[发明专利]一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法

说明书

本发明公开了一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法，具体为：RYU控制器发送数据包，感知网络全局拓扑；利用OpenFlow协议实时监测带宽、时延；通过KSP算法从可行路径中计算出k条最短路径作为备选路径；对k条备选路径进行链路评估，选出当前链路状态最优的一条作为转发路径，次优的一条作为预留路径；RYU控制器将当前网络流的转发策略下发给对应交换机的流表；RYU控制器实时监控链路状态，当链路利用率大于阈值时，再次选择除当前路径以外的最优路径实现重路由，并下发流表至交换机。本发明方法可提高网络资源利用率、减少网络拥塞，利用SDN控制器对数据中心整网进行监控，根据当前网络实时状况选择转发路径，实现动态的多路径负载均衡。

技术领域

本发明涉及工业网络环境，具体涉及一种工业实时网络中基于价格机制的多路径负载均衡方法

背景技术

Internet实际上是在无数数据中心的支持下运转的，数据中心、提供了Internet所必须的智能处理和信息存储功能。经过几十年的发展，数据中心己经成为像交通、能源一样的经济基础设施。近年来，随着虚拟化、云计算等新兴技术的迅速发展，智能手机和4G网络的普及，以及各行业对带宽、流量的需求迅猛増长，数据中心市场正处于高速扩张中，2017年中国IDC整体市场规模预计将超过900亿。根据中国IDC圈数据，未来几年中国IDC市场规模将保持在每年30％+的增长速度，未来80％以上的网络流量都将通过数据中心。

传统网络的工作方式是：网络设备之间通过不同的协议各自独立地学习整个网络拓扑，根据不同的交互机制自行做出决策并转发数据，当设备感知到网络中节点发生变化时，将会各自重新建立邻居关系，学习全局拓扑，并计算路由路径。传统网络设备这种分散决策的方式一直沿用至今，但随着网络规模越来越大，传统网络架构本身存在着的某些局限性渐渐暴露出来，以下这些问题难以得到根本上的解决：

(1)运行维护的压力不断増大。数据中心包含了大量的交换机、路由器、防火墙、服务器等设备，这些网络设备类型丰富多样，操作方式各不相同，导致运维和管理复杂，版本更新、业务变更等变得困难，网络管理员则难以对全局网络进行实时地监控调整。

(2)各数据中心对设备的性能要求不断提高。低级的设备承载高负荷的流量时，极容易造成丢包、时延大、CPU高等问题，影响了网络性能。而购买更高配置的高级设备又大大増加了成本。

(3)网络规模増大后，二层网络的可靠性及扩展性等问题成为了新的瓶颈。为了防止单点故障，网络中一般会存在大量的冗余备份，会产生大量的环路，造成广播风暴等问题。传统网络中，二层网络使用生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)通过阻塞交换机端口来防止网络环路问题，使得两个节点之间只存在一条可行路径。但是STP选出来的路径未必是当前网络状态的最优路径，且存在着收敛时间唱、根桥压力大、浪费冗余链路资源等问题。

(4)传统网络设备所具备的功能都由厂商定义，管理员只能根据已有功能进行配置应用。传统网络中通常使用ACL及QoS等策略来进行流量管控，这些策略都是通过预先对流量运行进行假设，从而提前配置设备来达到既定效果。而实际网络中业务流量瞬息万变，预先设置的策略与现实复杂的网络状况常常不符，从而无法达到预期效果。

综合以上问题得出，仅仅通过改善传统网络架构已经无法满足人们对未来数据中心网络的需求。近几年来，SDN的出现与发展为解决数据中心的这些难题提供了可行的解决方案。SDN提出将网络中控制平面和数据平面分离的理念，它通过集中的控制器来实现对整网设备的监控和管理，而下层设备只需要基本的转发功能，大大地节约了设备及网络维护的成本。

随着近几年SDN的迅速发展，研究人员对基于SDN的流量工程和负载均衡等方面不断深入研究。主要的研究目标就是提高网络资源利用率、减少拥塞，我们可以从三个方面进行改善；第一，提高整个网络的链路带宽利用率，改善路由算法；第二，降低算法时间复杂度，提高计算效率，降低CPU资源消耗；第三，实现更好的流量策略，比如实现多路径负载均衡。