劉思遠(yuǎn)，杜海燕，李 麗，彭麗娟，方欣欣

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

現(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和負(fù)載等變得日益龐大和繁重，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足通信網(wǎng)絡(luò)的需求，尤其是對于那些復(fù)雜的通信環(huán)境，因此，迫切需要新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化和改造，這將是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。以SDN 為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可和熱議，SDN 作為嶄新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動力。SDN 技術(shù)大大提高了業(yè)務(wù)的響應(yīng)時間，并且可以定制特定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；SDN 網(wǎng)絡(luò)由軟件實現(xiàn)各種控制，軟件的配置決定了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能、性能和種類等；服務(wù)器可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)完成對網(wǎng)絡(luò)的控制；能夠?qū)崿F(xiàn)硬件平臺的統(tǒng)一化，各廠家的硬件設(shè)備可以相互替代，便于維護，硬件與上層的業(yè)務(wù)解耦，只需關(guān)注存儲和轉(zhuǎn)發(fā)能力。上述優(yōu)勢決定了SDN 技術(shù)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要研究方向。應(yīng)用SDN 技術(shù)可以很好地解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的諸多問題。

本文提出了一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將SDN 技術(shù)與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相結(jié)合。該架構(gòu)先由傳統(tǒng)路由預(yù)先收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑼瓿删W(wǎng)絡(luò)初始聯(lián)通狀態(tài)的建立，在此基礎(chǔ)上再利用SDN 架構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，對上實現(xiàn)對應(yīng)用業(yè)務(wù)類型統(tǒng)計、分析和感知，對下通信網(wǎng)絡(luò)資源進行收集、計算和評估。該架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，利用開放可編程模式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化控制，實現(xiàn)不用類型業(yè)務(wù)QoS 精確保障的和快速轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。

1 SDN 體系結(jié)構(gòu)分析

SDN 作為一種嶄新的技術(shù)思想，成為促進計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)展的一種新的驅(qū)動力。2006 年，SDN技術(shù)誕生于斯坦福大學(xué)的一個試驗室，研究其根本目的是為了讓網(wǎng)絡(luò)管理員以集中的方式實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信的安全控制，方便操控管理。隨著時間的推移，SDN 標(biāo)準(zhǔn)由于實際應(yīng)用場景的不同也愈發(fā)的多樣性，由開放網(wǎng)絡(luò)基金會（open networking foundation，ONF）的白皮書中提到的SDN 技術(shù)成為了業(yè)內(nèi)人士普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)有許多的運營商、云技術(shù)中心進行了SDN 實踐。

圖1 展示了ONF 所定義的SDN 參考模型，從圖1 中可以看出，SDN 可以分為應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層三層結(jié)構(gòu)。它們之間通過南北向接口進行交互。

圖1 SDN 架構(gòu)模型

應(yīng)用層的SDN 應(yīng)用程序主要是為了滿足用戶的需求而設(shè)計的。SDN 應(yīng)用程序通過控制層提供的可編程平臺控制和訪問基礎(chǔ)設(shè)施層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

控制層通過南向和北向兩個接口連接應(yīng)用層和基礎(chǔ)設(shè)施層。與應(yīng)用層通過北向接口交互，北向接口接收用戶或服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求，用戶可按需進行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)約、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑下發(fā)。SDN 控制器通過北向接口向上提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)鏈路、拓?fù)洹⒘髁抠Y源，提供全局化的網(wǎng)絡(luò)資源視圖。與基礎(chǔ)設(shè)施層通過南向接口交互，為控制器制定控制和訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要由底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如交換機、路由器等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有兩個主要功能。第1 個功能是負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)使用信息、流量統(tǒng)計等）存儲在本設(shè)備上然后將其發(fā)送到控制器；第2 個功能是根據(jù)控制器所提供的規(guī)則處理數(shù)據(jù)包。

2 體系架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計分析

設(shè)計的主要思路為采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）與傳統(tǒng)路由相結(jié)合的組網(wǎng)控制體制，并且將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。先由傳統(tǒng)路由預(yù)先收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑼瓿删W(wǎng)絡(luò)初始聯(lián)通狀態(tài)的建立，在此基礎(chǔ)上再利用SDN架構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，對上實現(xiàn)對應(yīng)用業(yè)務(wù)類型統(tǒng)計、分析和感知，對下通信網(wǎng)絡(luò)資源進行收集、計算和評估，通過對大數(shù)據(jù)綜合分析，能夠針對不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和轉(zhuǎn)發(fā)策略，最后利用SDN 硬件交換進行大容量數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)發(fā)。從而實現(xiàn)不用類型業(yè)務(wù)QoS 精確保障的和快速轉(zhuǎn)發(fā)?？傮w的框架如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

整個架構(gòu)的主要優(yōu)勢有：

1）網(wǎng)絡(luò)控制更加靈活，SDN 支持控制功能的集中式與轉(zhuǎn)發(fā)功能的分布部署，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一分配和部署，并且提供面向業(yè)務(wù)開放接口。SDN 通過對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與上層應(yīng)用解耦實現(xiàn)底層物理資源的虛擬化和抽象化，從全局的視圖實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管控。

2）可靠性更高，通過北向接口接收用戶需求，將需求轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)側(cè)轉(zhuǎn)發(fā)動作，再通過南向接口協(xié)議下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)面，可形成面向需求、面向任務(wù)的專用網(wǎng)絡(luò)，從而保證業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

3）通用性更強，影響通用性的主要因素有拓?fù)涞墨@取、控制平面的南向接口和北向接口、動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址分配。在拓?fù)浍@取方面，由控制器統(tǒng)一獲取，設(shè)備無需參與；南向接口和北向接口均采用業(yè)界通用的接口，遵循業(yè)界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 控制器設(shè)計

控制器是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心部分。通過北向接口，上層應(yīng)用向控制器下發(fā)決策；通過南向接口，對通信網(wǎng)絡(luò)資源進行收集、計算和評估；控制器對應(yīng)用的決策模塊化處理，翻譯成基礎(chǔ)設(shè)施能處理的消息，并發(fā)給底層的設(shè)備。控制器的架構(gòu)如圖3 所示，包括：核心控制模塊、網(wǎng)絡(luò)功能抽象、資源池等功能模塊。

圖3 控制器的架構(gòu)

核心控制模塊為應(yīng)用程序提供可靠的運行環(huán)境。資源采集和流量識別通過南向接口完成轉(zhuǎn)發(fā)面鏈路狀態(tài)信息、流量信息、鏈路健康狀態(tài)等信息匯總，為策略管理和資源計算提供依據(jù)；資源計算、策略管理及虛擬任務(wù)網(wǎng)通過北向接口接收用戶需求，將需求轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)側(cè)轉(zhuǎn)發(fā)動作，再通過南向接口協(xié)議下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)面。形成面向需求、面向任務(wù)的專用網(wǎng)絡(luò)，保證特殊業(yè)務(wù)的可靠傳輸；路由表轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將傳統(tǒng)分布式路由協(xié)議形成路由表，按照南向接口協(xié)議注入轉(zhuǎn)發(fā)面，動態(tài)維護轉(zhuǎn)發(fā)面中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，以實現(xiàn)包轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的快速匹配。

資源池模塊實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)的資源化。維護單元主要保證資源池讀和寫的邏輯相同；本地網(wǎng)絡(luò)信息庫和共享網(wǎng)絡(luò)信息庫分別存儲本地數(shù)據(jù)和分布式數(shù)據(jù)。

南向協(xié)議服務(wù)有南向協(xié)議、設(shè)備性能監(jiān)視和日志管理等部分。主要完成SDN 控制按照特定的交互協(xié)議完成對IP 交換轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制和傳輸狀態(tài)的監(jiān)控。

2.3 南北向接口設(shè)計

目前，OpenFlow 基本成為SDN 公認(rèn)的南向接口，北向接口的設(shè)計成為了SDN 技術(shù)的關(guān)鍵。

控制器南向接口使用公認(rèn)的OpenFlow。最重要的部分是OpenFlow 交換機，由流表、協(xié)議、安全通道3 部分組成。OpenFlow 協(xié)議描述的是交換機和控制器之間的接口標(biāo)準(zhǔn)和流表格式等；交換機根據(jù)流表來處理數(shù)據(jù)包；安全通道是控制器和交換機通信的通道。流表結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 OpenFlow 交換機的流表結(jié)構(gòu)

流表一般由圖4 所示的6 部分組成。匹配域用來匹配具體的包；優(yōu)先級是流表項匹配的優(yōu)先級；計數(shù)器當(dāng)表項匹配時自動加一；指令能改變流水線的過程；Cookie 是SDN 控制器使用的一些數(shù)據(jù)。OpenFlow 流表流水線處理包的過程如圖5 所示。

圖5 OpenFlow 流表處理包的過程

控制器和openflow 交換機建立通信連接的過程為：

1）交換機向所有的控制器發(fā)送hello 的消息。

2）當(dāng)其中的某個控制器收到hello 消息后，立刻向交換機回復(fù)一個hello 的消息，同時發(fā)送一個請求功能（features_request）。

3）當(dāng)交換機收到請求消息后，立即給控制器回復(fù)features_reply 消息。并且將交換機的各個端口啟動，并向控制器報告端口改變的事件。

4）如果收到包的交換機的流表為空，就向控制器發(fā)送packet_in 消息。

5）控制器向交換機發(fā)送設(shè)備配置（set_config）、障礙請求（barrier_request）、獲取配置請求（get_config_request）等消息構(gòu)成的包。交換機收到后回復(fù)barrier_reply，et_config_reply 等消息。

6）控制器向交換機發(fā)送desc_atats_request，交換機收到后回復(fù)desc_stats_reply 消息。

7）控制器依次向交換機發(fā)送controller_role_request 消息，交換機收到后回復(fù)。

北向接口使用Restful API 協(xié)議。該協(xié)議是目前使用最廣泛的一種協(xié)議，具有高效性和簡潔性等特性。控制器北向接口Restful API 實現(xiàn)用戶對控制器的功能調(diào)度。

控制器北向接口接收信息的流程為：

1）用戶向網(wǎng)絡(luò)web 服務(wù)器發(fā)送超文本傳輸協(xié)議業(yè)務(wù)請求信息；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將消息轉(zhuǎn)發(fā)給Restful Web 服務(wù)模塊。

2）根據(jù)Restful API，Restful Web 模塊將消息發(fā)送到北向接口層。

2018年彩電行業(yè)的經(jīng)歷可謂一波三折，既有彩電面板價格回升的利好，也有宏觀政策調(diào)控、企業(yè)轉(zhuǎn)型帶來的陣痛。

3）北向接口層的各個業(yè)務(wù)模塊調(diào)用相應(yīng)的模塊API 處理業(yè)務(wù)。

控制器北向接口發(fā)送信息的流程為：

1）控制器處理完信息成后將數(shù)據(jù)返回給北向接口層。

2）北向接口層將數(shù)據(jù)返回給Restful web 模塊。

3）Restful Web 模塊將數(shù)據(jù)返回給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過超文本傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

2.4 傳統(tǒng)路由協(xié)議的設(shè)計

傳統(tǒng)的路由協(xié)議將路RIP、LSR 和MGP3 種協(xié)議相結(jié)合。RIP（routing information protocol）主要實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的路由表轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的互聯(lián)互通；基于優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議LSR（link state routing）針對無網(wǎng)絡(luò)路由功能的子網(wǎng)，實現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)各個通信節(jié)點的數(shù)據(jù)通信；動態(tài)多網(wǎng)關(guān)協(xié)議MGP（multi-gateway routing）針對具備路由功能的子網(wǎng)，解決子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點和子網(wǎng)外節(jié)點的通信。按照路由數(shù)據(jù)的處理流程，可將模塊劃分為消息收發(fā)、業(yè)務(wù)處理以及路由表操作等3 大部分。如圖6 所示。

圖6 傳統(tǒng)路由協(xié)議模塊

消息收發(fā)部分包括發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分從業(yè)務(wù)處理模塊接收需要發(fā)送的信息，根據(jù)要求打包成協(xié)議消息格式，從相應(yīng)的socket 端口發(fā)送。接收部分從socket 接收數(shù)據(jù)，進行消息解碼，根據(jù)消息類型調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊處理。

業(yè)務(wù)處理部分包括RIP 協(xié)議處理、LSR 協(xié)議處理和MGP 協(xié)議處理。

3 架構(gòu)的實現(xiàn)與測試

3.1 開發(fā)及運行環(huán)境

硬件平臺選用飛騰1500A、龍芯3A3000 等國產(chǎn)硬件平臺，操作系統(tǒng)選用中標(biāo)麒麟、銀河麒麟等國產(chǎn)操作系統(tǒng)。軟件的運行要基于自主可控平臺，軟件開發(fā)采用C++語言進行編程。

3.2 軟件的實現(xiàn)

通過以上分析設(shè)計，完成SDN 組網(wǎng)控制軟件。該軟件是在傳統(tǒng)路由的基礎(chǔ)上采用SDN 架構(gòu)引入策略組網(wǎng)控制服務(wù)，改善通信服務(wù)質(zhì)量。該軟件將SDN 控制器、路由器和交換機等設(shè)備功能軟件化，能夠部署在各種硬件設(shè)備上面。軟件的設(shè)計可以實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的減型增效。交換機的部分采用虛擬交換機（openvswitch，OVS）實現(xiàn)，該交換機質(zhì)量高、擴展性和兼容性強，與物理交換設(shè)備相比開銷小，同時能夠支持標(biāo)準(zhǔn)的南向接口協(xié)議OpenFlow，而且可以通過編程的方式擴展網(wǎng)絡(luò)。

SDN 組網(wǎng)控制軟件的主要功能模塊有：SDN 控制模塊、路由模塊、組網(wǎng)控制模塊、南向協(xié)議服務(wù)模塊、北向資源管理接口模塊、配置管理模塊、web 視圖模塊等。各個模塊同時又保護了大大小小的子模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：設(shè)備接入和組網(wǎng)控制、路由功能、數(shù)據(jù)交換功能、網(wǎng)絡(luò)感知和狀態(tài)管理功能等。

其中，組網(wǎng)控制模塊相當(dāng)于是對傳統(tǒng)路由的調(diào)優(yōu)，傳統(tǒng)的路由根據(jù)某一權(quán)值計算出的路徑相對唯一，業(yè)務(wù)經(jīng)傳統(tǒng)路由的最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)時容易在某一公共路徑產(chǎn)生擁塞，組網(wǎng)控制則通過策略流表的方式對路徑進行全局調(diào)優(yōu)規(guī)劃，但是傳統(tǒng)的路由在此架構(gòu)中起到了非常關(guān)鍵的作用。

3.3 測試與驗證

為了驗證網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的有效性，設(shè)計了以下場景：

如圖7 所示，采用3 點鏈狀或者環(huán)狀進行拓?fù)溥B接（節(jié)點1～節(jié)點3），圖7 中虛線代表可以隨時拆除連接，這樣可以隨時改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拆除時為3點鏈狀，連接時為3 點環(huán)狀，備用節(jié)點的作用是用來隨時增加和刪除節(jié)點。每一個節(jié)點都是裝有銀河麒麟操作系統(tǒng)的計算機，各個節(jié)點之間采用有線連接。節(jié)點1 到3 對應(yīng)的IP 地址依次為172.168.1.1-172.168.1.3，備用節(jié)點的IP 地址為172.168.1.4。采用圖7 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別對新設(shè)計SDN 架構(gòu)和傳統(tǒng)的架構(gòu)進行對比測試。每個計算機上安裝有設(shè)計好的SDN 組網(wǎng)控制軟件。

圖7 實驗場景拓?fù)鋱D

首先測試在新型SDN 架構(gòu)下，各個節(jié)點的路由表信息是否正確，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況下，是否可以迅速增加、刪除路由表項。測試方法為在shell中檢查各個節(jié)點路由表的變化情況，SDN 組網(wǎng)控制軟件檢查路由表的命令為rtshow，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)各個節(jié)點的路由表顯示信息正確。將備用節(jié)點與節(jié)點3進行連接，路由表項中出現(xiàn)了備用節(jié)點的路由，并且各個節(jié)點都能互相ping 通，網(wǎng)絡(luò)的連通性非常好；斷開備用節(jié)點與節(jié)點3 的連接，各個節(jié)點的路由表均刪除了備用節(jié)點的路由。

對比SDN 新架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能，分別測試兩種架構(gòu)的丟包率、時延、吞吐量和收斂時間，測試方法為節(jié)點1 向節(jié)點3 發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，在各個節(jié)點用抓包工具進行抓包和ping 包。

經(jīng)過反復(fù)測試，對測試結(jié)構(gòu)進行分析。圖8 顯示的是隨時間變化的吞吐量，可以看出，傳統(tǒng)架構(gòu)的吞吐量在開始時抖動較大，穩(wěn)定性比較差；而SDN 新架構(gòu)相對而言具有良好的穩(wěn)定性，吞吐量波動小，而且SDN 架構(gòu)的吞吐量較高，網(wǎng)絡(luò)性能比較好。圖9表示收斂時間的累計概率統(tǒng)計圖，相比于SDN 新架構(gòu)，傳統(tǒng)架構(gòu)有較長的鏈路收斂時間，而SDN 新架構(gòu)的鏈路收斂時間較短，SDN 新架構(gòu)的收斂時間≤1 600 ms。同時測得新架構(gòu)的丟包率≤0.5%，時延平均為35 ms 左右，而傳統(tǒng)架構(gòu)的丟包率為1.5 %左右，時延為60 ms 左右。SDN 新架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)。由此可驗證基于SDN 與傳統(tǒng)路由協(xié)議相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性。

圖8 隨時間變化的吞吐量

圖9 收斂時間的概率統(tǒng)計

4 結(jié)論

SDN 網(wǎng)絡(luò)具有可編程性、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、邏輯集中控制等諸多優(yōu)勢，該技術(shù)在現(xiàn)如今正飛速發(fā)展，在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛的重視。本文根據(jù)ONF 提出的SDN 架構(gòu)，并結(jié)合傳統(tǒng)的路由協(xié)議，設(shè)計出了一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)采用SDN 技術(shù)與傳統(tǒng)路由協(xié)議相結(jié)合的設(shè)計思想，該架構(gòu)利用開放的可編程的軟件模式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化控制，實現(xiàn)不用類型業(yè)務(wù)QoS 精確保障和快速轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。最后，對此架構(gòu)進行了驗證。事實證明此架構(gòu)，具有重要的應(yīng)用和參考價值。