[发明专利]一种软件定义空间信息网络多控制器动态部署方法

权利要求书

1.一种软件定义空间信息网络多控制器动态部署方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、根据软件定义空间信息网络SDSIN架构，对多控制器动态部署问题进行描述

在空间信息网络中，拓扑和网络流量是动态变化的，空间信息网络拓扑周期性变化，呈现出规律性；将卫星网络的动态拓扑进行离散化，将一个系统周期划分为若干个时间片，在时间片内假定卫星网络拓扑不变，如此只需要关注在任一时间片内网络流量的变化，对控制器部署方法进行调整；

B、场景描述

SDN中交换机实时发送Packet-in消息给控制器，通过单位时间内到达控制器的Packet-in的请求数来衡量控制器端的负载；在交换节点流量激增的情况下，由控制器间的协同合作，通过迁移过载的交换机节点到相邻未过载的区域，实现交换机的动态迁移，以降低控制器的处理压力，使多控制器负载均衡；

基于SDN的空间信息网络用G＝(S,E,C)表示，其中集合S＝{S₁,S₂,…,S_n}代表交换机节点，共n个交换机节点，E代表各节点之间的通信链路，C＝{C₁,C₂…,C_m}代表控制器集合，共m个控制器，用表示第C_i个控制器所管辖的交换机集合，为交换机节点S_k在t时刻的流请求次数；控制器自身最大处理能力用控制器的容量R来表示，控制器的两个门限分别用过载门限α＝{α₁,α₂,…,α_m}和欠载门限β＝{β₁,β₂,…,β_m}来表示；用Load_j表示第j个控制器的负载；当说明控制器j的负载超过了过载门限，此时认为控制器处于过载状态；当说明控制器j的负载低于欠载门限，此时认为控制器处于欠载状态；

计算时，考虑以下情况：

B1、所有控制器区域均处于负载正常的情况时，不作交换机迁移；

B2、当前控制器管辖区域内流量激增，当前控制器过载、而邻接控制器负载正常时，将交换机动态迁移到邻接控制器区域以实现负载均衡；

B3、多个控制器区域流量激增，邻接控制器区域负载亦过载时，增加新的控制器部署解决问题；

B4、某些控制器区域欠载，且邻接控制器不处于过载状态，将欠载的控制器区域的交换机迁移到邻接控制器区域中，然后关闭之前欠载的控制器，节省资源的开销；

C、基于双门限的交换机动态迁移方法

从场景描述中看出，控制器有三种状态：常态、过载、欠载状态；过载时控制器承受的负载压力很大，会导致控制器失效；欠载时控制器存在不必要的资源开销，浪费系统资源；而常态处于过载和欠载之间；为此，提出一种基于双门限的交换机动态迁移方法，并对场景提出假设条件；

定义1：基于SDN空间信息网络控制器与交换机的连接关系用矩阵A＝(a_ij)_m×n来表示，因为网络中共有m个控制器，n个交换机，所以该矩阵为一个m×n的矩阵；又因为控制器和交换机的连接关系只有两种，所以用0表示未连接，1表示连接；即有：

定义2：控制器C_i和交换机S_j的交互时延用t_i,j表示；交互时延由查询时延t_inq、控制器与交换机的传输时延t_trans及分组排队的平均时延t_wait之和构成；当未知流进入交换机时，需要询问控制器转发策略，产生查询时延t_inq，传输时延t_trans指的是所有控制器和交换机之间的传输时延，用控制器和交换机的最小距离之和表示；

而分组排队的平均时延为常量，所以，控制器C_i和交换机S_j的交互时延为：

t_i,j＝t_inq+t_trans+t_wait (3)

定义3：控制器负载与管辖的所有交换机流请求次数和、网络带宽利用率S_band、内存利用率S_memory以及CPU使用率S_cpu有关，其中控制器C_j在t时刻的所有交换机请求次数和为所以控制器的负载为：

其中，j＝0,1,…,m，η₁+η₂+η₃+η₄＝1；

双门限交换机动态迁移方法算法如下：

C1、根据已定义的过载门限α＝{α₁,α₂,…,α_m}和欠载门限β＝{β₁,β₂,...,β_m}，找出过载的控制器和欠载的控制器；

C2、然后选取合适的交换机进行迁移；针对过载的控制器，过载的控制器所管辖的交换机集合记为P；

选取P中流请求r_i较大的交换机，针对交换机的流r、交互时延t、控制器容量R进行多目标优化，该多目标优化包含3个目标函数和4个约束条件，具体描述如下：

总最优化目标函数：

min(F(X_i)) (5)

其包含三个子优化目标函数，分别为：

F(X_i)＝[f₁(X_i),f₂(X_i),f₃(X_i)] (6)

第一个子目标函数为交换机集合P中流请求最大值，记为：

f₁(X_i)＝max_i∈P{R_i} (7)

第二个子目标函数计算交换机和控制器的交互时延，表示为：

第三个子目标函数计算控制器容量的最小值，表示为：

f₃(X_i)＝min_i∈m{R_i} (9)

约束条件如下：

交换机与控制器连接状态只有两种：

a_ij∈{0,1} (10)

网络内控制器总量不小于2个，不超过m个：

P显然包含于S：

R_i始终是非负的：

R_i＞0 (13)

通过对上述多目标优化问题进行求解，得出最优解，选出适合迁移的交换机，完成调度；

C3、针对欠载的控制器，考虑其他控制器的负载能够承受欠载的控制器中所有交换机迁移的要求，对目标进行迁移，随后关闭欠载的控制器，节省资源；

C4、目标控制器的选取；为了保证过载的控制器区域中的交换机迁移后对其他区域的控制器造成过载影响，步骤C2中已针对多目标进行优化选出了最为适合迁移的交换机，这里再加入目标控制器可支撑剩余负载量，提出一种剩余负载差值用来衡量负载的剩余量，即：

i^D即为要求的目标控制器。