云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制

劉曉霞

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)工程學(xué)院，山東 青島266100）

近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了翻天覆地的變化，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量規(guī)模也逐漸增大，這為網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行提高了壓力[1]。此外網(wǎng)絡(luò)中所包含的節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)量和種類也越來越多，其中包含了大量的防火墻、服務(wù)器、路由器以及交換機(jī)等，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備大多數(shù)都來自不同的廠家，設(shè)備型號(hào)和種類多種多樣，這也為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理提高了難度，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載現(xiàn)象，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源分配不均勻，這類問題的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)響應(yīng)變得遲緩，經(jīng)常出現(xiàn)卡頓和停止運(yùn)行，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制是非常有必要的[2-4]。但是目前現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制方法控制效果不夠明顯，在實(shí)際應(yīng)用中平均傳輸時(shí)延較大，已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制需求，為此提出云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制方法

1.1 全局拓?fù)涓兄?/h3>

網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)涓兄哪康氖菧y(cè)量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路以及節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)信息，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)測(cè)量以及最短路徑計(jì)算提供數(shù)據(jù)依據(jù)[5]?？紤]到網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文采用SDN 技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)溥M(jìn)行學(xué)習(xí)，了解到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)、鏈路的狀態(tài)。

在SDN 平臺(tái)中的Ryu 控制器執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、鏈路探測(cè)操作，首先利用Ryu 控制器將攜帶idpe 和端口號(hào)信息的鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議封裝在KIK 消息里，將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中所有的OpenFlow交換機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，當(dāng)OpenFlow 交換機(jī)接收到Ryu 控制器發(fā)送來的KIK 消息之后，由OpenFlow 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給其它與其相連的設(shè)備上；相連設(shè)備接到帶有鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)包之后會(huì)對(duì)自身進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)是否存在與鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議相匹配的流量表項(xiàng)，并將檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)送到Ryu 控制器上；最后由Ryu 控制器根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果報(bào)文中的idpe 和解析到的鏈路信息，將所有反饋回來的信息匯聚到一起，從而得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)全局的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

1.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量

獲取到網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)湫畔⒅?，為了更好地?shí)現(xiàn)云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制，還需要對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，為云計(jì)算提供海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，帶寬作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，對(duì)該項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量本文采用OpenFlow 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來周期性地獲取網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)信息，利用OpenFlow 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端口流量以及流量表項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)控，在監(jiān)控過程匯總獲取到網(wǎng)絡(luò)OpenFlow 交換機(jī)端口收發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量、收發(fā)字節(jié)數(shù)以及統(tǒng)計(jì)持續(xù)時(shí)間等信息，根據(jù)這些信息計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)各個(gè)鏈路當(dāng)前流量帶寬以及剩余帶寬。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延參數(shù)的計(jì)算采用Ping 命令實(shí)現(xiàn)，測(cè)量的時(shí)延主要為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路時(shí)延，利用Ping 命令獲取到OpenFlow 交換機(jī)之間發(fā)送文報(bào)時(shí)延的平均值，根據(jù)該數(shù)值計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)時(shí)延參數(shù)，其測(cè)量過程如下：

第一步：在SDN 平臺(tái)中啟動(dòng)Ryu 控制器，由Ryu 控制器向OpenFlow 交換機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有時(shí)間戳的鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議報(bào)文，當(dāng)OpenFlow 交換機(jī)接收到報(bào)文后再將其發(fā)送給相鄰的OpenFlow交換機(jī)，如果OpenFlow 交換機(jī)中沒有匹配的操作，則將鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議報(bào)文中的packet_In 發(fā)送回Ryu 控制器，Ryu 控制器將發(fā)送和接收到的信息中的時(shí)間戳相間得到T1，同理可以得到反向的時(shí)延T2。

第二步：Ryu 控制器隨機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)OpenFlow 交換機(jī)發(fā)送帶有時(shí)間戳的回聲請(qǐng)求消息，OpenFlow 交換機(jī)接到回聲請(qǐng)求消息后立即向Ryu 控制器回復(fù)攜帶回聲請(qǐng)求消息時(shí)間戳的回聲應(yīng)答消息，Ryu 控制器通過回聲請(qǐng)求消息的時(shí)間戳與回聲應(yīng)答消息時(shí)間戳相減，得到Ryu 控制器到兩個(gè)交換機(jī)的信息往返時(shí)間T3和T4。

第三步：通過以上測(cè)量的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)鏈路平均時(shí)延，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，T 表示網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延。以上通過網(wǎng)絡(luò)帶寬以及時(shí)延參數(shù)的測(cè)量完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量。

1.3 最短路徑計(jì)算

在獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁约熬W(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延參數(shù)之后，就可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的源地址和目的地址按照某種標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算最短路徑。為了提高網(wǎng)絡(luò)路徑計(jì)算效率，本文采用云計(jì)算技術(shù)來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量傳輸最短路徑，其計(jì)算過程如下：

假設(shè)在一個(gè)有N 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中存在相關(guān)定義：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合表示為i(1,2...，n)，其中1 表示網(wǎng)絡(luò)源頭節(jié)點(diǎn)，n 為網(wǎng)絡(luò)目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中從源頭節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑為J，中間途徑多個(gè)節(jié)點(diǎn)，該路徑的距離表示為d，如果d 存在則d 表示成一個(gè)有限的數(shù)值，如果d 不存在則d 表示為一個(gè)無窮大數(shù)值。從源頭節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，其中最短路徑設(shè)為k，假設(shè)源頭節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑存在偏差，即這條最短路徑k從源頭節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑與其他路徑相同，則將該條路徑累積到列表A 中；如果最短路徑與其他路徑中所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，且少于其他路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)量，則認(rèn)為該條路徑不存在路徑偏差，將其累積到列表B 中。利用上述方法會(huì)得到一個(gè)最短路徑列表，根據(jù)感知到的全局拓?fù)湫畔⒁约熬W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對(duì)列表B 中路徑進(jìn)行排序，在排序之前需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁约熬W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行量化，其量化公式如下：

公式（2）中，α 表示網(wǎng)絡(luò)路徑狀態(tài)量化值；h 表示量化系數(shù)；p 表示該條路徑中經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載量；e 表示條路徑中經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)中剩余帶寬；t 表示條路徑延時(shí)。利用上述公式對(duì)列表B中路徑進(jìn)行排序，列表中第一個(gè)路徑為最短路徑，將其作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量傳輸?shù)氖走x路徑，降低其他節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載情況，從而使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡，以此完成云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該網(wǎng)絡(luò)中含有56 個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)中利用KKISD 腳本在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中創(chuàng)建30 臺(tái)虛擬交換機(jī)以及26 臺(tái)虛擬服務(wù)器，交換機(jī)內(nèi)核模式采用PeneuDwidc，向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送五個(gè)1000GB 數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間間隔為15s，每條流量包持續(xù)35s，將該網(wǎng)絡(luò)負(fù)載從150Mbits/s增加到1150Mbits/s，使用Iperf 對(duì)網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)方法應(yīng)用下的平均傳輸時(shí)延數(shù)據(jù)，平均傳輸時(shí)延表示數(shù)據(jù)流量在節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送到接收所花費(fèi)的時(shí)間平均值，將其作為對(duì)比分析兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制方法的有效評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了實(shí)驗(yàn)結(jié)果表格，具體如表1 所示。

表1 兩種方法平均傳輸時(shí)延對(duì)比分析（us）

從上表可以看出，本文設(shè)計(jì)方法的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時(shí)延較短于傳統(tǒng)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方法更適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制。

結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算作為當(dāng)下最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有超強(qiáng)的計(jì)算能力和分析能力，本文結(jié)合云計(jì)算技術(shù)理論，考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制需求，在原有方法理論基礎(chǔ)上提出了一套新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制方法，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制理論可行、可靠。此次研究對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時(shí)延較長(zhǎng)問題具有一定的意義，對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)性能有著良好的應(yīng)用效果，對(duì)云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制研究具有較好的參考價(jià)值。由于此次研究篇幅較短，個(gè)人能力有限，雖然在該方面取得了一些研究成果，提出的控制方法能夠準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制，但是控制時(shí)間復(fù)雜問題沒有進(jìn)行過多的考慮，今后有待對(duì)該方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，提高云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載均衡控制效率。