宋文文+楊森+薛萊

摘 要：伴隨網(wǎng)絡(luò)信息化科技的迅猛發(fā)展與普及，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)面臨諸多不可控制的難題，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）符合趨勢的發(fā)展需求，其核心思想的“分組轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)控制分離”處理方法已逐漸被廣大研究人員接受。本文在SDN視角下，針對諸多不可控的元素討論基于Floodlight + Mininet的仿真測試平臺的相關(guān)問題，利用V-Switch交換機構(gòu)建虛擬平臺的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計，后臺使用java平臺設(shè)計軟件進(jìn)行控制，最終模擬實現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)SDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并完成基于SDN的實施路徑規(guī)劃流程的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：SDN；Openflow；Mininet；Floodlight

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.229

1 引言

伴隨網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的基于Ethernet和TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)因為其設(shè)計的松散性和簡單性的特征，使得其在Internet得到了規(guī)?；瘧?yīng)用和快速發(fā)展，然而隨著Internet的應(yīng)用日益深入和廣泛和使用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，Internet的結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與生俱來的缺陷逐漸呈現(xiàn)并且爆發(fā)起來。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的純分布式控制特點，管理者無法從全局角度指定數(shù)據(jù)包的整體路徑，只能通過包頭標(biāo)識符的方式對數(shù)據(jù)包進(jìn)行有限約束或優(yōu)化。SDN（Software Define Network 軟件定義網(wǎng)絡(luò)）作為一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概念，具有控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離實現(xiàn)了邏輯集中控制、開放式編程接口，從而解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的問題，為這些路徑控制不明確的問題提供了新的解決思路和方案。

本文的目的是通過在SDN新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下使用OpenFlow技術(shù)來研究低負(fù)載條件的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的SDN實時路徑規(guī)劃問題。

2 基于SDN的實時路徑規(guī)劃的設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

采用對稱的Fat-Tree網(wǎng)絡(luò)模型來分析問題，對稱的Fat-Tree網(wǎng)絡(luò)模型簡便易行，胖樹架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)帶寬不收斂，胖樹網(wǎng)絡(luò)則更像是真實的樹，越到樹根，枝干越粗，即：從葉子到樹根，網(wǎng)絡(luò)帶寬不收斂，適合用來說明和解決問題。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計思路

根據(jù)系統(tǒng)的功能性與非功能性需求分析，將本系統(tǒng)劃分為4大功能模塊：控制器交互模塊、人機交互模塊、路徑選擇模塊、流量分析模塊。

控制器交互模塊：控制器交互模塊分為三個子模塊：Topo信息獲取、Topo信息處理、轉(zhuǎn)發(fā)控制。

人機交互模塊：人機交互模塊可分為圖形界面設(shè)計、Topo顯示、用戶輸入、轉(zhuǎn)發(fā)路徑輸出共四個子模塊。

路徑選擇模塊：路徑選擇模塊是本系統(tǒng)的計算核心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑的計算。本模塊可以劃分為最短路徑選擇、最優(yōu)路徑選擇兩個子模塊。

流量分析模塊：流量分析模塊必須具備如下兩個核心功能：第一個是驗證轉(zhuǎn)發(fā)層是否在Ryu控制器的控制下按照路徑選擇模塊計算出的轉(zhuǎn)發(fā)路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；第二個是監(jiān)控整個Fat-Tree網(wǎng)絡(luò)Topo中的流量。

2.3 軟件體系結(jié)構(gòu)

其中使用了跨平臺的B/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了PC/Mobile的平臺兼容性，后臺使用Flask作為Web框架，利用Nginx來進(jìn)行py文件的渲染。在Ryu/Ryu和Mininet的環(huán)境下搭建拓?fù)?，并讀取數(shù)據(jù)，Application端的軟件完全采用面向?qū)ο蟮姆绞絹韺崿F(xiàn)，極大的提高了靈活性和可擴(kuò)展性，為軟件功能的擴(kuò)充帶來了方便。

2.4 應(yīng)用場景介紹和特性總結(jié)

通過平臺搭建和后臺編程，最終實現(xiàn)了基于SDN的實時路徑規(guī)劃，總結(jié)起來應(yīng)用場景有如下兩個特征：

第一個是OpenFlow將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上維護(hù)流表（flow table）結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分組按照流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而流表的生成、維護(hù)、配置則由中央控制器集中管理，靈活性和擴(kuò)展性更高，從而加速網(wǎng)絡(luò)部署周期。

第二個是可以通過中央控制器靈活地進(jìn)行動態(tài)管理和配置，可在不影響傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正常流量的情況下，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中添加規(guī)則，降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。

綜上所述，本文提出的實時路徑規(guī)劃需要加入動態(tài)路徑規(guī)劃（DP）模塊的RYU控制器，DP模塊可以讀取整個網(wǎng)絡(luò)的流量分布，并且可以根據(jù)策略對交換機進(jìn)行流表配置。為交換機設(shè)置具有帶寬控制的隊列，每個隊列可以設(shè)置經(jīng)自己轉(zhuǎn)發(fā)的包的最大最小帶寬，以及對鏈路的占用時間。配置路徑選擇策略，控制器的DP模塊根據(jù)策略建立每個交換機的流表配置，并寫入交換機。

3 小結(jié)

本文分析和總結(jié)SDN相關(guān)的發(fā)展歷程，分析基于SDN的實時路徑規(guī)劃中的各個核心問題，基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)邏輯和控制分離，結(jié)合本文相關(guān)工作總結(jié)SDN有如下三個優(yōu)點：1.集中高效的網(wǎng)絡(luò)管理和運維維護(hù)；2.靈活的組網(wǎng)和多路徑轉(zhuǎn)發(fā)；3.智能虛擬機部署和遷移，解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)集中自動化管理，多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，綠色節(jié)能問題。

概而言之，SDN網(wǎng)絡(luò)能力是開放和虛擬化有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心容量提升，虛擬機智能部署和遷移，大規(guī)模虛擬租戶需求，目前SDN技術(shù)還不成熟，多控制器控制機制的研究也將是下一個重要研究領(lǐng)域。

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