網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王依凱

摘 要： 基于負(fù)載通告的SDN均衡控制器在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信控制時(shí)容易出現(xiàn)控制器負(fù)載過(guò)高問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信傳輸效率低、穩(wěn)定性差。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)通信均衡控制器，其包括應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層?？刂破鞴δ苣K中的動(dòng)態(tài)更新與均衡模塊采集流組及接口流量，依據(jù)流組信息完成信道分配均衡策略；預(yù)處理模塊調(diào)整信息傳輸?shù)捻樞?，均衡分流模塊對(duì)路由器進(jìn)行處理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信中分流實(shí)施均衡管理。利用PID算法對(duì)控制器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)交換機(jī)選擇程序解決控制器負(fù)載過(guò)高的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)控制器下的網(wǎng)絡(luò)通信具有傳輸效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)通信； 均衡控制器； 信道分配； 均衡策略； 均衡分流； PID算法； 負(fù)載

中圖分類號(hào)： TN715?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中存在大量協(xié)議的運(yùn)行及海量信息的傳遞[1]，所以網(wǎng)絡(luò)通信的均衡控制對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量十分重要[2]。傳統(tǒng)基于負(fù)載通告的SDN均衡控制器，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信控制過(guò)程中，利用負(fù)載通告的能力使控制器盡快完成均衡決策，但其容易出現(xiàn)控制器負(fù)載過(guò)高的問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信傳輸效率低，穩(wěn)定性差[3]。因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)通信均衡控制器，在有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信信道分配均衡化的同時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)通信傳輸效率，降低傳輸誤差。

1 網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 控制器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照分層式構(gòu)架將本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡控制器分為三部分，分別是：應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層，其總體架構(gòu)如圖1所示?？刂破魍ㄟ^(guò)北向接口和南向接口分別實(shí)現(xiàn)控制層與應(yīng)用層之間的互通以及控制層與基礎(chǔ)設(shè)施層之間的擴(kuò)散活動(dòng)。

應(yīng)用層包含OpenStack信道資源調(diào)度平臺(tái)。該平臺(tái)利用控制層內(nèi)的北向接口支配基礎(chǔ)設(shè)施層內(nèi)的交換機(jī)，完成全部網(wǎng)絡(luò)通信中信道資源均衡分配的整體支配[4]。

控制層包含網(wǎng)絡(luò)通信控制器的關(guān)鍵模塊（控制器）?？刂破骼媚舷蚪涌诳刂平粨Q機(jī)的數(shù)據(jù)流表生成、資源分配方案規(guī)劃以及信息存儲(chǔ)等過(guò)程，利用北向接口將信道資源均衡分配給應(yīng)用層信道資源調(diào)度平臺(tái)中的使用者，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信中的信道資源進(jìn)行均衡化分配。

基礎(chǔ)設(shè)施層包含均衡控制器交換機(jī)，以控制器反映的流表標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，實(shí)施信道資源組合和匹配[5]，控制資源的擴(kuò)散活動(dòng)。

1.2 控制器功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)預(yù)處理模塊

由于網(wǎng)絡(luò)通信用戶可能出現(xiàn)較多特殊問(wèn)題，使得網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡質(zhì)量大大降低。因此，有必要對(duì)信道分配實(shí)施預(yù)處理，在預(yù)處理過(guò)程中調(diào)整信息傳輸?shù)捻樞?，?duì)有效信息要優(yōu)先傳輸，無(wú)效信息延后輸出或給予刪除，然后再實(shí)施信道均衡分配[6]。

1.2.2 設(shè)計(jì)均衡分流模塊

1） 對(duì)路由器中的初始參數(shù)實(shí)施設(shè)置，用戶對(duì)路由器接口地址以及掩碼等參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)動(dòng)態(tài)Hash算法均衡分流方案對(duì)路由器流量進(jìn)行調(diào)控。

2） 用戶基于開啟路由器的設(shè)置文檔，對(duì)不同路由器間的關(guān)聯(lián)規(guī)范實(shí)施設(shè)置，采用動(dòng)態(tài)Hash算法對(duì)路由器流量實(shí)施均衡化處理。

3） 均衡分流模塊基于用戶設(shè)置時(shí)間周期，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信中的路由器狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。

4） 均衡分流模塊采用動(dòng)態(tài)Hash算法，對(duì)獲取的路由器接口流量信息實(shí)施計(jì)算以及管理，確保流量滿足不同網(wǎng)絡(luò)通信用戶的應(yīng)用規(guī)范[7]。

1.3 控制器運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)

本文以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡控制器的運(yùn)行邏輯如圖2所示。

1.4 控制器軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 采用PID算法實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)

利用A/D轉(zhuǎn)化器內(nèi)的PID算法進(jìn)行本文均衡控制器整體的軟件設(shè)計(jì)，需先設(shè)置以下參數(shù)：

PID控制算法通過(guò)轉(zhuǎn)化器內(nèi)NFC芯片獲取控制器中OpenStack信道資源調(diào)度平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息，將獲取的數(shù)據(jù)信息在轉(zhuǎn)化器內(nèi)MCGS組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行處理和變換。OpenStack信道資源調(diào)度平臺(tái)執(zhí)行由轉(zhuǎn)化器內(nèi)OTP芯片發(fā)出的同時(shí)連接128個(gè)控制點(diǎn)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信中均衡控制器的控制[8]，最終實(shí)現(xiàn)總體網(wǎng)絡(luò)通信中均衡控制器軟件設(shè)計(jì)。

1.4.2 交換機(jī)選擇程序的設(shè)計(jì)

依照信息到達(dá)率的高低對(duì)控制器控制的交換機(jī)進(jìn)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(fù)載值以及遷移給控制器的負(fù)載。通過(guò)式（3）實(shí)現(xiàn)遷移的負(fù)載低于控制器負(fù)載門限同負(fù)載差值的[1α]，解決控制器負(fù)載過(guò)高的問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)選擇本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡控制器、基于可靠性評(píng)估均衡控制器、基于輪轉(zhuǎn)法均衡控制器進(jìn)行一系列性能相關(guān)的試驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文控制器下網(wǎng)絡(luò)通信的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)3個(gè)控制器下的某物流公司網(wǎng)絡(luò)信道吞吐量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可得，3個(gè)控制器下實(shí)驗(yàn)物流網(wǎng)絡(luò)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(shí)，本文控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)信道吞吐量大幅高于其他兩個(gè)控制器，說(shuō)明本文控制器可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的有效控制，提高網(wǎng)絡(luò)通信性能。實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文控制器下網(wǎng)絡(luò)通信的信道平均公平性優(yōu)勢(shì)，獲取3個(gè)控制器下實(shí)驗(yàn)物流網(wǎng)絡(luò)通信的信道平均公平指數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

分析圖4能夠得到：在平均信噪比為0 dB時(shí)，本文控制器下物流網(wǎng)絡(luò)的平均公平指數(shù)較基于輪轉(zhuǎn)法控制器下物流網(wǎng)絡(luò)高出約0.06；在平均信噪比為30 dB時(shí)，本文控制器下物流網(wǎng)絡(luò)的平均公平指數(shù)較基于可靠性評(píng)估控制器下物流網(wǎng)絡(luò)高出約0.14，說(shuō)明本文控制器下物流網(wǎng)絡(luò)的信道公平性高于其他物流網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文控制器下實(shí)驗(yàn)物流網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性，對(duì)3個(gè)控制器下物流網(wǎng)絡(luò)的信道平均中斷概率進(jìn)行比較，圖5為比較結(jié)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(wǎng)絡(luò)通信的信道平均中斷概率與其他兩個(gè)控制器下物流網(wǎng)絡(luò)通信差距較??；在信道平均信噪比大于15 dB的條件下，3個(gè)控制器下網(wǎng)絡(luò)通信的中斷概率均隨著信道平均信噪比的提升而增長(zhǎng)，但本文控制器下網(wǎng)絡(luò)通信的信道平均中斷概率增長(zhǎng)曲線較平緩，并明顯低于另外兩個(gè)控制器下的網(wǎng)絡(luò)通信，說(shuō)明本文控制器下的網(wǎng)絡(luò)通信具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文控制器下的網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)延性，采用3個(gè)控制器下的實(shí)驗(yàn)物流網(wǎng)絡(luò)通信分別進(jìn)行100次試驗(yàn)，記錄不同控制器下物流網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延并進(jìn)行比較。

表1為不同控制器下物流網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延對(duì)比結(jié)果。對(duì)其進(jìn)行分析能夠得到，本文控制器下物流網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延波動(dòng)幅度較小，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個(gè)控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信，說(shuō)明本文控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延較低。

采用3個(gè)控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行誤差試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

分析表2可得，與其他兩個(gè)控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程相比較，本文控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信的平均誤差較小，證明本文控制器下的物流網(wǎng)絡(luò)通信準(zhǔn)確性較高，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中信道均衡的準(zhǔn)確分配。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新的網(wǎng)絡(luò)通信中的均衡化控制器，解決了以往使用基于負(fù)載通告的SDN均衡控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信控制時(shí)，存在效率低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。本文控制器能確保網(wǎng)絡(luò)通信的正常工作，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)通信中信道資源分配的均衡化，對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的性能具有積極作用，可廣泛應(yīng)用在通信、醫(yī)療、航空等諸多領(lǐng)域。

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