软件定义网络（SDN）实战教程课件

SDN在园区网的应用第8章8SDN在园区网的应用园区网是企业或机构内部的专用网络，主要目的是提供稳定可靠的网络环境以支持业务运作。园区网按规模分为大型、中型和小型，其中中小型园区网可能被归为一类。园区网通常指地理集中的内部网络，不包括分支机构，是企业或机构使用的私有网络。园区网的路由器通过建立邻居关系和同步链路状态信息，进行最短路径计算并生成路由表，以指导硬件的高速转发。8.1软件定义的园区网技术8.2基于SDN的工业互联网设计8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡3.2.1传统园区网面临的挑战3.2.2智慧园区网中SDN技术的应用场景8.1软件定义的园区网技术8.1.1传统园区网面临的挑战传统园区网面临的挑战变换的流量模式IT消费化云服务的兴起大数据意味着更高带宽8.1.2智慧园区网中SDN技术的应用场景场景一，园区网络虚拟化的需求。场景二，园区各种应用数据流智能感知。场景三，园区内的BYOD（BringYourOwnDevice）和无缝移动应用。场景四，基于视频通信与协作应用。场景五，园区通信的安全和策略增强。8.2.1工业互联网系统软件结构设计8.2.2基于SDN的工业互联网系统软件结构8.2.3面向SDN交换机的南向接口8.2.4

逻辑网管理模块8.2.5 标签管理模块8.2OpenFlow交换机模型8.2.1工业互联网系统软件结构设计工业互联网络层中控制面的SDN控制器通过南向接口操控数据面由各类路由交换设备组成的Underlay网络，根据上层工业云平台的需求生成Overlay网络（即逻辑网）。基于SDN的工业互联网络透视图网络子层由南向接口代理、多协议标签转发、IP路由转发、网络虚拟化这四个功能或模块组成。

控制子层自顶而下又分为北向接口服务、实时传输服务、服务质量映射、流量工程管理、逻辑网络管理、标签管理、IP路由管理和南向接口主控模块。8.2.2基于SDN的工业互联网系统软件结构基于SDN的工业互联网系统软件结构Netconf协议框架

网络规模的增长和结构的复杂化带来了管理上的挑战。OpenFlow由于其固定的体系架构和缺乏统一标准，难以应对异构网络环境。而NETCONF利用现有设备模块，降低了开发成本并支持新特性。它提供了比SNMP更强的配置能力，同时比OpenFlow更易于实现，解决了设备配置问题。NETCONF还允许设备通过API与应用程序交互，简化了SDN的推广和应用。8.2.3面向SDN交换机的南向接口8.2.3面向SDN交换机的南向接口NETCONF协议采用了和ISO/OSI相似的分层结构，它分成了四层，如下表所示，分别是安全传输层、消息层、操作层和内容层。层面实例说明安全传输层BEEPSSHSSL传输层为客户端和服务器端之间的交互提供通信路径;NETCONF可以使用任何符合要求的传输层协议承载。消息层<rpc><rpc-reply><notification>RPC层提供了简单、不依赖于传输协议的RPC请求和响应机制。客户端采用<rpc>元素封装操作请求信息，并将请求通过安全、面向连接的会话发送给服务器，而服务器将采用<rpc-reply>元素封装RPC请求的响应信息（即操作层和内容层的内容)，然后将此响应信息发送给请求者。操作层<get-config>操作层定义了一系列在RPC中应用的基本操作,这些操作组成了NETCONF基本能力内容层配置数据内容层描述了网络管理所涉及的配置数据，而这些数据依赖于各制造商设备。

控制面中的逻辑网本质上是一种Overlay，由逻辑链路和逻辑节点组成。逻辑链路基于VXLAN隧道实现，逻辑节点基于VPN实例实现。8.2.4逻辑网管理模块基于VPN实例的逻辑网节点：虚拟专用网（VirtualPrivateNetwork，VPN）意为虚拟的私有网络，能够为大型的私网用户提供跨越公网的灵活组网，具有非常好的网络私密性和隔离性。基于VXLAN隧道的逻辑网链路：VXLAN技术原理是建立了一个UDP格式的隧道，先将数据包封装在UDP中，再把物理网络的IP和MAC地址封装成外部包头，对于网络来说只能看到封装后的参数，原始的数据报文内容作为净荷在隧道里传输，这样可以有效地解决MAC地址数量有限的问题。8.2.5标签管理模块

多协议标签交换（MultiprotocolLabelSwitch，MPLS）是一种基于标签交换的快速包交换方式。MPLS在数据转发过程中，并不需要查找路由表，而是通过简短的标签作为转发依据。由于标签的分配是动态可回收的，因此标签转发表相较于IP路由表规模大大缩小，查表过程也大大加速。8.3.1负载信息感知和状态判定8.3.2基于负载感知的负载均衡算法8.3.3分布式控制器负载均衡模型的运行流程描述8.3.4仿真实验与分析8.3.5 总结8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡SDN网络虽然可以通过单个控制器动态配置和管理网络，但是随着网络规模迅速扩大，使用单个控制器可能存在一些问题。为了解决SDN单一控制器存在的问题，研究者已经提出分布式控制器解决方案。分布式控制器的原理是多个控制器协同工作，共同管理SDN网络。根据控制器之间组织方式的不同，分布式控制器可以分为完全分布式控制器、分层式控制器、负载均衡式控制器三种组织架构。8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡完全分布式控制器架构：在这种多控制器架构中，交换机根据某种规则（如就近原则等）连接到不同的控制器上，每个控制器的处理性能相同，并且能够独立管理与之连接的交换机。完全分布式控制器架构8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡分层式控制器架构：在分层式控制器架构中，交换机同样采用某种规则连接到从控制器上，所有的从控制器都需要连接到主控制器上。分层式控制器架构8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡分层式控制器架构：在分层式控制器架构中，交换机同样采用某种规则连接到从控制器上，所有的从控制器都需要连接到主控制器上。分层式控制器架构8.3基于负载感知的分布式控制器负载均衡

本节提出的分布式控制器负载均衡模型采用完全分布式控制器架构，每个控制器具有相同的处理性能，并都具有负载均衡功能。在该模型中，交换机将与多个控制器建立安全连接，在一个时刻可能被多个控制器同时管理控制，控制器之间共享全局网络视图，对整个网络进行协同管理。基于负载感知的分布式控制器负载均衡模型8.3.1负载信息感知和状态判定为使控制器能够实时感知自己的负载信息，需要统计交换机对间的流请求信息数目，因此每个控制器需要维护各自的流请求信息矩阵

8.3.1负载信息感知和状态判定当交换机收到一个数据包时，将与交换机中的流表进行匹配，如果匹配成功，则按照流表中的行为处理；否则，交换机向控制器发送流请求信息，即PACKET_IN消息，控制器根据PACKET_IN消息中附带的数据包源目的地址以及端口号可以知道该数据包的源、目的交换机，从而更新流请求信息矩阵中的相应元素，同时制定转发规则并下发给沿路的交换机。在实际应用场景中，我们采用指数加权平均法对控制器接收的交换机对间的流请求信息进行平滑处理。

8.3.1负载信息感知和状态判定

系统负载均衡开销Cost=count

8.3.1负载信息感知和状态判定

系统负载均衡开销Cost=count

8.3.1负载信息感知和状态判定

系统负载均衡开销Cost=count

8.3.2基于负载感知的负载均衡算法

本节提出的基于负载感知的负载均衡算法主要思路是将过载控制器上部分流请求信息分配给流请求偏离均值数小且传播时延也较小的空闲控制器，使系统负载情况得到快速改善，降低负载均衡的代价。

当控制器感知到自身过载时，过载控制器将执行负载均衡算法，其执行过程主要分为三个步骤，分别是:(1)确定合适的流请求信息分配策略;(2)选取合适的目标控制器以及;(3)更新FRDM表和流请求信息矩阵;8.3.2基于负载感知的负载均衡算法

1.流请求信息分配策略

在执行负载均衡算法时，我们首先需要确定流请求信息分配策略，即过载控制器应该将哪些交换机对间的流请求信息分配给其他控制器。假设过载控制器为Ck，其中1≤k≤M，则过载控制器的流请求偏离均值数为ΓCk。首先，控制器根据流请求信息矩阵确定其管控的交换机对集合SPCk，并按照交换机对间的流请求信息qCk(i,j)进行降序排序，得到交换机对序列SPL。然后，初始选择最大的流请求信息qCk(i,j)作为分配对象，若找到目标控制器，则下发流请求分配规则到相应的交换机，并通过公式检查过载控制器分配流请求信息后是否处于负载正常状态，若公式(8.5)成立，则过载控制器处于负载正常状态，算法停止；否则继续遍历SPL，直到过载控制器负载正常。

8.3.2基于负载感知的负载均衡算法2.目标控制器选取策略

在执行负载均衡算法时，系统负载均衡度是衡量整个分布式控制器系统的负载均衡程度的指标，即在选择目标控制器时，需要保证分配流请求信息后系统负载均衡度最大。由此可知，本节要解决的问题是一个多目标优化问题，多目标优化问题又叫作多标准优化问题，与单目标优化问题相比，多目标优化问题中各个目标可能是互相矛盾的，一个解对某个目标来说是较好的，但对其他目标可能是较差的，因此难以找到一个满足所有目标的最优解，在实际解决问题中，常常将多目标转化为单目标问题，因此，本节分布式控制器负载均衡问题可用数学模型简单表述为：

8.3.2基于负载感知的负载均衡算法2.目标控制器选取策略该数学模型表示过载控制器执行负载均衡算法后，分布式控制器系统需要满足以下三个要求：分配流请求信息后负载均衡度最大，即控制器的流请求偏离均值数最小；交换机到空闲控制器的传播时延最小；目标控制器接收流请求信息后不会发生过载。8.3.2基于负载感知的负载均衡算法2.目标控制器选取策略本节算法对控制器的流请求偏离均值数和交换机到控制器的传播时延两个目标进行线性加权处理，得到代价函数，其定义如下：

当找到代价函数值最小的目标控制器时，还需检查目标控制器是否满足上文提到的第三个要求，即接收流请求信息后，目标控制器不会发生过载，判断公式如下：

8.3.2基于负载感知的负载均衡算法2.目标控制器选取策略若不满足，则继续遍历SPL中的下一对交换机对；否则，过载控制器将向交换机下发流请求分配规则，并根据公式(1)和(2)更新FRDM表和流请求信息矩阵。(1)(2)8.3.2基于负载感知的负载均衡算法3.算法描述与分析算法其伪代码：算法：BalanceAdust输入：分布式控制器数量M、过载控制器为up，管理的交换机对数量P输出：FRDM表Step1.获得过载控制器管理的交换机对按流请求信息数降序排序的序列PairListStep2. FOR(n=1toP)Step3.FOR(i=1toM)Step4. dm[i]=Compute_DM(i)//计算每个控制器的流请求偏离均值数Step5. IF(dm[i]<0)Step6.Compute_Cost(j)//计算到空闲控制器的代价函数值Step7. ENDFORStep8.FOR(i=1toM)Step9. min=Get_minCost()//得到代价函数最小的空闲控制器Step10. IF(sum[min]+q[n]>threshold)Step11.continue;Step12.ELSEStep13. Update_DM(min)//更新目标控制器流请求偏离均值数和流请求矩阵Step14. Update_DM(up)//更新过载控制器的负载偏离均值数和流请求矩阵Step15. IF(dm[upc]<=threshold_up)//判断分配流请求后过载控制器是否负载正常Step16. break;Step17.ENDFOR8.3.2基于负载感知的负载均衡算法3.算法描述与分析

8.3.2基于负载感知的负载均衡算法3.算法描述与分析

8.3.3分布式控制器负载均衡模型的运行流程描述网络启动时，控制器管理交换机并定期更新流请求信息。通过计算平均请求数和偏