一个高效SDN负载平衡方案基于方差分析的庞大的移动用户

文摘

在传统的网络、服务器负载平衡是用来满足对高数据量的需求。这项技术需要大量资本投资提供可伸缩性和灵活性差,困难支持高度动态工作负载需求从庞大的移动用户。要解决这些问题,本文分析了软件定义网络原理(SDN),提出了一种新的基于方差分析的概率统计方法的负载平衡。方法可用于动态地管理交通流在SDN网络支持大量移动用户。提出了一种解决方案使用OpenFlow虚拟交换技术代替传统的硬件交换技术。SDN控制器监控每个端口的数据流量通过方差分析和提供了一个概率选择算法,将交通动态OpenFlow技术。与现有的负载均衡方法相比,被设计来支持传统网络,这个解决方案有较低的成本,更高的可靠性和更大的可伸缩性,满足手机用户的需求。

1。介绍

在考虑网络开销时,负载均衡技术具有十分重要的意义。负载平衡直接影响应用程序和服务可用性对于移动用户(1]。负载均衡的目的是优化资源的利用最大化吞吐量,减少响应时间,避免重载任何单一的资源。缓解私家车网络流量,降低单个服务器的风险将成为贡献者的主要开销,许多数据中心采用专用硬件方法启用负载均衡,以支持大量用户(2,3]。然而,硬件系统通常是昂贵的购买,可以在技术上具有挑战性的部署,可能需要人工干预持续工作。

软件定义网络(SDN)作为一种计算机网络提供了一个简单,方便,容易操作的网络流量控制方法与最小的投资,以降低成本和提高效益为庞大的移动用户。它控制数据传输通过软件实现的开关。当一个数据流到达一个开关,一个流表查找必须执行。流表([标题:计数器:行动])在SDN被广泛使用。对于每个网络流,标题和计数器将更新如果流需要改变或行动。头信息记录到数据库中,一个OpenFlow开关可以根据标题记录过程数据流。基于SDN模型与一个集中控制器,一个OpenFlow开关设计用于不同的规则来控制网络流量使用头记录。流控制系统将在理论上能够定义一个算法来平衡网络负载。

本文旨在提出一个新的概率方法基于方差分析在SDN网络的负载平衡支持大量移动用户的动态需求。SDN控制器可以监控每个服务器端口的数据流量和管理所有入站和出站流量从服务器集群。通过部署动态可扩展的负载平衡策略,提出了一个有效的模型来减少数据包的延迟在传统通信网络和庞大的手机用户保证可靠性,业务连续性、及时性。现有的负载均衡方法相比,该方法能够解决传统方法的观察到的缺陷如成本高、可靠性低、可扩展性差。

2。相关工作

SDN(软件定义网络)是一种技术在计算机网络领域目前产生重大的利益。它起源于一个项目开始于2008年在加州大学伯克利分校和斯坦福大学(4]。SDN目前被视为一个新兴方法,计算机网络,让网络研究人员通过较低的抽象级别管理网络服务功能(5,6]。这是通过解耦网络控制使决定在哪里发送交通(控制平面)流量转发给所选目的地的货运系统(数据平面)。网络成为直接可编程和基础设施可以抽象为应用程序和网络服务。这些系统的专家和厂商宣称,这简化了网络7]。在其核心,SDN提供了更高的灵活性和快速交通流量的路由。这种分离的框架内,开发人员可以利用控制飞机改变行为的网络没有物理改性现有网络基础设施的实现。这使得开发人员可以灵活有效地进行实验,使新的网络架构的快速部署。此体系结构显示在图1。在SDN架构,应用程序层为用户提供一个广泛的创新的服务和应用程序,而控制层是通过SDN软件在服务器上。为了便于使用,SDN软件包括一个统一的应用程序接口(API) (8]。数据层是由能够提供的通用网络设备硬件或软件切换操作控制层中定义和沟通通过OpenFlow标准协议(9]。

OpenFlow协议是构建SDN解决方案的基本要素。这是第一标准通信协议定义之间的控制层和基础设施层在SDN架构(10,11]。OpenFlow使用流的概念来识别网络流量根据匹配规则,可以静态或动态SDN控制软件的编程。交换机负责应用适当的行动包和更新记录在流表条目。开关只是转发数据包根据流表中的相关条目而不关心如何构造或修改流程表。控制器创建和安装的规则流表中相应的包如果必要的话,和控制器可随时管理所有交换机的流程表。OpenFlow-based SDN架构提供非常细粒度的控制,使网络对实时变化从应用程序或服务的用户(12]。OpenFlow-based SDN技术增加带宽能力,应用程序的动态特性和显著降低运营和管理的复杂性13]。

目前,现有的交通调度算法主要包括循环调度算法和贪婪的调度算法。这些调度算法有一些缺点,如成本高、可靠性低、较低的可伸缩性。算法处理数据的能力mass-traffic与移动用户的增加变得更加重要。为了解决网络面临的复杂的选择问题,概率选择算法可以被看作是一种好方法。概率选择算法,问题不是一个信号选择的问题,但服务器流量和负荷的发展趋势的服务器。简单地说,在解决方案的一部分空间,我们得到的存在复杂环境下的最优解。在每个迭代中,我们保存一组候选解决方案和选择更好的可行解决方案通过使用概率选择算法基于服务器负载的映射,然后产生新一代的候选解决方案。重复这个过程,直到收敛于阈值以及价值。

3所示。设计和实现我们的计划

3.1。负载均衡技术

负载均衡提供了一个透明的方式来增加服务器和其他网络设备的带宽,提高数据包处理能力和网络吞吐量最终提高网络的可用性和灵活性14,15]。负载均衡的目的是优化资源使用,最大化吞吐量,减少响应时间,避免重载任何单一的资源。服务器负载均衡的重要性被公认,积极改善负载平衡方法,不断地研究。网络技术的快速发展相比,增长率服务器处理器速度和内存访问是相对比较缓慢的。目前,服务器处理开销是网络发展的主要瓶颈。矛盾的是,随着高速网络的发展和提高服务的要求,许多企业数据中心和门户服务器正在成为被数据流量的爆炸性增长。负载平衡是关键技术用于分发数据跨集群服务器系统的要求。

在这个服务器负载均衡方案基于向前切换方法,本文提出了一种新方法,利用网络地址转换(NAT)在SDN架构构建混合负载平衡模型。NAT是指使用虚拟地址来表示实际的服务器地址和重写请求数据包的目的地址。最终,执行数据传输(16,17]。当前的负载平衡技术的特点是高投资、高消耗、低敏捷性和低可靠性。许多这样的问题可以通过软件定义网络解决。本文提交一个新的概率方法基于方差分析的负载平衡SDN网络。

3.2。方差分析

3.2.1之上。以及

方差分析(方差分析)是一组统计模型用于分析组之间的差异意味着及其相关程序,由r·a·费舍尔。在方差分析中,观察到的某个变量的方差划分组件归因于不同来源的变化。本文利用方差分析的方法来确定几组数据的平均值相等的数据统计分析。

端口流量统计特征的分析,本文采用以及方法来检测是否有显著差异在港口为了确定当前状态的操作是有效的。此外,由于数据流在网络中随机选择,交通从每个端口可以被视为独立正态分布。整体差异分为两种基本类型的类内差异和群体间的变异。不同群体间的类计算评价平均值之间的有意义的分散社会团体内部的交通和人口的意思。计算类内类评价的差异之间的色散无偏样本在同一组和总体均值。以及分析是一种统计技术,用于标识一组团体基于差异。均方是通过计算两个部分之间的差异除以自由度。的检验值的比率被定义为“内部”和“国际米兰——”差异,根据比较分析检验和显著性水平阈值(18]。这将决定是否有港口之间的显著差异。基于上述结论,以及公式如下: 在(1),群体间的差异,是类内差异。

澄清的例子,让是一个因素集不同的部分,让被监控的数量乘以水平,让有关交通,让的设置样品在层次。考虑 在(2),=所有的流量值的平均值。是指组织的数量。指的是总监控的次数。考虑 在(3),是总平方和,等于每个子样品之间的偏差平方和的人口和人口的意思。考虑 在(4),群体间的平方和,指的是偏差的平方和之间的价值每组均值和总体均值。考虑 在(5),是类内平方和等于偏差的平方和之间的价值每一子样品组,每一组价值的意思。考虑 在(6),分工的的自由度返回一个数值结果和分配结果这表明类内方差。同样的,指群体间的方差可以根据获得的结果(7)。

的以及采用比较总偏差的因素。的检验值的比率被定义为“内部”和“国际”的差异。的观测值这是大于临界值的从表表明,组间有显著差异。相反,一个小以及不超过临界值的价值表的决定表明,组间没有根本区别。

3.2.2。以及和多重比较

根据上面的计算结果,我们得到的检验值只能用来表示组间是否有显著差异。的检验值也没有弄清楚哪一个群体,它应该是数量很少,包含值得注意的差异。需要比较计算平均进一步采用多个测试。之前讨论的多测试,我们首先关注两个独立的测试和假设,。的以及方法表达式如下所示:

然后,

让,表示监测数据的总和。

根据上述原理,公式多以及对()端口。作为是真的,假设如下: ,并非都是平等的。

那么多个以及方法与公式如下: 在哪里,任意两个点的平均值;是广场,意味着什么是自由的程度。考虑

也就是说,如果任意两个平均值之间的差异达到或超过重要性水平,然后零假设被拒绝。也就需要进行有效的动态负载平衡,以避免争用。

3.2.3。中存在的问题以及

服务端口流量之间的比较,组数大于2时,概率的类型错误在短时间内增加。

当因素由多个独立的港口,我们可以假设如下: , :并不是所有的是相等的。

如果是正确的,计算的数量吗次使用以及。现在我们假设的显著性水平;然后正确的概率是。同时,通过一系列的比较,避免错误的概率。当显著性水平和端口的数量,避免错误的概率。当显著性水平和端口的数量,避免错误的概率。错误的概率大大增加。

3.2.4。的以及调整的多重比较

研究证明,分析社会团体内部的差异通过显著性水平增加犯错误的概率。因此,我们调整显著性水平;假设新的显著性水平是1,然后可以使用以下公式:

替代为下面的公式:

最后,最小临界值重新计算新的显著性水平,确保犯错误的概率可以控制在合理范围。

4所示。选择概率算法

我们的最终目标是达到一个平衡从源到最终目的地的传输过程中,找到释放的另一个替代服务器超载。SDN控制器提前修改流表项所有可能的开关开关时间和发送流程表。通过监测流动方向,可以有效地实现动态负载均衡。

网络的稳定性进行了分析以及。较低的以及价值观表明网络更加稳定。因此网络稳定负相关这是作为一个阈值参数以及价值。算法的主要过程是插图所示1。

步骤1。如果,计算最小边界值的差异。

步骤2。如果,填充端口ID可能有相当大的差异的比较矩阵(表1)集成到我们的SDN网络控制模块。
比较矩阵如表所示1,在那里表示水平港口。手术后,两者的差异意味着与最低阈值。如果大于的区别,象征着用于比较矩阵表明,港口之间有差异。如果大于的区别,象征用于表示有显著差异。符号始终是一个优先级的任务对SDN控制器。

步骤3。执行操作与我们的算法基于类似的轮盘赌选择。选择公式如下: 根据交通,港口的集合概率可以计算:。

步骤4。安排的降序排列的概率。

第5步。比较一个随机数与累积概率均匀分布。因此,获得的变量代表的索引选择端口。考虑

步骤6。重复第一步。着重分析了SDN网络上的实时特性。

这里要注意的一件重要事情是,性能开销的控制信号是不考虑。我们假设没有传播延迟。

例如,当以及价值超过阈值显著性水平,这表明当前网络负载不平衡。然后我们可以找到最大的端口流入交通网络的以及调整的多重比较,可以找到最繁忙的服务器。此时,中央控制器网络将执行交通调度基于选择概率,根据算法和剩余的流量将被转移到其他服务器。

应该指出的是,上述概率选择算法主要用于网络流量分析和调度,和SDN控制器发送的开销流表SDN开关不考虑。

5。模块的实现

5.1。ARP处理

地址解析协议(ARP)是一种通信协议用于解决网络层地址到链路层地址,这是一个关键的功能多址网络。在SDN网络在客户端,发送一个HTTP请求之前,首先发送ARP Openswitch [19]。Openswitch不匹配表,生成一个纸包消息发送到SDN控制器。的负载均衡模块集成到控制器,将解决纸包的消息。一个新的ARP数据包的目的地址填写,IP转发端口信息,将重组等等盒子再送到Openswitch形式。客户端收到一个新的ARP应答数据包并接受ARP进入它的ARP映射表。ARP请求处理由我们的负载均衡模块。

5.2。TCP请求

对于访问站点的终端用户、负载平衡使所有的服务器显示为一个服务器和一个IP地址;负载平衡是透明的。Openswitch接收初始HTTP访问请求时,它没有一个匹配的表和生成一个Packet_In消息发送到SDN控制器(20.]。控制器解析该消息并将流表如图2使用对象方法SDN控制器OFMatch等决定,各自和OFFlowMod。在部署上,表发送到Openswitch流。这个过程将取代虚拟地址和物理地址。

6。实验结果和性能分析

在实验中,我们的操作系统是Ubuntu 14.04.3-desktop-amd64,控制器照明灯1.0版本,Mininet 2.1.0的这是一个网络模拟器创建虚拟网络使用Ubuntu的内核是用来定义整个网络的拓扑结构,和开放2.3.2 vSwitch被用来模拟所需的OpenFlow开关。为了测量实验,OpenFlow测试平台建于如图3。SDN网络模型包含四个独立的服务器节点,三个OpenFlow开关,和一个照明灯控制器。我们的实验提出了一些服务器代码用Python编写的,但几乎相同的设计将申请几乎任何语言。Python是用一个简单的平台内置的HTTP服务器。

在实验中,Mininet首先构建体系结构不同的路径。每个服务器代表Mininet物理机器,都有自己的实际IP地址。我们创建了一个虚拟IP地址NAT的广告,和的传入流量注定这个虚拟IP地址被泛光灯路由控制器对不同的实际IP地址。我们创建了自动化脚本访问请求的客户端。接下来,我们提供实时交通流量统计分析,通过方差分析和流量调度算法模块集成到照明灯控制器和基于我们的分析结果选择合适的路径。

这些开关不限制最大链路速率的传输速度和工作。Java代码是用来实现方差分析和流量调度算法模块集成到照明灯控制器。

通过分析实验结果,与其他算法相比,算法的性能的改善是验证。实验由初始化数据流,交通方差分析,调用的负载平衡算法。

实验需要测量的定量分析基于SDN测量服务器。控制器可以节省数据平面信息和相互作用关系控制器和OpenFlow切换到本地日志文件。测量服务器(测试服务器)执行同步操作照明灯控制器和服务器和流量数据。测试平台的总布置如图4。

通过仿真实验,验证了算法的性能。假设一个用户请求访问一个虚拟地址。每个服务器的通信时间包括一个web服务请求是5秒。

当服务器负载过高发生在一台服务器上,执行以下三个负载平衡算法分别:循环调度,贪婪的调度,和概率调度。在每个服务器的通信是由方差分析模块在泛光灯控制器和这段信息保存到日志文件中。数据5,6,7说明了港口运输的起点和终点的位置。数据5和6显示的响应算法和贪婪算法,分别。从这些数据可以看到,所有列的高峰值基本上是平的,也就是说,所有四个服务器能够负载平衡使用的两个方法。在实际环境中,没有必要在任何时候保持严格的平衡。图7显示了结果的循环调度算法。有相当大的差异,每一列的高峰值,这表明这个方法是无效的。

图8显示所有的调度算法的曲线在一个图和他们的关系以及价值。的值越小以及在一系列的实验中,更少的每个端口的监控数据流量之间的差异。如下所示,该算法匹配贪婪算法。随着时代的互动传播,以及值明显降低,这些方法可以修改所有服务器负载均衡完全实时和重定向流量更有效率。同样清楚的是循环算法的图不是最好的这意味着有巨大的差异之一服务器的负载,这个方法是不平衡的。

图9演示了控制器和开关的交互基于上述三种方法。仿真结果表明,该算法比其他两个需要较少的交互信息,因为选择算法是基于一个概率模型。总有一个概率,控制器将计算相同的流表实现之前和控制器不需要与开关当这种情况发生时。

图10显示每个服务器节点的链路带宽应用三种调度算法。该算法本文表明带宽线持平或增加11年代,16 s, 41。这样做的原因是,该算法是基于概率选择,国家并不总是改变,但是概率选择调整。在接下来的时刻有一定概率重新连接之前的链接。然后,直接影响链路的带宽不应该是重要的。这些病例在11所示,16 s, 41在图10。

但是我们可以看到循环调度算法的链路带宽减少每5秒钟后请求。每次流量控制器将重定向到另一台服务器,导致瞬时转速的下降。贪婪算法似乎增加每隔6秒。原因是当前选择的端口是前面的选择,而不需要选择一个端口。带宽是不转。然而之后曲线没有出现下一个带宽高于之前的选择。这是因为流表重新创建后每次最低的选择。

相同的请求三个调度算法在每次调用时返回不同的结果。每个振荡曲线代表不同的带宽波动。实验数据表明,使用循环和贪婪算法的带宽波动比该算法有波动。我们假设变量这是一个波动系数。这个变量可以通过使用以下公式: 的变量是小,带宽波动是稳定的(通过计算,我们的算法可以减少18.2%的波动率的贪婪算法和34.4%波动率的循环算法)。

7所示。结论

本文基于方差分析的SDN负载平衡方案提出了支持动态工作负载从庞大的手机用户通过使用分离的优点SDN控制层和数据层。我们望见了具体算法和每一个负载均衡模块的一部分。与此同时,我们测试的方法和比较的结果在SDN环境。基于OpenFlow技术,提出方差分析的方法对每个服务器端口数据流量进行监控和动态重定向流量动态OpenFlow技术。动态的需求庞大的手机用户可以在运行时通过使用满意的概率选择算法与SDN集成控制器。我们的方法可以有效地监控动态工作负载从移动网络和取得更好的负载平衡相比,现有的解决方案,从而达到良好的可扩展性,支持大量移动用户。SDN简化了网络;它使交通智能控制,快速反应动态网络条件。在未来,我们将专注于“移动SDN”和增强负载平衡通过高度自动化编制效率,网络虚拟化等新技术,生命周期服务编排。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。61173188,没有。61572001,没有。61502008),研究高等教育的博士项目基金(没有。20133401110004),安徽省教育委员会,中国(没有。KJ2013A017),安徽省自然科学基金(没有。1508085 qf132),招标项目Co-Innovation中心的信息供给与保障技术的安徽大学(没有。ADXXBZ2014-7),安徽大学的博士研究项目启动资金。

引用

1. g . y . Wu Min, l·t·杨”下的混合无线网络性能分析丛发性及相关交通、”IEEE车辆技术,卷62,不。1,第454 - 449页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 黄d, h . j .周f .夏和z陈,“检测热公路机动车辆临时网络,”移动网络和应用程序,18卷,不。6,803 - 813年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 和m .董t . Kimata k Sugiura k . Zettsu”体验上的品质(体验质量)在新兴移动社交网络,”IEICE交易信息和系统,卷97,不。10日,2606 - 2612年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. h·金和n . Feamster”改善与软件定义网络的网络管理,”IEEE通讯杂志,51卷,不。2、114 - 119年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 美国经济特区,s . Scott-Hayward, p . Chouhan et al .,“我们准备SDN吗?实现软件定义网络面临的挑战。”IEEE通讯杂志,51卷,不。7日,第36 -,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. k . m .董h . Li Ota, j .肖”规则缓存SDN-enabled移动接入网络,IEEE网络卷,29号4,降价,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m . Channegowda r . Nejabati, d . Simeonidou“软件定义光网络技术和基础设施:使软件定义光学网络运营(邀请),“光学通信和网络杂志》上,5卷,不。10 ID 6645122条A274-A282, 2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. k . h . m . k . Shin南,h . j .金正日“软件定义网络(SDN):参考体系结构和开放api,”学报》国际会议ICT收敛(ICTC 12)IEEE,页360 - 361年,2012年10月。视图:谷歌学术搜索
9. n . Feamster j·范顿,大肠Zegura”SDN之路:一个知识分子的历史可编程网络”ACM SIGCOMM计算机通信评审,44卷,不。2、87 - 98年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. n部,t·安德森,h·et al .,“OpenFlow:使校园网络,创新”ACM SIGCOMM计算机通信评审,38卷,不。2、69 - 74年,2008页。视图:谷歌学术搜索
11. 黄,j . Griffioen和k·l·卡尔弗特,“网络虚拟机监控程序:加强SDN基础设施,”计算机通信,46卷,第96 - 87页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m .小林s Seetharaman g . Parulkar et al .,“到期OpenFlow和软件定义网络的部署,“计算机网络卷,61年,第175 - 151页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 谢和h, h .阴t .邹”定义数据流路径与应用层软件定义网络流量优化,“美国专利申请13/915,410 [P], 2013。视图:谷歌学术搜索
14. m .反d .羊肉,A . Taleb-Bendiab”比较研究分布式云计算负载平衡算法,”《24日IEEE国际会议上先进信息网络和应用研讨会(WAINA 10)IEEE,页551 - 556年,珀斯,澳大利亚,2010年4月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. g . Min、吴y和a . y . Al-Dubai”认知网状网络的性能建模和分析IEEE通信,60卷,不。6,1474 - 1478年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. c c。叶,C.-W。黄,郭宏源。林,”一个新的网络地址转换遍历机制的设计和实现,”先进的科学的信件,20卷,不。2、496 - 500年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. g . y . Wu Min, A . y . Al-Dubai”的新分析模型种认知无线电网络,”IEEE无线通信,11卷,不。5,1643 - 1648年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. b .冯和x张”,研究t检验、方差分析和多重比较,”太原师范大学学报(自然科学版),11卷,不。4,46-49,2012页。视图:谷歌学术搜索
19. 徐瑞秋左,m . Chen G.-S。赵,彭译葶。兴,G.-M。张,P.-C。江”,研究OpenFlow-based SDN技术。”软件学报,24卷,不。5,1078 - 1097年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a . Zaalouk r . Khondoker r .马克思,k . Bayarou”OrchSec: orchestrator-based架构增强网络安全使用网络监控和SDN控制功能,”网络运营和管理学报》研讨会(提名的14)IEEE,页1 - 9,克拉科夫,波兰,2014年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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