基于動態(tài)遷移的光傳送網(wǎng)SDN低時延調(diào)度分析

趙夢琦 孫鵬

摘要：文章首先對時延模型、遷移調(diào)度模型進行了說明，指出應(yīng)以延時調(diào)整系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還有流表耗時為落腳點，對通信代價模型進行建立，由此確定通信代價約束以及最終目標。其次圍繞SDN流表調(diào)度展開了討論，強調(diào)以通信代價模型為依托，在對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行動態(tài)遷移的前提下，結(jié)合路徑請求量對累計總效用、平均時延進行計算，基于信道負載完成動態(tài)調(diào)整工作。最后對仿真實驗過程與結(jié)果進行了討論，指出對該方法加以運用，可將控制器數(shù)量對時延產(chǎn)生影響降至最低，確保網(wǎng)絡(luò)負載始終處于相對平衡的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：光傳送網(wǎng);動態(tài)遷移;SDN調(diào)度;時延優(yōu)化

一、引言

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，SDN調(diào)度在動態(tài)性方面的表現(xiàn)更加突出，如何保證SDN性能和云計算、大數(shù)據(jù)所提出需求相符，自然成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。在此背景下，有學(xué)者指出應(yīng)根據(jù)SDN特征，制定相應(yīng)的動態(tài)遷移策略，通過對時延加以控制的方式，使SDN優(yōu)勢得到更加充分地發(fā)揮，這便是本文所討論的主要內(nèi)容，相關(guān)人員應(yīng)對此有所了解。

二、研究背景

信息時代的到來，使數(shù)據(jù)量呈井噴式增長，對海量數(shù)據(jù)進行劃分與聚合的情況變得十分常見，加之移動互聯(lián)、云計算等先進技術(shù)均對網(wǎng)絡(luò)即時性提出了更高的要求，IP網(wǎng)絡(luò)所能發(fā)揮作用變得十分有限[1]。在此背景下，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所具有靜態(tài)特性徹底打破的SDN開始為越來越多人所熟知，作為有別于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN的特點是將控制器作為內(nèi)核，通過調(diào)度域內(nèi)現(xiàn)有交換機的方式，使網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)信息得到全面且準確的傳遞，與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在開放性、擴展性兩方面，現(xiàn)已逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。事實證明，對SDN加以運用，可確保數(shù)據(jù)傳輸、控制層得到有效分離，在提高資源調(diào)度操作所具有靈活度的前提下，為先進技術(shù)的推廣還有應(yīng)用提供支持[2]。但也要了解一點，即：作為全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN被提出并得到運用的時間較短，目前，在流表部署調(diào)度、控制器部署調(diào)度等方面仍有不足存在[3]。一旦調(diào)度策略出現(xiàn)疏忽或是失誤，就會致使網(wǎng)絡(luò)時延大幅增加，不僅會造成擴展性下降、負載失衡的情況，還會給網(wǎng)絡(luò)性能帶來負面影響。鑒于此，各國學(xué)者紛紛選擇將如何有效控制網(wǎng)絡(luò)時延作為主要課題展開研究，希望能夠憑借自身的力量，使網(wǎng)絡(luò)時延的情況得到有效解決。

本文選擇以負載、時延為切入點，以目標約束為前提，綜合考慮流表調(diào)度、SDN控制器還有交換機等因素，提出可使網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力得到顯著改善的動態(tài)遷移策略，通過對比該方法和k-median的方式，對該方法在提升SDN性能方面的作用進行直接展示，供相關(guān)人員參考。

三、建立相關(guān)模型

（一）時延模型

為保證SDN時延得到有力控制，相關(guān)人員決定以SDN網(wǎng)絡(luò)為落腳點，針對其通信代價對模型進行建立。將模型輸入?yún)?shù)設(shè)成{G（S，L），M，V，T，λ}，上述參數(shù)所描述內(nèi)容均有所不同，其中，G（S，L）將SDN網(wǎng)絡(luò)與連通圖畫上等號，S代表網(wǎng)絡(luò)交換機，而L代表網(wǎng)絡(luò)鏈路。M所描述內(nèi)容為控制框架。V所描述內(nèi)容為數(shù)據(jù)實際流速。T所描述內(nèi)容為流表單位消耗時長。λ所描述內(nèi)容是時延對應(yīng)調(diào)整系數(shù)。若以域分布情況為依據(jù)，可利用以下公式對控制器進行表示：

（1）

在該公式中，mi指代元素M，可理解為i層所包含控制器實際數(shù)量。cij指代i層所包含控制器j。由此可見，可能被cij所影響的網(wǎng)絡(luò)為Gij（Sij，Lij）。以控制器j給交換機所產(chǎn)生影響為依據(jù)，對交換機實際映射情況加以確定，即sij∈{0，1}。如果cij能夠控制交換機l，則代表si1j=1，若cij無法控制交換機l，則代表si1j=0。以交換機l實際部署情況為依據(jù)，對控制器當前映射情況加以確定，即csi1j∈{0，1}。若csi1j∈{0，1}位于l上，則說明csi1j=1，如果csi1j∈{0，1}沒有被部署在l上，則說明csi1j=1。從控制器的角度來看，數(shù)據(jù)與隊列高度相似，其中，作為隊列元素的vi，其所描述內(nèi)容為即將到來的數(shù)據(jù)i，考慮到控制器針對數(shù)據(jù)所進行一系列操作，通常包括服務(wù)時間還有等待時間兩部分，因此，除特殊情況外，均可利用下列公式對數(shù)據(jù)流表實際操作時長的平均值進行計算：

（2）

在上述公式中，是指操作速度平均值。Ns是指總數(shù)據(jù)流。是指平均數(shù)據(jù)流，通常滿足。

由此可見，對單位數(shù)據(jù)流表對應(yīng)操作時長的平均值進行計算，可運用以下公式：

（3）

考慮到網(wǎng)絡(luò)所累計總通信代價，通常包括數(shù)據(jù)流、控制器兩部分，因此，相關(guān)人員決定用以下公式對輸入?yún)?shù)進行表示：

（4）

在該公式中，tik代表最優(yōu)工況下，各交換機間所存在傳遞時延。代表控制器、交換機對計算數(shù)據(jù)進行傳遞所累計總時延。代表計算控制器對數(shù)據(jù)進行操作所累積總時延，對應(yīng)調(diào)整系數(shù)的取值為0～1。而以累計通信代價視為最終目標的關(guān)鍵是要對P最小值加以確定，在此過程中，相關(guān)人員需要注意兩點要求，一是限定控制器、交換器對應(yīng)映射關(guān)系，二是確?？刂破鲾?shù)量為逐層減少。在本項目中，相關(guān)人員共設(shè)定了以下三個約束條件：首先是交換機l對應(yīng)cij取值不得超出層數(shù)范圍。其次是框架所包含控制器總數(shù)、各層數(shù)量均應(yīng)當符合要求。最后是cij所對應(yīng)交換機數(shù)量為一臺。

（二）遷移調(diào)度模型

SDN網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)期間，交換機、控制器對應(yīng)映射關(guān)系會給數(shù)據(jù)時延帶來一定的影響。若網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所包含li交換機、lj交換機互為鄰域，li將數(shù)據(jù)傳遞至lj后，lj往往會以緩沖為依據(jù)驗證數(shù)據(jù)流表，隨后，再向控制器提供相應(yīng)輸入包，而控制器的任務(wù)是以網(wǎng)絡(luò)情況、輸入包情況為依據(jù)，盡快對轉(zhuǎn)發(fā)策略進行確定，與此同時，將數(shù)據(jù)封裝在對應(yīng)的流表內(nèi)。li所發(fā)出數(shù)據(jù)，通常會先到達控制器cm，由控制器負責對數(shù)據(jù)進行封裝，再將封裝所得數(shù)據(jù)流表作為依據(jù)，完成規(guī)劃轉(zhuǎn)發(fā)策略的工作。若研究表明，直接將數(shù)據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)到鄰域需要付出較大代價，則可選擇現(xiàn)將數(shù)據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)給其他的域內(nèi)交換機lm，待數(shù)據(jù)流表順利通過驗證，由該交換機將數(shù)據(jù)發(fā)送給lj，隨后，lj便可驗證所接收數(shù)據(jù)，根據(jù)驗證結(jié)論判斷是否需要通過發(fā)送通知的方式告知控制器cn[4]。需要注意的是，只有先確定成功，控制器才能對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。以傳輸數(shù)據(jù)的流程為依據(jù)，用下列公式描述li對應(yīng)路徑請求量：

（5）

在上述公式中，L（i，j）代表li將數(shù)據(jù)傳遞給lj的過程中自身路徑請求量。代表cm所涉及交換機請求量。代表非cm所涉及交換機請求量。除特殊情況外，均可根據(jù)qim對cm實際負載進行確定，在此基礎(chǔ)上，對cm處理時間的平均值加以確定，即：

（6）

在該公式中，Rm代表cm實際容量。N代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)。結(jié)合tm公式不難看出，節(jié)點總數(shù)、控制器處理效率均會在不同程度上影響網(wǎng)絡(luò)時延，要想在控制網(wǎng)絡(luò)時延的前提下，使網(wǎng)絡(luò)均衡得到增強，關(guān)鍵是要先確定li對cm加以利用的情況，再通過由點及面的方式，獲得可被用來對控制器累計總效用進行計算的公式：

（7）

在上述公式中，Ztotal代表網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有控制器對應(yīng)累計總效用，rim代表資源利用率。該公式所傳遞信息為控制器負載和Ztotal的關(guān)系是正相關(guān)，用此可見，一般情況下，只需對動態(tài)遷移加以運用，便可使網(wǎng)絡(luò)累計效用得到有效調(diào)節(jié)，換言之，動態(tài)遷移的本質(zhì)是重構(gòu)交換機、控制器，這點需要有所了解。

四、SDN流表調(diào)度

在下發(fā)數(shù)據(jù)流表期間，通常需要對信道負載情況引起重視，現(xiàn)階段，對負載飽和度進行計算的方程組如下：

（8）

在該方程組中，fc代表計算所得控制信道負載值。fd代表計算所得數(shù)據(jù)信道的負載值。wc、wd均代表信道的加權(quán)值。f（·）代表飽和度。眾所周知，信道誕生并長期存在的關(guān)鍵是有物理鏈路提供支持，基于鏈路、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對節(jié)點集、鏈路集進行構(gòu)造，其現(xiàn)實意義有目共睹。在對特定節(jié)點間跳數(shù)最小值加以確定后，便可著手對最短路徑進行計算，同時對節(jié)點聚集度進行定義，這表明，節(jié)點聚集度與最短路徑間的關(guān)系為負相關(guān)，即：節(jié)點聚集度會隨著路徑的縮短而增大，節(jié)點也會變得更加集中，此時，聚集中心附近信道加權(quán)較其他信道更大。隨后，相關(guān)人員便可根據(jù)飽和度函數(shù)及其他公式，對fc和fd之比進行計算，根據(jù)計算所得比值，對實際負載進行判斷，真正做到依托動態(tài)遷移對流表進行及時且科學(xué)的調(diào)整[5]。在傳統(tǒng)認知中，基于多域場合對數(shù)據(jù)進行傳遞，前提是要先在域內(nèi)對數(shù)據(jù)進行數(shù)次傳遞，再通過邊緣交換機對數(shù)據(jù)進行鄰域傳遞。實際應(yīng)用情況表明，該方法所用到流表請求相對復(fù)雜，極易出現(xiàn)時延不必要增加的情況，鑒于此，相關(guān)人員指出可在負載相對均衡的前提下，基于控制器對流表進行直接傳遞，待形成相應(yīng)高速鏈路后，再通過各域所安裝控制器、交換機，完成后續(xù)傳遞工作，如圖1所示：

在圖1中，虛線即為本文所提出的全新調(diào)度方法，簡單來說，就是由交換機li負責將數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)cm，順利接收數(shù)據(jù)后，cm便可著手對數(shù)據(jù)進行封裝，將經(jīng)過封裝處理的數(shù)據(jù)分成兩部分，一部分傳送給其他的域內(nèi)交換機，另一部分傳送給cn。事實證明，用該方法替代傳統(tǒng)方法，可使下發(fā)流表的次數(shù)、運用控制器的頻率得到控制，SDN時延自然能夠得到顯著降低，其現(xiàn)實意義有目共睹。

五、結(jié)果分析

在本項目中，相關(guān)人員計劃依托networkx打造仿真環(huán)境，同時對Python算法加以運用，在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)拓撲進行構(gòu)建。拓撲節(jié)點總數(shù)為100，鏈路總數(shù)為186，數(shù)據(jù)包在128B～2048B之間，節(jié)點度平均值為2.4，數(shù)據(jù)發(fā)送率在100M左右，流表請求包對應(yīng)參數(shù)為128B。在實驗開展期間，為保證所模擬信道狀態(tài)最大程度接近真實狀態(tài)，相關(guān)人員決定隨機生成100～1000間的傳遞數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，確定源地址以及隨機地址，SDN對應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)包括底層、中間層還有頂層，其中，底層為單域，域數(shù)量是1，中間層為多域，域數(shù)量是2，頂層同樣為多域，域數(shù)量是6。

考慮到網(wǎng)絡(luò)通信代價源于數(shù)據(jù)流、控制器轉(zhuǎn)發(fā)，而時延調(diào)整系數(shù)的作用，主要是對上述時間代價所存在關(guān)系進行平衡，相關(guān)人員決定先分析通信代價、時延調(diào)整系數(shù)的關(guān)系，通過更改調(diào)整系數(shù)的方式，使通信代價得到累計。實驗結(jié)果表明，初期通信代價、系數(shù)的關(guān)系為負相關(guān)，在系數(shù)取值為0.54時，通信代價達到最小值，在此之后，二者的關(guān)系將由負相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)。此外，控制器、交換機均會給通信代價產(chǎn)生影響，針對以上因素，相關(guān)人員決定通過動態(tài)遷移調(diào)度的方式，對控制器、交換機所處位置進行改變，由此達到調(diào)整域分配的目的。

調(diào)度策略所存在差異，通常會使網(wǎng)絡(luò)控制器形成差異，系統(tǒng)時延也會受到影響。鑒于此，相關(guān)人員指出應(yīng)通過仿真的方式，深入分析控制器、時延的關(guān)系，增加控制器數(shù)量，基于k-median進行對比分析，現(xiàn)將分析所得出結(jié)果歸納如下：隨著控制器的增加，k-median時延持續(xù)下降，控制器數(shù)量越少，時延降速越快，待控制器減少到一定數(shù)量，降速將有所放緩。若對上文所介紹方法加以使用，則控制器數(shù)量變更給時延曲線平穩(wěn)性所產(chǎn)生影響并不明顯，這主要是因為上述方法將通信時延單價視為最終調(diào)度目標，在此基礎(chǔ)上，以動態(tài)遷移策略為依托，真正做到結(jié)合多域場景負載，依托控制器對數(shù)據(jù)流表進行直接發(fā)送，從根本上解決了邊緣節(jié)點發(fā)送所存在問題，在節(jié)約處理數(shù)據(jù)、傳遞數(shù)據(jù)所花費時間的前提下，將控制器數(shù)量給SDN時延所產(chǎn)生影響降至最低。另外，該方法還要對部署控制器加以運用，無論是運行成本、還是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，均會得到一定程度的提高。

對系統(tǒng)時延、數(shù)據(jù)量關(guān)系進行驗證的方法，主要是更改SDN信道負載，現(xiàn)將實驗結(jié)果歸納如下：信道負載與數(shù)據(jù)量的關(guān)系為正相關(guān)，與此同時，系統(tǒng)時延也會出現(xiàn)一定程度的提升。本文所討論方法在增速、時延方面的表現(xiàn)更加理想，這是因為該方法具有良好的負載均衡，加之流表所依托發(fā)送方式為控制器發(fā)送，通常不會出現(xiàn)過度依賴數(shù)據(jù)信號或是類似情況。

六、結(jié)束語

綜上，出于對光傳送網(wǎng)在SDN調(diào)度方面所表現(xiàn)出動態(tài)性能加以改善，使網(wǎng)絡(luò)時延得到有力控制的考慮，相關(guān)人員選擇將通信代價作為最終目標，對切實可行的遷移策略進行制定。通過仿真分析的方式，對通信代價最小時調(diào)整系數(shù)的具體數(shù)值加以確定，隨后，圍繞輸入數(shù)據(jù)量、控制器數(shù)量與系統(tǒng)時延所存在關(guān)聯(lián)展開討論，同時對負載差異、動態(tài)遷移相關(guān)性進行分析，最終得出以下結(jié)論：本文所討論方法，一方面可使域內(nèi)數(shù)據(jù)傳遞量、傳遞頻率得到有力控制，確保SDN時延維持在較為理想的狀態(tài)，另一方面可依托動態(tài)遷移對網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出負載均衡度進行提高，為日后擴展SDN網(wǎng)絡(luò)等工作的開展奠定基礎(chǔ)。

作者單位：趙夢琦? ? 61623部隊

孫鵬? ? 31411部隊

參? 考? 文? 獻

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