基于SDN的流量工程研究

康　潛,劉建明

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林　541004;2.桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林　541004)

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基于SDN的流量工程研究

康潛1,劉建明2

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林541004;2.桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林541004)

針對網絡效率低、移植性和可控性差，設計一種替換策略決定交換機的替換順序，并利用軟件定義網絡(SDN)技術將傳統交換機更換為支持OpenFlow(OF)協議的交換機，分流數據流量，降低了網絡擁塞。仿真結果表明，與隨機替換策略相比，該策略提高了可控鏈路數量和節省了鏈路空間。

軟件定義網絡；OpenFlow；交換機；替換策略

隨著網絡的發展，用戶對通信質量的要求越來越高，最大化利用現有網絡設備成為一個重要課題。傳統網絡發展遇到了瓶頸，最短路徑轉發使傳統網絡模式固化，網絡體系效率低下、不易擴展。在目前網絡體系中，大多數節點采用路由信息協議(RIP)或開放式最短路徑優先(OSPF)傳送信息。這些協議將信息通過最短距離進行傳輸,但交換機僅計算源節點到目的節點的最短距離，不計算非最短路徑的利用率，導致網絡負載失衡[1]。

Mckeown基于對未來網絡的發展提出了軟件定義網絡(SDN)[2],其核心思想是將控制平面和轉發平面相分離，控制器獨自監聽網絡狀態并下發協議，轉發單元不具備智能性，機械地將數據發送到目的地址，增加網絡的靈活性并實現網絡控制器對網絡數據流的控制[3]。

流量工程通過局部調整網絡狀態優化網絡資源，將軟件定義網絡技術應用到流量工程中，可以更好地實現對網絡的控制?？紤]成本、服務質量等因素，現有網絡需逐步改造為SDN網絡。網絡服務提供商(ISP)作為決策者決定硬件的替換順序，將現有節點替換為支持SDN的節點，實現局部的流量工程[4]。

為此，提出兩層優化方法，第一層分析網絡拓撲結構并找出應用于流量工程的路徑和節點，第二層通過定義鏈路優先級，以實現節點的最優替換方案。

1　實驗流程

實驗將現有交換機逐步替換為OF交換機，而余下的節點繼續使用原有的協議(例如OSPF)。實驗網絡節點允許逐步更換為OF交換機，有些網絡不允許逐步更換節點，如光網絡[5]。

由于設計的替換方法分為多個周期，參考文獻[6]設定每個周期的長短文本，決定了網絡節點的替換周期、網絡流量的增量、替換的代價等。為了不失一般性，假設流量工程在每個替換周期開始時進行一次。鏈路負載在周期開始時處于比較低的水平，而在每個周期的末尾達到臨界值。在替換OF交換機之前，整個網絡僅使用OSPF協議，采用2層啟發式算法來決定替換順序，替換順序流程如圖1所示。

圖1　替換順序流程Fig.1　Flow chart of replacement sequence

圖1中橢圓形代表輸入的數據，矩形代表使用的功能。上半部分是算法實現部分，而下半部分是性能分析部分，包括可控路徑的數量與鏈路資源的節省。以隨機替換OF交換機作為參考，比較兩者的不同。實驗不涉及節點替換后混合網絡的安全性問題，默認控制器防火墻為開啟狀態[6]。

2　拓撲分析

2.1最短路徑的確定

為了避免過于復雜，定義只有相同長度的路徑用來實現流量工程。為了確保最短路徑，定義任意2條鏈路傳輸成本差小于最小鏈路成本與最大鏈路長度的比值，以保證跳點多的鏈路傳輸開銷大。

傳輸成本示意圖如圖2所示，A、B、C、D為4個節點，傳輸成本分別為12、13、10、14，最長路徑為2(A-B-D或者A-C-D)。最大鏈路傳輸成本差為4，小于最小鏈路成本與最大鏈路長度的比值10/2=5，所以該網絡符合最短路徑要求。

圖2　傳輸成本示意圖Fig.2　Schematic diagram of link cost

2.2關鍵節點的確定

假設鏈路上有若干節點被替換為OF交換機，以滿足流量工程的要求。原有的鏈路不能進行流量工程是因為它基于目的地和最短路徑原則轉發的限制。關鍵節點的確定原則為:

1)與源節點的距離。作為網絡的關鍵節點，其離數據源越近越好，這樣可通過該節點調節數據流的轉發路徑。若數據流將到達目的地，關鍵節點就失去了調節數據轉發的能力，降低了可控的意義。

2)通過鏈路的數量。關鍵節點的OF交換機具有調節數據流向的功能，通過其鏈路越多則可供調節的選擇越多。尤其在數據中心網絡，有效調節數據流向可以降低擁塞，提高鏈路的利用率。

3)所在鏈路的優先級。關鍵節點在主干鏈路上獲得的效果比在邊緣鏈路上明顯，可以定義鏈路優先級，主干鏈路優先級高，邊緣鏈路反之。

例如，一臺主機向另一臺主機傳輸數據，中間有4條可選路徑，每條路徑的關鍵節點分別為{a,c}，{a,b,c}，{c,d}，{b,c}?？梢钥闯鯽雖然出現得早，但是通過的鏈路不如節點c多，因此可以優先替換節點c，c即關鍵節點。

3　替換順序的確定

(1)

每個替換周期替換的節點數被平均替換節點數限制，

(2)

為了保證節點的替換不能倒退，則

(3)

最后，在整個替換周期，最大化可用于流量工程的鏈路數量，

(4)

4　鏈路優先級的定義

關鍵節點距離信源較近，擁有較多的轉發選擇，且在主干路徑上。若鏈路的傳輸優先級相同(設優先級為1)，則選擇關鍵節點時只需考慮前2個原則。若鏈路傳輸優先級不同，則流量工程的鏈路數量將增加。

實驗選擇源節點與目的節點的最短路徑之外的一條鏈路隨機設置優先級，且優先級大于1，而其他鏈路的優先級為1。在節點替換時，距離源節點近的節點優先替換，通過鏈路多的節點優先替換。

5　仿真實驗及分析

實驗基于Linux架構，使用Mininet作為仿真平臺。遠程控制器Floodlight完成下發流表、全局視圖等任務[7-8]。拓撲結構使用Python語言編寫，所有物理量自定義。網絡拓撲為胖樹結構與網型結構結合的混合型拓撲，擁有40個節點與100條鏈路[8]。整個替換過程分為10個周期，每個周期替換4個節點。鏈路帶寬設置為0.5～2.0 Gbit/s，每個周期數據流的增長率設為20%。隨機方案和優化方案的可控鏈路數量如圖3所示。

圖3　可控鏈路數量Fig.3　Number of the controllable paths

從圖3可看出，可用于流量工程的鏈路數量取決于替換節點的數量。因為開始時沒有節點被替換為OF交換機，結束時2種方案都將所有的節點替換，所以2條曲線的起點與終點相同。與隨機方案相比，優化方案在替換周期內可控鏈路(通過OF交換機的鏈路)數量明顯增加。

在節省鏈路空間方面，優化方案也有較大提升。2種方案的節省鏈路空間對比如圖4所示，從圖4可看出，在替換開始的3個時間段內，優化方案的替換順序比隨機方案有很大的提升。但在第4和第10個時間段內，節省的鏈路空間明顯下降，這是因為現有的0.5 Gbit/s鏈路已經達到飽和，必須啟用1 Gbit/s的鏈路。10個替換周期結束后，所有節點都被替換為OF節點，2種方案節省的網絡資源歸于一致。

圖4　節省鏈路空間對比Fig.4　Comparison of the saved network capacity

6　結束語

基于軟件定義網絡技術，提出了一種在現有網絡中替換OpenFlow交換機的策略。仿真實驗表明，該替換策略優于隨機替換策略，在可控鏈路數量和節省網絡空間上都有明顯的提高，為網絡服務供應商充分利用網絡資源提供參考。

[1]王勇，匡玉雯.基于SDN的云中心動態負載均衡方法[J].桂林電子科技大學學報，2015,35(4):321-324.

[2]MCKEOWN N,ANDERSON T,BALAKRISHNAN H,et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(2):69-74.

[3]左青云,陳鳴,趙廣松,等.基于OpenFlow的SDN技術研究[J].軟件學報,2013,24(5):1078-1097.

[4]VAUGHAN-NICKOLS S J.OpenFlow:the next generation of the network?[J].Computer,2011,44(8):13-15.

[5]CARIA M,JUKAN A,HOFFMANN M.A performance study of network migration to SDN-enabled traffic engineering[J].Globecom,2013,978(1):1348-1353.

[6] TüRK S,RADEKE R,LEHNERT R.Network migration using ant colony optimization[J].CTTE,2010,129(13):77-82.

[7]王麗君，劉永強，張健.基于OpenFlow的未來互聯網試驗技術研究[J].電信網技術,2011,6(6):1-4.

[8]GENI.GENI:global environment for network inovation[Z/OL].[2015-10-17].http://www.geni.net/.

編輯：曹壽平

Research on traffic engineering based on SDN

KANG Qian1, LIU Jianming2

(1.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China；2.School of Computer and Information Security, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

A replacement method is designed to solve the problem of inefficiency, lacking of transplanting and uncontrollable of the network by using software designed network (SDN). The traditional switch is transformed into OpenFlow switch. Thus it ensures the full utilization of link and reduces the possibility of congestion. The simulation result shows that compared with the random method, the number of alternative path is increased and the link capacity is saved.

software designed network; OpenFlow; switch; replacement method

2015-12-12

國家自然科學基金(61262074)

劉建明(1975-)，男，廣西桂林人，教授，博士，研究方向為計算機及通信網絡組網工程。E-mail:2248866896@qq.com

TP302

A

1673-808X(2016)04-0329-04

引文格式：康潛,劉建明.基于SDN的流量工程研究[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(4):329-332.