在對多個控制器進行優化配置后再對同一應用實施控制的問題。本文所設計的方案就考慮了如何將多個控制器之間按照一定比例分配給同一Software，從而實現業務流量的靈活調配和數據流的實時分析控制。在設計 SDN時必須充分考慮以上因素，以便能夠實現靈活調度和性能提升，充分利用各控制器之間的業務互連功能進行網絡性能調度以及對各個應用實施協同管理[1]。

1.2 多控制器管理技術與分布式負載均衡技術的協同管理算法探討

在多控制器管理技術與分布式負載均衡技術之間的協同管理算法中，其核心問題是如何處理不同工作流程中各自需要處理的工作過程，如何在不影響2種技術各自發揮作用的基礎上實現異構任務調度資源，從而提高2種技術的融合度。其協同管理算法研究工作可歸納為以下幾點：首先，對多控制器管理技術和分布式負載均衡技術的工作流程進行分析，確定二者在不同工作流程中發揮作用時需要注意的問題和處理方法；其次，從兩種技術中選擇最優的策略來協同決策問題得到最終解決方案[2]；再次，將各工作流程所需資源與協同管理算法相結合進行協同策略分配；最后，實現該架構下性能控制與策略分配相結合，以提高不同技術指標之間的互聯互通性和可用性。

1.3 平臺設計優化

本文在實現多控制器管理技術與分布式負載均衡技術的融合后，針對部分設備優化性能及負載均衡性進行優化。通過對現有負載均衡服務器進行優化，解決了現有的負載均衡技術平臺中設備性能不足、穩定性差及資源利用率低等問題。目前，SDN中應用設備多，需要更多支持復雜負載均衡。傳統的多控制器管理技術與分布式負載均衡技術主要以控制面板方式進行交互，對用戶訪問 SDN服務器的響應速度有一定要求。在新的智能管理平臺上，應用控制器能夠根據客戶服務級別提供個性化訪問方式，且實現了靈活的系統配置和功能擴展，在不同程度上滿足了客戶的需求差異化。本文利用多控制器管理技術和分布式負載均衡技術進行協同管理平臺設計優化后，獲得的整體性能提升效果明顯[3]。

2 基于SDN的多控制器協同管理平臺設計與實現

隨著SDN配置管理技術的不斷發展，不但可以有效改善使用者在進行互動時的網絡管理與利用，同時也能應付愈演愈烈的網絡規模與組態。根據 SDN的體系結構，提出了基于 SDN的多個控制器協作管理系統的3個層次結構。在用戶界面中，用戶管理、多控制器管理、SDN設備管理、拓撲管理、負荷平衡管理等多個方面都是面向用戶可視化的應用程序編程 接 口（Application Programming Interface，API）[4]。該系統以 RYU為核心，采用了開關管理模塊、本地內存存儲模塊、設備管理模塊以及拓撲管理模塊來實現對系統的二次開發。在控制級，以SDN體系結構為核心，負責對全網的服務需求進行管理，包括網絡拓撲發現、負載均衡、流表分發、鏈路發現等，提供了底層數據包轉發、數據集管理等底層功能，為 SDN系統的應用提供了依據。在基本傳輸層次，SDN體系結構的執行人員負責執行控制器發布的命令，并按照SDN開關的不同端口對業務進行處理和轉發。

在此提出了一種基于多個控制器的協作體系結構，它由一個 Intergroup集合模塊和一個 Intergroup Management Module組成，對其進行了有效的管理，并使用了一個界面協議對底層控制器群進行了管理。該控制器采用 Zookeeper集成的數據存貯器，實現了對多個控制器的連續數據讀取和寫入。在控制器與 SDN交換器進行數據交互時，采用OpenFlow技術進行通信，生成了相應的參數，如流程表的組態等，并將其保存在 Zookeeper中，多個控制器都可以從Zookeeper中讀出一個完整的 Zookeeper，從而為多控制器協作管理系統的拓撲查找、負荷平衡等模塊提供支持。在這種結構下，多控制器的維護是因為在數據轉發層SDN開關與控制器群中不同的控制器結點相連，因此通過 OpenFlow將各控制器向各控制器提交的信息進行統一計劃，最后得到所有控制器的報告[5]。但是，如果一個控制器的節點出現了問題，那么它就可以利用 Zookeeper的選舉機制來進行主控制器的選取，從而確保在移植之后新移植的控制器與之前控制程序的內容一樣[6]。

2.1 平臺數據庫設計

該系統包括用戶的系統用戶表、角色表、權限關系表以及系統權限欄目表。多控制器組表、控制器表、控制器組、控制器組之間的關聯表包括控制器IP、控制器類型、南向接口、北向接口、控制器 ID、控制器名稱、控制器組以及控制器關聯ID[7]。交換機管理模組的交換機設備表、交換機設備型號表包括交換機ID、交換機DPID、管理IP、交換機名、交換機地址、交換機用戶名、交換機密碼、交換機模式、制造商名稱以及制造商型號等。

2.2 負載均衡模塊設計與實現

負載平衡部分包括實時狀態顯示和負載平衡算法轉換兩部分，本文通過多個負載平衡實例來說明上述的性能。例如，在控制器負載平衡實時狀態顯示函數的實施中，實時控制器組，控制器名稱，控制器IP，控制器交換機列表，控制器負載指數，在線狀態和控制器北向端口和南向端口的配合，可令使用者能夠更加方便和直接地獲得控制器的負載狀態。

2.3 SDN 設備管理模塊的設計與實現

SDN裝置管理模塊的過程見圖1，系統管理員在網頁上執行運行要求，以查看或升級 SDN開關的消息，首先由 CheckSwitchOnlineJob時間任務觸發，并調用 CheckSwitchOnlineUtil，使用 CheckSwitchOnlineUtil類來完成 SDN交換。完成 SDN交換聯機檢驗之后SwitchController會收到一個瀏覽或升級的請求，并呼叫 SwitchService界面類來進行處理，接著SwitchService接口類收到一個瀏覽或升級的用戶要求，并調用 SwitchServiceImpl執行程序，接著界面實施 SwitchServiceImpl執行類接收一個瀏覽請求和一個更新的請求，執行一個邏輯數據的過程[8]。

圖1 SDN裝置管理模塊的過程

3 仿真結果分析

平臺可以針對每個控制器進行操作，也可以只對特定控制器進行操作，根據業務指標對多個網絡節點進行統一控制，實現了網絡之間的業務互聯，提高了網絡運行效率，并能快速發現網絡隱患[9]。同時該平臺能將不同類型網絡資源按照故障等級進行分類，通過統一存儲和訪問策略進行統一調度。將各控制器按照用戶權限進行有序配置之后，即可對其進行統一管理，實時監控和反饋當前網絡運行情況及故障情況。通過實時反饋能夠發現并預警當前的網絡性能下降等異常現象。針對當前故障狀態可對平臺上的資源進行合理分配和統一調度，避免局部節點影響系統的正常運行；針對網絡異常運行狀況可提前發現并提醒用戶進行故障處理，減少設備故障對業務帶來損害。該平臺能及時、準確地發現問題，并在第一時間對故障進行處理[10]。

4 結 論

基于 SDN的多控制器協同管理平臺具有系統容量大、成本低、響應速度快等優點，能夠自動發現并進行異常告警工作，從而提高網絡響應速度。通過仿真實驗驗證該方案的可行性和有效性，并且在一定程度上提高了系統應用效率，提高了網絡資源使用效率。同時作為用戶也能夠隨時查看平臺上已發布的消息，實時掌控系統運行狀況及業務數據情況。當發生故障時能夠實現快速響應和自動定位，實現了對網絡的集中控制、統一調度以及自動故障處理等工作，同時能夠與現有資源進行有效整合。由于控制節點使用多個控制器組成網狀網絡，形成一個統一管理平臺，因此本多控制器協同管理平臺可以為各通信運營商提供統一的控制能力和資源配置平臺，使其具備靈活應用、統一維護與優化以及統一協調調度的能力要求。因此也可以有效提升企業通信網絡的能力與效率，為企業提供更加高效、穩定的信息化服務，從而獲得更大效益。