基於SDN的負載均衡節能技術研究

摘 要

隨著科技的進步，能源危機和溫室氣體排放是普遍關注的問題。根據有關部門釋出的最新報告，到2040年，世界能源消耗量將增加。眾所周知，化石燃料的燃燒會增加二氧化碳的排放，從而加劇全球變暖。此外，隨著網路規模和網路使用者的擴大，網際網路消耗的能源在總能源消耗中的比重越來越大。與傳統網路相比，SDN網路在許多方面都表現出巨大的優勢，但也存在負載失衡問題。如果SD網路中的負載分佈不均勻，這將極大地影響網路的節能效能。目前已經提出了許多基於SDN的負載平衡策略，以提高SDN網路。因此，本文總結和分類了SDN網路中的負載平衡方案，並分析了它們的優缺點。透過研究希望可以促進SDN網路的發展，以達到節能的效果。

關鍵詞：負載平衡；SDN；節能技術

1 引言

近年來，ICT行業的功耗問題越來越嚴重。研究顯示，ICT行業的功耗為156千兆瓦時，年增長率達到1%。伺服器、交換機、冷卻裝置和其他網路裝置消耗了8680億千瓦時，佔全球總功耗的5。3%。網路和資訊可持續發的最大障礙就是功耗的損耗。現如今全球變暖，以及資源短缺，所以網路節能研究非常重要。網路構架是如今網路功耗的主要原因。主要是過度配置和冗餘。有許多網路裝置一天都在工作，而且都是滿載運載，而且大部分的利用率都很低。最頻繁的利用率才達到百分之八十，而平均利用率只有30%到50%。目前的IP網路不能完全理解流量需求的源和目的資訊，只能根據目的地址路由到最短路徑。因此，大多數 QoS 路由最佳化演算法在實際網路中都無法實現。因此，這些大量資料的儲存和處理對傳統硬體裝置構成了挑戰，也過度消耗了能源。網路工作能耗高的主要原因是過度配置和冗餘。一方面，網路通常被設計和尺寸化，以過度配置的方式應對峰值流量負載，通常持續時間短但吞吐量高。無論當前的流量負荷如何，所有網路裝置，如交換機和路由器，總是滿負荷工作，這導致網路資源利用不足和大量能源浪費。例如，流量值在白天的幾個小時內達到峰值，而在其他時間，特別是在晚上，透過網路傳輸的流量很少。不幸的是，所有裝置一直處於開啟狀態，其中一些裝置利用不足，甚至閒置。另一方面，為了獲得高度的魯棒性和彈性，網路的設計也具有冗餘性。例如，為了實現快速故障恢復，提前將備份裝置新增到基礎設施中，目的是快速重定向，從而進一步提高網路能耗。由於過度配置和冗餘，該網路充實了未充分利用和閒置的裝置。

針對未充分利用和閒置裝置產生的能源浪費，提出了許多關於節能的建議，然而，這些建議也帶來了一些副作用，例如負載失衡，甚至連線擁堵。為了避免此類副作用，引入了負載平衡。關於負載平衡的建議可以透過在多條路徑之間分配流量並估計潛在的鏈路擁塞來降低鏈路擁塞的風險並高效緩解峰值流量來實現。不幸的是，節能和負載平衡是兩個相互衝突的最佳化目標，即前者試圖在處於活動狀態的最小裝置集上聚合流量，而後者將流量分散到儘可能多的裝置上。很明顯，不能同時實現這些相互衝突的目標的最佳解決方案。因此，如何在負載平衡和節能之間實現理想的折衷是一個具有挑戰性的問題。此外，在傳統網路中，由於特定於供應商的裝置和僵化的架構，難以靈活部署轉發策略以實現節能和負載平衡。作為最後的手段，在傳統網路中採用本地調整睡眠決策的多智慧體系統來實現節能。但是，採用多智慧體也有一些限制。例如，每個代理只有一個本地網路檢視而不是全域性檢視，因此很難找到最佳解決方案。

幸運的是，軟體定義網路（SDN）的出現彌補了傳統網路中策略部署的上述侷限性。 SDN 是一種新興的架構，它將網路控制和轉發功能解耦，使網路控制變得直接可程式設計，底層基礎設施被抽象為應用程式和網路服務。網路控制在邏輯上集中在SDN控制器中，可以靈活方便地部署節電和負載均衡策略。此外，控制器具有全域性網路檢視，在此基礎上，輕鬆獲得節電和負載均衡的最佳路由。

為了在節電和負載均衡之間取得理想的平衡，本文基於SDN負載均衡節能技術，可以實現低功耗、高負載均衡度，並避免鏈路擁塞的發生。

1。1研究背景和意義

資料的大規模數字化和網際網路在企業領域各種應用中的增長，需要通訊技術和網路平臺發生重大變化。軟體定義網路（SDN）是一個新興平臺，與傳統網路不同，它根據需求的變化有效管理異構流量。

SDN的一個重要方面是，它為不斷髮展的網路範圍抽象提供了一個結構化的軟體環境，同時可能使資料平面變得簡單。在SDN中，邏輯集中的控制平面在功能上管理網路，並將底層網路基礎設施抽象到應用程式。SDN控制器使用北行協議與應用程式層通訊以實現應用程式級需求，南行協議生成流程表。然後將生成的流量表分配給OpenFlow交換機，以便在SDN中高效和有效地分配流量。透過獲取網路拓撲資訊，SDN控制器為OpenFlow交換機提供了全域性網路檢視，並實現了具有網路管理功能的靈活網路配置。

與傳統網路相比，SDN平臺可以透過網路功能虛擬化和控制器中網路功能的冗餘實現來有效解決魯棒性問題。SDN的潛力在於它可以透過更改網路協議、包含新服務和應用程式來重新配置網路的能力。儘管SDN具有優勢，但SDN幾乎沒有重大挑戰，如動態交通負載分配、最佳化能耗和效能增強

相對於傳統的技術，雲計算虛擬化具有很好的前景，他可以實現快速行動式的運算，實現人機互動。然而，隨著資源分配不均衡，網路配置不到位，它們很難對客戶的反應做出動作。這對於網路配置也是一種很大的挑戰，所以就需要不斷更新網路配置，以此來達到最佳的效果。所以，在網路計算機背景下，大資料系統快速發展，應該合理安排網路配置，以合理安排網路運營，只有這樣才能彌補一些網路缺陷和不必要的麻煩。靜態模式工作模式用於網路架構，並存在一些缺點，如管理和維護不便、缺乏靈活性等。

如果負載分佈不均勻，將極大地影響整個網路的效能和效率。負載平衡技術是有效分配網路資源和提高網路效能的重要方法之一。與傳統的網路架構相比，SDN架構在許多方面具有更高的效能，但仍然擺脫不了負載失衡的問題。因此，研究負載平衡問題對於促進網路發展非常有意義。

對於SDN網路，本文對SDN中的負載平衡策略進行了調查，對這些策略的優缺點進行了分類和分析，希望以此為網路節能最佳化做出貢獻。

1。2研究準備工作

在進行本論文研究前，需要進行研究準備工作，瞭解什麼是節能和負載平衡。

（1）節能

SDN常用的能效技術包括鏈路速率適應、流量整合、裝置睡眠和流量規則最佳化。

功耗與流量負載成正比的功率比例裝置在網路中節省了大量電力；然而，這只是一種理想的行為，當前裝置是非功率相稱的。為了以階梯方式顯著近似功率比例，採用了三種常用技術，即睡眠未使用的裝置、整合流量和鏈路速率適應。提出了一種基於SDN的電源管理器，稱為ElasticTree，透過將流量整合到一小組交換機和鏈路中，然後在沒有任何流量的情況下睡覺，大致實現功率比例的資料中心網路。基於所謂的ElasticTree，透過將交通整合與相關分析相結合，進一步提高了能源效率。結果表明，90%的鏈路利用率遠低於峰值需求，因此，作者可以根據平均鏈路利用率而不是峰值需求來整合更多流量。Zheng等人提出了FCTcon，一種用於功率最佳化的動態流量完成時間（FCT）控制策略。它透過線上FCT反饋控制動態適應流量的FCT，同時降低網路功耗。Assefa提出了一種名為RESDN的節能指標，該指標根據鏈路利用率量化了能源效率。此外，還提出了一種名為MaxRESDN的heuris-tics方法來最大化RESDN，從而實現了能源效率和網路效能之間的權衡。Addis等人透過可變路線實現了功率相稱性，根據各種交通場景選擇性地開啟或關閉底盤和線路卡。這些建議透過將流量整合到一小套有源裝置中並睡眠閒置裝置實現了節能。然而，流量整合會導致負載失衡，甚至連桿擁堵。

（2）負載平衡

負載均衡主要分為兩類：網路負載均衡和伺服器負載均衡。在本文中，我們主要關注網路上的負載平衡。一般來說，負載均衡可以在一定程度上提高負載均衡度，避免潛在的鏈路擁塞。一些關於負載均衡的相關研究已經進行了調查。例如，提出了一個低開銷、負載平衡的路由管理框架（L RM），它使用流表和組表來分散流量，從而提高了鏈路利用率並避免了熱點（負載重的裝置）的出現在不同鏈路之間，同時透過交換機的自適應輪詢減少控制器的訊息開銷。有關研究人員提出了一種新的負載均衡機率方法，可以持續監控網路流量，實現更好的負載均衡、更低的開銷和更高的可靠性，與此同時還提出了一種分散式擁塞感知負載平衡機制，該機制將傳輸控制協議（TCP）流拆分為小流，估計即將到來的鏈路擁塞並將小流分配給多個路徑。它實現了高吞吐量、更快的擁塞反應和更好的負載平衡。

有一些研究聯合優化了節能和負載平衡。在研究中提出了一種名為 e-STAB 的排程解決方案，該解決方案專注於降低伺服器的能耗並在伺服器之間分配負載。還有人提出了一種綠色負載均衡演算法，透過最佳化內部閘道器協議（IGP）鏈路權重，實現了節能和負載均衡之間的權衡。

在本文中，我們研究瞭如何在 SDN 中共同最佳化節能和負載平衡，並在它們之間實現理想的權衡。

1。3研究內容

SDN很好地支援源路由、流量拆分和多路徑路由。在SDN中設計和實施能源最佳化演算法是可行和有效的。本文透過能源最佳化和負載平衡，在SDN架構的基礎上解決了失衡利用率和功耗問題。論文的主要研究內容如下。

首先本文第一章介紹了研究背景和意義以及文章的結構內容；第二章對SDN進行了介紹，對其核心工作以及其相關問題進行了討論；第三章對SDN中的負載平衡策略進行了分類，並分析了這些策略的問題；第四章描述了一種多目標粒子群最佳化演算法，以此來解決網路能耗問題越來越突出的問題；第五章總結；第六章致謝，表達了自己內心對老師和同學幫助的感謝之情。

2。SDN介紹

2。1SDN概述

SDN的一個重要方面是，它為不斷髮展的網路範圍抽象提供了一個結構化的軟體環境，同時可能使資料平面變得簡單。在SDN中，邏輯集中的控制平面在功能上管理網路，並將底層網路基礎設施抽象到應用程式。SDN控制器使用北行協議與應用程式層通訊以實現應用程式級需求，南行協議生成流程表。然後將生成的流量表分配給OpenFlow交換機，以便在SDN中高效和有效地分配流量。透過獲取網路拓撲資訊，SDN控制器為OpenFlow交換機提供了全域性網路檢視，並實現了具有網路管理功能的靈活網路配置。

與傳統網路相比，SDN平臺可以透過網路功能虛擬化和控制器中網路功能的冗餘實現來有效解決魯棒性問題。SDN的潛力在於它可以透過更改網路協議、包含新服務和應用程式來重新配置網路的能力。儘管SDN具有優勢，但SDN幾乎沒有重大挑戰，如動態交通負載分配、最佳化能耗和效能增強

2。2SDN核心工作

SDN的核心思想是網路控制與轉發解耦，標準互動協議（如OpenFlow）定義了控制層與轉發層互動的南行介面。為了使研究人員能夠快速瞭解SD技術在特定領域的研究進展，有必要總結和分析這些領域的研究進展。相關人員總結了SDN的一致性、容錯性和其他方面；對基於SDN的網路虛擬管理程式進行了調查，但到目前為止，仍然沒有對SDN網路中的負載平衡演算法和策略進行總結和分析。本文調查、分析和總結了SDN負載平衡的最新研究現狀和進展。此外，它可以為相關領域的研究人員提供一些幫助。

2。3相關問題討論

隨著網路應用的增長和使用；需要管理網路中的異構流量。因此，SDN 的主要挑戰之一是在控制器之間適當地分配流量。換句話說，需要在控制器之間進行有效的負載平衡。我們在本文的其餘部分中交替使用負載平衡和負載分配。 SDN控制器中有效負載分配的問題可以使用負載均衡技術來解決，其目標包括有效的資源利用、最大化吞吐量、減少延遲。網路中高負載的控制器會消耗更多的能量，從而導致效能下降 。此外，低效率的路由選擇過程可能導致流量路由透過消耗高能量的路由。負載均衡技術的最新研究主要集中在集中式、分散式、基於負載資訊的設計、交換機遷移成本和負載均衡率之間的權衡，以及多控制器-開關遷移。然而，這些技術都沒有描述在高負載條件下過載開關到目標控制器的對映以及關於閾值的調整。

另一方面，SDN中能源效率的研究集中在降低OpenFlow交換機和鏈路路徑的能源消耗。然而，他們沒有考慮控制器的能耗，這是計算網路總能耗的重要因素之一。

據報道，當流量較低時，網路裝置消耗了總能耗的 50% 。網路作為資料中心基礎設施的重要組成部分，消耗了總能源的很大一部分（高達 20%）。因此，能量最佳化成為SDN效能評估的關鍵挑戰。

能源效率是負載平衡的無縫組成部分。因為在負載平衡期間，控制器透過訊息傳遞相互通訊。這反過來又使裝置和連結路徑處於活動狀態，從而導致能源消耗。該領域的最新研究沒有強調負載對能源消耗的影響以及它們與綠色通訊的關係。現代綠色通訊標準主要激勵我們在通訊網路中提高能源效率以減少二氧化碳排放。這促使我們用以下約束來制定我們當前的研究問題。

3。SDN中的負載平衡

本章節對SDN網路中的負載平衡進行了研究。

SDN架構可以根據SDN網路中控制器的數量和組織分為集中式單控制器架構和分散式多個控制器架構。在集中式架構中，負載平衡研究分為資料平面和控制平面。資料平面主要包括鏈路負載平衡和伺服器負載平衡。

分散式架構分為平面架構和分層架構。本文介紹、分析和總結了幾種型別的負載平衡研究，以便研究人員能夠快速瞭解該領域的相關知識。

3。1集中式SDN架構中的負載平衡

一般來說，集中式SD網路只有一個控制器。多個SDN交換機和伺服器。在這個架構中，負載平衡的問題主要集中在伺服器和連結上。控制器控制整個網路，並管理和分配網路中的所有流量。此外，控制器還可以實時收集網路負載，並根據負載平衡策略動態調整伺服器和鏈路的負載，從而最大限度地利用網路資源並提高網路效能。

3。1。1資料平面上的負載平衡

在現有的研究中，資料平面的負載平衡主要是為了解決伺服器和鏈路的負載不平衡。在以下部分，本文介紹、總結和分析了伺服器負載平衡和鏈路負載平衡。

（1）伺服器負載平衡

當網路中的流量排程方案導致節點或鏈路擁塞時，可能會降低網路效能並增加傳輸延遲。透過使用負載平衡策略將流量分配給不同的伺服器可以避免不必要的網路擁塞。

對於伺服器的負載不平衡。斯坦福大學提出了一種基於Web流量負載均衡的方案OpenFlow，稱為 Plug-n-Server （現在稱為 Asterx）。控制器中包含三個元件，並且主機管理器和網路管理器動態收集每個伺服器的CPU負載和網路擁塞狀態。流量管理器動態調整負載根據收集的資訊對伺服器進行訪問。這方案減少了網路延遲並改善了網路表現。但是，當伺服器數量增加，它會增加控制器的負載並影響使用者體驗和服務質量。R。Wang等人提出了一種負載平衡策略，該策略將多個IP字首的匹配轉發規則整合到帶有萬用字元的轉發規則中，並使用萬用字元規則來彙總服務請求。這種策略減少了控制器的負載，但一些規則必須預先安裝在交換機中。SBLA負載平衡演算法，適用於虛擬環境中的伺服器叢集。

首先，控制器使用SNMP協議收集伺服器的狀態資訊，然後根據SBLA演算法計算伺服器的負載，最後選擇最輕的負載伺服器來響應使用者。該演算法最大限度地縮短了伺服器的響應時間，但不適合非結構化網路和資料中心。

為了快速響應使用者的請求，許多資料中心使用IMKVS（記憶體鍵值儲存）快取機制。為了提高效能，

IMKVS提出了一種兩相負載平衡方法。在第一階段，負載均衡器分散IMKVS流量，並將負載分配給負載最小的虛擬機器，以避免第二階段負載均衡器成為網路的瓶頸。在第二階段，負載均衡器透過使用幾臺快取伺服器和複製流行目標來平衡負載並減輕伺服器負載。該方案有效地減少了伺服器的負載。

然而，當新增虛擬機器時，它增加了命令執行時間。此外，該計劃僅用於處理IMK VS請求，並有一些限制。

（2）鏈路負載平衡

當多個流對映到同一鏈路時，一些資料流可能會遇到一些問題，例如排隊時間增加、傳輸延遲長等。透過使用特定的排程策略將資料流分配到不同的路徑，以提高連結的利用率。

有關研究針對多個流對映到同一路徑造成的鏈路負載失衡現象。該方案執行全域性第一擬合算法和模擬退火演算法，以做出負載平衡決策並提高網路資源利用率。

然而，該計劃僅適用於的資料中心波特蘭拓撲結構，缺乏靈活性和可擴充套件性。

ECMP（等價多路徑路由）是其中之一最常用的鏈路負載平衡方案。但是ECMP 中的雜湊演算法只考慮了路徑，不能根據路徑動態調整路徑上的交通。使用DRE （Discount Rate Estimator）演算法來估計每個鏈路的負載，然後源節點平衡，根據每個擁塞情況的網路負載關聯。 CONGA 可以快速響應突發流量在資料中心，但它的可擴充套件性很差。

對於CONGA的缺陷，有關研究人員提出了HULA架構。透過使用網路鏈路利用資訊和週期探針的分佈，HULA在交換機上執行距離向量演算法，資料轉發決策由下一個跳轉地址做出，而不是由整個路徑做出。HULA具有良好的可擴充套件性，可以適應負載的動態變化，但很難實現。相關研究人員提出了一種脂肪樹拓撲中的動態負載平衡演算法（DLB）。根據單跳貪婪策略，DLB將所有流量從源節點傳輸到最高水平，然後將其傳輸到目標節點。雖然這種方法實現了動態路由策略，但它只使用單跳貪婪策略來選擇路徑，而不考慮其他鏈路的狀態，這可能導致部分鏈路過載和網路擁塞。

根據資料中心長流量和短流量的分佈特徵，研究人員提出了一個DiffFlow方案。在DiffFlow中，ECMP策略用於短流量，以最大限度地減少流量完成時間並提高吞吐量，RPS（隨機資料包噴霧）策略用於長流量，以有效平衡整個網路的負載並避免擁塞。然而，當ToR層中的開關檢測到長流量時，控制器需要通知Agg層和Core層中的所有開關，這將增加通訊開銷。

將硬體與軟體相結合，該方案使用現有交換機構建硬體負載均衡器，以有效增加容量，降低成本和延遲，但靈活性很差。特別是當開關發生故障時，缺點尤為明顯。硬體負載均衡器處理大量流量，而軟體負載均衡器作為備份，以確保高可用性和靈活性，但很難實現。

在初始模式下，網路中沒有流量，因此使用最短路徑Floyd演算法計算任何兩點之間的最短路徑。當網路中有流量時，該方案進入週期模式，並定期執行模糊評估演算法。該方案簡單易行，但假設所有節點和鏈路都有相同的處理流程的能力，這與實際情況不一致。

3。1。2控制平面上的負載平衡

已經進行了一些研究工作來解決控制平面負載平衡的不同問題，從集中負載平衡方法到分散式負載平衡，然後是負載平衡的負載資訊策略。其中一些在本節中被提及。

在集中負載平衡方法中，單個控制器負責平衡負載。它定期從其他控制器收集負載，通知過載控制器將其部分負載傳輸到輕載控制器。然後，它將負載遷移命令傳送到目標控制器，然後將開關的負載遷移傳送到負載最小的控制器。這種方法的關鍵問題是延遲，其中包括由於主控制器的負載收集，控制器被高度載入所花費的時間。控制器上的負載動態變化，這種負載平衡策略落後於目標控制器的實際負載。

在分散式負載平衡方法中，DALB每個控制器平衡其負載。在這裡，為每個控制器定義了一個閾值，在此值之前不需要負載平衡。當控制器上的負載增加其閾值時，它會進行負載收集，然後可能會進行負載平衡。在這種情況下，大多數控制器將連續收集負載，因為它們的負載超過閾值。這將消耗資料平面可用的頻寬，作為控制器之間的大量控制器O（n2）訊息交換。

集中式SDN架構可以有效提高網路管理效率和效能，但當網路規模較大且相互之間的互動控制器和開關增加，這也將大大增加了控制器的負載，使控制器無法及時處理交換機的請求。因此，一些研究人員致力於解決過載問題集中式架構中的單個控制器。

DIFANE結合了流量表的主動和被動安裝，流量儘可能保持在資料平面上。只有當網路發生變化時，DIFANE中的規則才會被修改，以避免控制器和交換機之間的頻繁通訊，並減少控制器的負載。但交換機的結構太複雜，不適合大規模網路。研究人員在DIFANE的基礎上提出了DevoFlow。DevoFlow使用規則複製和本地操作來減少交換機和控制器之間的資訊交換，但這並不現實，因為交換機的流程表結構和硬體結構需要修改才能實現該功能。

在交換機的流程表中預裝了規則，這可能會減少控制器和交換機之間的互動，但它會消耗TCAM表的大量資源，並且需要修改交換機的內部結構，因此很難實現。此外，如果控制器受到攻擊或故障，由於對底層裝置的簡單處理，網路將失控。因此，一些研究人員提出了分散式SD架構，如Onix［9］和Hyperflow。分散式SDN架構可以有效解決集中式架構中的單個控制器故障、過載和可擴充套件性問題。然而，當多個控制器之間發生負載不平衡時，也會降低網路效能並增加延遲。在下面，本文總結、誘導和分析分散式多控制器架構中的負載平衡方案。

3。2分散式SDN架構中的負載平衡

分散式SN架構被劃分為組織控制器，平面和分層，所有控制器都在同一層上。在層次結構中，控制器位於不同的層。

3。2。1平面架構中的負載平衡

（1）基於交換機遷移的負載平衡

雖然OpenFlow協議沒有明確指定交換機遷移協議，但OpenFlow1。3協議明確規定控制器有三個角色：主角色、從伺服器和等式。主角色控制器對交換機擁有完全控制權，從控制器僅對交換機具有讀取許可權。當交換機連線到多個控制器時，交換機只有一個主控制器和多個從屬控制器。當交換機需要遷移時，交換機需要選擇從控制器作為其新的主控制器，舊主控制器將更改為從屬模式。

ElastiCon方案根據交換機遷移協議將一些連線到過載控制器的交換機遷移到較輕的負載控制器，並透過不斷最佳化交換機對控制器的負載實現動態負載平衡。當負載超過所有控制器的容量時，ElastiCon添加了新的控制器並觸發了交換機遷移協議；

同樣，當負載降低到一定水平時，它會關閉一些控制器以降低成本。該方案可以透過動態遷移開關來平衡控制器的負載，但當負載不穩定時，會增加重複計算和遷移的成本和延遲。Pratyaastha方案根據應用將資料流劃分為不同區域，不同區域分別對應於不同的控制器。每個控制器具有不同的流量處理功能，並實時報告開關的流量到達率和儲存分割槽的狀態。當負載不平衡時，它使用了交換機遷移協議。控制器可以方便地根據資料流型別處理請求，並減少了建立流程的時間。然而，當多控制器負載失衡時，遷移將更加複雜，並增加成本和延遲。

一種基於作用的負載平衡方案。透過計算要處理的請求的流量數，該方案將一段時間內生成大多數流量請求的交換機遷移到空閒控制器。

然而，本文沒有解釋如何處理所有控制器過載或輕負載的問題，當負載不穩定時，它會經常遷移開關。為了解決交換機遷移造成的低效率和高成本問題，針對控制器剩餘資源的拍賣問題優化了交換機遷移問題。在此機制中，輕負載控制器充當拍賣商拍賣其剩餘資源，遷移開關充當投標人。與傳統的交換機遷移策略相比，具有更好的負載平衡效果。

（2）其他負載平衡

一種動態新增或刪除控制器的演算法，該演算法可以靈活管理控制器池［41］。這個方案將整個網路分為兩部分IP網路：控制器-控制器網路和控制器開關網路。交換機和控制器由IP別名對映，因此交換機只能由控制器控制。當控制器失敗時，交換機遷移可能會使整個網路變得更加複雜和難以管理。一種具有休眠機制的多控制器模型。當控制平面上的負載較輕時，一些閒置控制器被允許進入休眠狀態以節省能源。但它只在輕負載下響應控制器，並且在控制器過載時沒有處理狀態。

研究人員透過在不同網路條件下動態更改控制器的數量和位置，實現了控制器和交換機的重新部署。但這種方法不適合現有的網路拓撲，也沒有解釋應該被視為遷移的因素

3。2。2分層架構中的負載平衡

分層架構中有兩種形式：第一個是在三角形體系結構中，控制器分為一些本地控制器和一個全域性控制器；第二個是在倒三角形架構中，存在一個控制器和開關之間的中間層。

（1）三角形架構中的負載平衡

一種兩層控制器架構上層是根控制器，下層是本地控制器。請求首先由本地控制器處理，如果本地控制器無法處理，則將其傳送到做出決定的根控制器，併發送回交換機。當有類似的請求時，本地控制器將直接處理請求，而無需訪問根控制器。本地控制器可以減輕根控制器的處理負擔，但當根控制器過載或故障時，網路效能會降低。

（2）倒三角形架構中的負載平衡

虛擬機器管理程式模型，該模型在控制器和開關之間添加了一個虛擬機器管理程式層。

虛擬機器管理程式層由三部分組成：虛擬機器管理程式例項、虛擬機器管理程式管理和虛擬機器管理程式代理。當控制器叢集過載時，將根據本文提出的控制路徑遷移協議遷移虛擬機器管理程式層的虛擬機器管理程式例項。控制器不知道虛擬機器管理程式例項的遷移，因為虛擬機器管理程式代理遮蔽了遷移。

該方案可以有效地隱藏底層交換機的差異，控制器不需要知道底層開關的變化。然而，本文沒有提到如何在虛擬機器管理程式例項過載時對其進行處理。相關研究人員提出了切片的 FlowVisor多控制器之間的流量，每個切片可以有不同的轉發策略，分別對應不同的控制器。一個使用 Flow Visor 的多服務負載均衡方案，其中不同的控制器控制不同的伺服器和選擇了不同的負載均衡方法。這個方案可以針對不同的服務進行不同的處理，但是無法解決 Flow Visor 過載的問題。在集中式SDN中，負載平衡研究側重於資料平面，這可以有效地提高網路效能並減少擁塞。在分散式SDN，負載平衡的研究主要集中在控制平面上，其中包括開關遷移策略和流量重定向策略。這些策略可以解決多個控制器之間的負載不平衡，以提高服務質量並減少響應延遲，但這些策略仍然存在一些問題。這對發展很重要，SDN將進一步研究和改進這些計劃。

4。多目標粒子群最佳化演算法描述

粒子群最佳化（PSO）演算法是一種群智慧演算法，具有良好的收斂性和最佳化效能。本文將標準PSO擴充套件到稱為MOPSO的多目標粒子群最佳化演算法，以解決多目標最佳化問題。由於多個物件可能會相互衝突，我們建立了多個群體，並透過不同群體之間的合作共同進化找到最佳解決方案。

MOPSO的主要思想如下。我們為每個最佳化目標設定了一個群體。在每次迭代中，每個人群根據標準PSO演算法最佳化自己的目標，每個人群的適應性也透過自己的目標函式來阻止。每次迭代後，我們從每個人群中選擇帕累託解決方案，並將其儲存在外部存檔中。透過使用外部檔案，我們可以指導每個人群的演變，並實現不同人群之間的資訊共享。

結論

在過去十年中，資訊和通訊技術（ICT）的能源消耗已成為一個令人擔憂的問題。根據01年的資料，世界上近4。7%的電能被ICT消耗，大約1。7%的二氧化碳排放到大氣中。此外，最近的研究表明，信通技術部門的能源需求增長速度快於總體需求［］。在主要的ICT部門中，電信網路佔ICT總能耗的三分之一以上。因此，降低網際網路服務提供商（ISP）骨幹網路的功耗對於實現該部門大幅節能至關重要。與此同時，提高資料網路的能源效率也可以大幅減少其他部門對環境的影響。

鑑於網路裝置的能耗僅受其流量負載的輕微影響，最小化資料網路消耗的有效策略是減少活動元素的數量。此功能可以透過將未使用的線卡或埠介面等元素置於低功耗睡眠狀態（睡眠模式）來實現。儘管關閉整個互連裝置可以節省更多能源，但在這項工作中，由於網路事件的彈性問題，我們不考慮這種可能性。然而，由於在骨幹網路的設計和操作中考慮了典型的過度配置，當鏈路不傳輸資料時，將網路介面的狀態更改為睡眠模式可以節省大量能源。

在這種情況下，最佳化功耗可以被視為軟體定義網路（SDN）的一個有前途的應用領域。在OpenFlow net- works 中，與轉發de- vices脫鉤的控制函式在邏輯上集中在一個名為控制器的新實體中。SDN中的邏輯集中控制平面具有網路狀態資訊的全球知識。此外，它可以管理網路任務並執行裝置配置，而無需在每個切換元素中安裝額外的軟體或硬體。同時，網路裝置僅根據控制器設定的規則轉發流量。可以利用此功能執行能感知路由排程，以協調和集中的方式確定應進入睡眠狀態的交換機介面。因此，可以在控制平面上輕鬆實現能源感知解決方案。本文透過最小化路由給定流量需求所需的活動鏈路數量，解決了最佳化SDN功耗的問題。

與之前只考慮資料平面流量的SDN中功率最小化的工作不同，我們的目標是最佳化OpenFlow網路中的能耗-與帶內控制流量一起工作。透過這種方式，當對於物理和成本限制，實施專用控制網路不可行時，可以分析能感知路由效能。此外，對於大型骨幹網路來說，這是一個更現實的場景，在控制器和轉發裝置之間傳輸控制訊息的專用連結是不切實際且成本低下。

我們的方法還考慮了對SDN正確執行至關重要的效能約束，例如控制平面流量的有界延遲和控制器之間的負載平衡。雖然這是一種更具挑戰性的方法，但我們的模型可以在不降低效能的情況下降低功耗。

與傳統的網路架構相比，近年來，SDN網路表現出巨大的優勢，併成為研究熱點，但負載失衡是懸而未決的問題之一。在對SDN當前負載平衡策略的調查和研究的基礎上，本文對負載平衡方案進行了分類，分析了它們的優缺點，並可以為該領域的其他研究人員提供指導。未來，我們將不斷研究分散式負載平衡方案，SDN架構，並尋找更好的負載平衡策略，以更好地反映SD架構的優勢，並促進SDN的進一步發展。