基于SDN的鏈式快速轉發(fā)網絡模型研究

徐昌彪，魯昭男，徐　龍

(重慶郵電大學 信息與通信工程學院，重慶400065)

基于SDN的鏈式快速轉發(fā)網絡模型研究

徐昌彪，魯昭男，徐龍

(重慶郵電大學 信息與通信工程學院，重慶400065)

摘要:針對當前網絡中降低數(shù)據包傳輸時延的機制復雜且在數(shù)據包的匹配過程中存在較高的處理時延,提出了基于軟件定義網絡(SDN)架構的虛擬鏈式快速通道路由模式(Chain-Like Hyperchannel Routing Mode，CHRN)，在將不同優(yōu)先級的數(shù)據流映射到不同的虛擬傳輸網絡上的同時，時延敏感型數(shù)據將采用不查表的快速轉發(fā)方式來降低數(shù)據包的處理時延。實驗證明，這種方式在不影響普通數(shù)據包傳輸?shù)臈l件下，有效提高了時延敏感型數(shù)據的傳輸效率。

關鍵詞:軟件定義網絡；網絡虛擬化；時延；快速轉發(fā)

伴隨著Internet技術和網絡業(yè)務的飛速發(fā)展，新型的網絡應用不斷涌現(xiàn)，例如VoIP、VOD、網絡視頻會議等，而這些新型網絡應用的共同點就是對網絡服務質量特別是網絡時延提出了更高的要求，然而，傳統(tǒng)的最大努力交付模型已無法滿足上述應用的需求。從用戶角度來看，最大交付造成了不確定的網絡狀態(tài)和不理想的網絡服務質量?，F(xiàn)有的保障服務質量的技術如Integrated Services model(IntServ)，重點關注每個信息流的參數(shù)并使用RSVP(Resource Reservation Protocol)協(xié)議使資源預留。使用這種技術的必要條件是所有的路由器都必須支持此協(xié)議并緩存所有與此服務相關的信息，而大量狀態(tài)必須被存儲在路由器中將導致明顯的拓展問題。Services model(DiffServ)使用了Type of Service(ToS)文件來分類信息流，信息流的狀態(tài)僅存儲在網內的邊界路由器中，因此只有聚合信息流才得到服務質量保障。另外，此種模式的另一缺陷就是依賴前一個應用和服務類別的映射過程[1]。多協(xié)議標簽交換(Multiprotocol laber switching，MPLS)[2]可以實現(xiàn)快速數(shù)據包交換和路由的體系，它為網絡數(shù)據流量提供了目標、路由地址、轉發(fā)和交換等能力。雖然MPLS技術使得相應數(shù)據包可不經過網絡層處理而直接轉發(fā)，但其依然無法規(guī)避查表這個過程，從而在降低路由器處理時延問題上效果不佳。2006年，以斯坦福大學Nick McKeown 教授為首的研究團隊提出了OpenFlow[3]的概念用于校園網絡的試驗創(chuàng)新，后續(xù)基于OpenFlow 給網絡帶來可編程的特性，SDN 的概念應運而生。SDN網絡控制轉發(fā)相分離的特性以及網絡的可編程性為滿足不同用戶的上網需求以及新型網絡技術的快速研發(fā)部署帶來可能。

1時延敏感型業(yè)務需求分析

1.1彈性網絡業(yè)務類型

彈性網絡業(yè)務是一種可以隨著網絡時延、抖動、吞吐量的變化而進行實時調整的通信業(yè)務，在跟隨網絡環(huán)境變化的過程中依然能夠滿足其自身的應用需求。互聯(lián)網的數(shù)據業(yè)務類型中，屬于彈性的網絡業(yè)務包括文件傳送(FIP)、網絡管理(SNMP)、電子郵件(SMTP)以及交互式應用如遠程登錄(TELNET)、語音通話、視頻直播、多媒體會議、在線游戲等。不同的彈性網絡業(yè)務在網絡資源的需求上略有差異。例如電子郵件一般對時延變化不敏感。文件傳送在聯(lián)機進行時，用戶期望時延與文件大小成正比，因此對吞吐量的變化是敏感的，而交互式應用對時延非常敏感。

1.2交互式應用對時延的需求

據統(tǒng)計，截至2014年12月，中國網絡視頻用戶已超過6.28億，網絡用戶使用網絡視頻業(yè)務的比例已達70%，在選擇網站時，超過一半的用戶傾向于選擇視頻播放更為流暢的網站。在全球范圍內，思科預計在2018年，互聯(lián)網視頻流量將會占到所有互聯(lián)網流量的80%～90%[4]，實時多媒體業(yè)務對承載網絡的服務質量特別是網絡時延的需求顯得更為迫切。

隨著通信方式的多元化發(fā)展，越來越多的人接受并逐漸習慣使用安裝在PC或者移動終端上的聊天軟件進行實時的語音通信，研究表明，用戶聽覺通常能夠忍耐的語音延遲在100 ms左右，如果往返延遲超過250 ms，通信的對端將出現(xiàn)明顯回波，用戶的聲音與對方的聲音混雜在一起，導致用戶體驗度大大降低。由此，100 ms成為實時業(yè)務服務質量關于時延的最基本要求。而在線游戲等對時延敏感度極高的交互式應用的時延上限遠小于100 ms。

由此可見，在網絡資源一定的前提下，怎樣合理地分配網絡資源，滿足時延敏感業(yè)務的傳輸需求具有重要的研究意義。

2SDN網絡虛擬化

當前的網絡虛擬化架構中，網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)[5]和軟件定義網絡(Software Define Network，SDN)[6]受到了廣泛的關注。NFV架構通過對硬件進行標準化，使得網絡應用以軟件的形式運行在通用硬件上以實現(xiàn)多重應用、多種用戶共享相同物理硬件的目的，從網絡運營商角度而言，NFV的實現(xiàn)可以大大降低網絡運營成本，同時縮短新業(yè)務的研發(fā)周期。從用戶角度而言，NFV通過對網絡資源的抽象和管理，將優(yōu)質的網絡資源租賃給所需的用戶，使用戶體驗到性價比更高的定制化網絡服務。然而，就目前而言，NFV可以實現(xiàn)網絡中的存儲、計算資源虛擬化，但很難實現(xiàn)網絡中的交換機、路由器等的數(shù)據交換資源的抽象。同時，由于NFV設備自身應用軟件與硬件緊耦合的依存關系似的NFV難以實現(xiàn)網絡的彈性伸縮。SDN架構采用控制轉發(fā)分耦合的思想，將邏輯控制集中于SDN控制器，通過開放的北向接口實現(xiàn)網絡可編程，向不同用戶提供了數(shù)據傳輸設備的資源抽象，為新型的路由轉發(fā)策略提供了優(yōu)質的實驗平臺。同時，SDN控制器通過南向接口以及標準化的openflow協(xié)議與所管理的路由器進行交互，這種固定的管控方式為實現(xiàn)彈性化的網絡拓撲和自動化的網絡功能管理帶來更多可能。

如圖1所示，網絡在運行過程中，SDN路由器會根據控制器指令定期或不定期向控制器報告當前路由器工作情況包括流表項的匹配率、流量負載、丟包率、數(shù)據包轉發(fā)時延等，控制器會根據這些信息對網絡整體狀態(tài)進行評估以作為生成路由表的依據。由于控制器能夠通過下發(fā)路由表實現(xiàn)對相應SDN路由器數(shù)據處理行為進行控制。因此控制器可以很方便地通過下發(fā)多重路由表以及對特定SDN路由器參數(shù)進行修改實現(xiàn)在同一物理拓撲上構建多重虛擬傳輸網絡。本文基于上述網絡虛擬化思想通過控制器對特定SDN路由器進行配置以實現(xiàn)在傳統(tǒng)盡力而為網絡上構建低時延的快速網絡——虛擬鏈式快速通道路由模式(Chain-Like Hyperchannel Routeing Mode，CHRN)，與傳統(tǒng)網絡相比，CHRN網絡中的時延敏感型數(shù)據被統(tǒng)一規(guī)劃到特定的快速通道進行不查表轉發(fā)，最大限度降低數(shù)據包在網絡傳遞過程總的處理時延。同時，為了提高數(shù)據包的排隊效率，通過引入資源搶占和嚴格優(yōu)先級隊列調度機制，在保證網絡負載均衡的前提下，為高優(yōu)先級數(shù)據包提供更多帶寬資源。最后，通過OPNET網絡仿真，證明了CHRN模式在滿足普通數(shù)據包合理丟包率的前提下，顯著降低了高優(yōu)先級數(shù)據包的傳輸速率。

圖1　基于SDN架構下的虛擬傳輸網絡

3CHRN 概述

3.1CHRN網絡選擇機制

在CHRN網絡中，SDN控制器基于網絡拓撲視圖，如圖2所示，以及當前網絡負載狀態(tài)選擇拓撲中的極小支配集節(jié)點上的路由器作為快速通道網絡中的核心路由器，即通過全局視圖等效出不含獨立節(jié)點的簡單無向[7]。設該圖為G=，其中V為G的點集合，E為G的邊集合。在選取支配節(jié)點過程中有節(jié)點標記M(u)，其值為0或1，分別代表非支配節(jié)點或支配節(jié)點。W(u)表示節(jié)點權值(當前某一SDN路由器負載)。node(v).dom_mum表示與節(jié)點u相鄰接的支配節(jié)點的數(shù)量；NB(V)表示與節(jié)點v相關聯(lián)的支配節(jié)點集；NDom(u)現(xiàn)有支配節(jié)點集。主要算法步驟如下所示：

?u, M(u)=1

for each(u)

{

:begin

if node(u). dom_num==1

continue;

else

{foreach(v∈node(N(u)))

{if(node(v). dom_num==1)

goto begin;

else

{Definitesubgraph

Gu=(Vu，Eu),

E={(v,w)|v∈NDom(u),w∈Vu}。

ifGuisconnected

graph, then M(u)=0

}}}}

圖2　基于網絡拓撲生成快速絡

根據上述求極小支配集方法得出圖G的一個極小支配集圖并將對應的節(jié)點作為核心路由器。根據最小支配集概念，上述所得核心路由器互不相連，因此，再次選取部分路由器使得全部選定的核心路由器可形成鏈式網絡，同時保證了在該CHRN網絡中，任何一個普通路由器所傳輸?shù)臄?shù)據包可經過至多一跳的步數(shù)到達快速網絡。

3.2CHRN快速轉發(fā)機制

鏈式網絡最大的優(yōu)勢在于其單一的入口端和出口端，如圖3所示，需要經快速網絡傳輸?shù)母邇?yōu)先級數(shù)據包在進入快速網絡所覆蓋的核心路由器后必須從固定的包頭域記錄數(shù)據包傳輸所需信息，如IP地址、MAC地址、端口號等。

圖3　CHRN快速轉發(fā)機制

出口進入下一個路由器從而避免查表匹配過程產生的處理時延。當數(shù)據包到達接近目的路由器的核心路由器時，由核心路由器將其推入普通網絡并最終到達目的主機。數(shù)據包格式如圖4所示，其中標簽域與計數(shù)域均由4 bit組成。當路由器檢測到數(shù)據包為時延敏感型數(shù)據時，將其推入快速網絡并將相應跳數(shù)寫入數(shù)據包計數(shù)域。數(shù)據包在快速網絡傳輸過程中，核心路由器只檢測標簽域并對計數(shù)域進行減一處理，最后直接由固定端口傳遞到下一核心路由器。

圖4　CHRN數(shù)據包格式

3.3CHRN網絡節(jié)點介紹

CHRN網絡控制器作為網絡控制層設備，負責域內所有路由器流表的生成和管理，同時獲取網絡運行相關參數(shù)如路由器負載、丟包率、時延等并根據這些參數(shù)定期更新路由器的流表以保障網絡的正常運行。同時，根據CHRN網絡需求，控制器會根據當前網絡運行狀態(tài)通過對相應路由器端口參數(shù)進行配置，動態(tài)生成快速網絡，以保證時延敏感型數(shù)據的快速轉發(fā)。

CHRN核心路由器由SDN控制器根據當前網絡狀態(tài)以及極小支配集算法產生，功能邏輯圖如圖5所示，進入核心路由器的數(shù)據包將首先進行標簽檢測，如上所述，當檢測到該數(shù)據包為時延敏感型數(shù)據包，且該數(shù)據包計數(shù)域不為全零，則核心路由器將其計數(shù)域內數(shù)據減一后直接跳過查表過程插入到固定輸出端口排隊，普通數(shù)據包將根據包頭相關信息查表匹配后進行相應處理。路由器為每一個輸出端口維持兩組隊列，如圖3所示，通過嚴格優(yōu)先級隊列調度機制，保證高優(yōu)先級數(shù)據包轉發(fā)完畢后傳輸普通數(shù)據包，為防止短期內高優(yōu)先級數(shù)據包的突發(fā)造成普通數(shù)據包的大量丟包，路由器會在普通數(shù)據包丟包率超出門限時向控制器發(fā)出流表更新請求，控制器會根據網絡運行情況下發(fā)新的流表使得部分普通數(shù)據包能夠避開快速傳輸網絡端口，從而保證普通數(shù)據包的合理丟包率。

圖5　CHRN核心路由器邏輯功能圖

當CHRN網絡選定核心路由器后，域內其余路由器以普通路由器狀態(tài)運行，主要負責數(shù)據包優(yōu)先級的檢測以及快速數(shù)據包發(fā)送和接收，當CHRN普通路由器在檢測到所處理的數(shù)據包為時延敏感型數(shù)據包且計數(shù)域不為全零時將其直接轉入與核心路由器相關聯(lián)的輸出端口排隊，亦不必做過多處理，而計數(shù)域全零表示該數(shù)據包來自核心路由器，普通路由器將通過二層轉發(fā)方式將其轉發(fā)到目的主機。對于普通數(shù)據包，路由器則根據控制器下發(fā)的流表進行匹配，根據匹配結果執(zhí)行相應動作。

4實驗及仿真

為體現(xiàn)本文算法的優(yōu)勢所在，將基于目的IP尋址路由方式與本文基于快速虛擬網絡不查表路由方式進行對比，從數(shù)學模型和網絡仿真兩個層面說明本文算法的優(yōu)勢所在。

4.1數(shù)學建模

基于如下假設：

1)網絡中各個節(jié)點是相互獨立的排隊系統(tǒng)，并且各個節(jié)點的外部到達通信流的到達速率服從泊松分布。

2)網絡中的各個節(jié)點的服務時間服從相互獨立的負指數(shù)分布。

3)數(shù)據包在某個節(jié)點接受服務之后以一定概率到達其他節(jié)點或者離開當前網絡。

構建開環(huán)Jackson網絡模型，其中每一個路由器可視為獨立的M/M/1排隊模型，如圖6、圖7所示。

圖6　最短路徑下基于IP尋址路由拓撲

圖7　虛擬快速網絡路由拓撲

(1)

(2)

式中：TIP和TCHRN分別為數(shù)據包通過基于IP尋址路由和基于快速虛擬鏈路路由兩種方式下到達目的端口所需的平均時間。L為某一路徑上經過的路由器的個數(shù)。單位時間數(shù)據包的到達數(shù)量服從強度為1的泊松分布。Tsi.IP和Tsi.CHRN分別為不同尋址方式下系統(tǒng)平均服務時長。根據CommBench[8]轉發(fā)復雜度計算方式，基于二叉樹尋址和基于虛擬快速鏈路尋址兩種方式轉發(fā)復雜度如表1所示。

表1轉發(fā)復雜度

程序轉發(fā)復雜度IP21153.84CHRN10811.06

根據轉發(fā)復雜度和系統(tǒng)處理時間的現(xiàn)行關系可近似得到

(3)

由此可得

(4)

4.2網絡仿真

網絡仿真采用OPNET網絡仿真軟件構建SDN網絡實驗平臺，其中控制器基于全局視圖通過Dijkstra最短路徑算法為各路由器生成用于轉發(fā)普通數(shù)據的流表項，同時，一半的時延敏感型數(shù)據由CHRN網絡進行傳輸，而另一半通過嚴格隊列調度策略實現(xiàn)快速轉發(fā)，以此作為對比。來自數(shù)據源的數(shù)據流以強度為1的泊松流生成時延敏感型數(shù)據并在數(shù)據包Tab域內標記“0”，網絡鏈路帶寬為10 Mbit/s。交換機中時延敏感數(shù)據隊列截止隊長為500，普通隊列截止隊長為5 000，并以5 packet/s的恒定速率處理數(shù)據包。仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8　兩種傳輸模式下時延對比(截圖)

圖9　兩種傳輸模式下丟包率對比的丟包率(截圖)

由圖8可知，基于快速虛擬網絡的不查表轉發(fā)方式，大大降低了路由器處理數(shù)據包過程中產生的時延，從而提高了時延敏感數(shù)據的傳輸速率。而通過加權最短路徑算法規(guī)避快速鏈路上的路由器使得普通數(shù)據包在網絡傳輸過程中不會受到太大影響，如圖9所示，基于快速虛擬鏈路的不查表轉發(fā)方式較IP尋址方式，網絡中的平均丟包率變化不大。

5總結與展望

SDN(軟件定義網絡)技術將網絡的控制平面和數(shù)據平面分離開來，控制器在控制平面為網絡提供全局視圖，為路由器的數(shù)據轉發(fā)策略提供了更多可能。本文受生活中鐵路運輸過程動車和普通列車運行方式的啟發(fā)，將普通數(shù)據包作為普通乘客在正常的網絡中一站、一站地運行，而時延敏感型業(yè)務就像是乘坐動車的乘客，不再考慮中途的換乘和轉車，而是快速地直達目的地。截至目前，CHRN以實現(xiàn)粗粒度的時延敏感數(shù)據包的快速轉發(fā)，在接下來的工作中，將對多種數(shù)據如語音、流視頻、網絡協(xié)議等的QoS(網絡服務質量)需求進行細粒度的研究，通過SDN特有的虛擬化功能，在相同物理架構下運行多重虛擬網絡以滿足不同數(shù)據的QoS需求。

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徐昌彪(1972— )，博士，教授，博士后出站，研究方向為無線TCP、IP QoS、移動IP、IP組播以及無線自組織網等；

魯昭男(1990— )，碩士生，主研下一代網絡和面向SDN網絡架構的路由算法，為本文通信作者；

徐龍(1989— )，碩士生，主研無線接入技術和下一代網絡。

責任編輯：許盈

Noval research on SDN-based chain-like fast net technology

XU Changbiao, LU Zhaonan, XU Long

(SchoolofTelecommunicationandInformationEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065,China)

Abstract:In this paper, a novel chain-like hyperchannel routing mode(CHRN) is presented, which is based on the Software Defined Networking(SDN) virtualization technology to deal with the problems that the current mechanism of reducing packets delay is complicated and there is quite a high processing delay during matching flowtable in some routers. In this design,different data will be mapped to different virtual transport network and latency-sensitive data will be handled by the fast transport mechanism without matching flowtable. The simulation show that this approach could effectively improve the transport efficiency of the network without affecting the normal data.

Key words:software defined networking; network virtualization; delay; hyperchannel routing

中圖分類號:TN915.04

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.014

基金項目：國家自然科學基金項目(61301124)

作者簡介：

收稿日期：2015-11-16

文獻引用格式：徐昌彪，魯昭男，徐龍. 基于SDN的鏈式快速轉發(fā)網絡模型研究[J].電視技術，2016，40(6)：73-77.

XU C B，LU Z N，XU L. Noval research on SDN-based chain-like fast net technology[J].Video engineering，2016，40(6)：73-77.

專題SDN技術與應用