面向時空信息數據中心的SDN特征研究

耿 晴，張 莉

（1.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢430074）

面向時空信息數據中心的SDN特征研究

耿 晴1，張 莉1

（1.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢430074）

軟件定義網絡（Software defined network，SDN）將網絡的控制面與轉發面解耦。面向云計算的GIS服務當前的研究熱點和發展方向，將SDN運用于GIS云，能有效提高服務效率和質量。針對基于云計算的GIS系統GISCloud，提出在基礎網絡中引入SDN，設計了四層SDN架構，實現控制面與轉發面的分離；設計了面向GIS的網絡負載優化方法，提高網絡效率；設計了SDN對GISCloud的虛擬化支持，滿足定制化的服務，從而實現SDN在面向時空信息數據中心中的應用和發展。

軟件定義網絡；地理信息系統；云計算；數據中心

地理信息系統所處理的數據是不同形式的地理空間數據[1]。隨著GIS技術的快速發展，GIS系統的應用范圍及應用深度都在不斷擴展。云計算技術為GIS提供了數據存儲、數據訪問和計算服務的解決方案，而面向智能移動終端的GIS服務則提供了更為靈活的GIS定制化服務[2,3]。在大規模甚至超大規模的數據存儲與資源利用中，需要更為強大的資源整合能力。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）是將網絡的控制與轉發進行分離，構建邏輯集中的控制平面，從而為控制與應用提供可編程接口[4,5]。已有研究表明，SDN作為一種新穎的網絡架構，對于提高網絡的可擴展性、可管理性和高效率具有重要的作用[6]。本文以地理信息系統的數據中心為基本對象，進行軟件定義網絡特征的研究，提出構建面向時空信息數據中心開發軟件定義網絡的方法。

1 軟件定義網絡概述

隨著云計算和大數據技術的興起與發展，以大規模的數據存儲、虛擬化和面向服務的計算為支撐，形成新的計算模式，并構建出數據中心。數據中心通過集群系統來實現計算和存儲功能的分離，并通過網絡來實現資源的協調；這就對網絡的控制提出了新的要求，即網絡控制應提供更為靈活的功能，實現開放的接口，能夠以模塊化的形式提供定制性和可擴展性。

傳統網絡中的報文轉發和網絡中的路由控制集成在一起，構成耦合的網絡控制方式。云計算環境下轉發與控制的緊耦合使得數據中心的構建受到多種網絡技術的影響，增加了構建數據中心的難度。SDN就是針對網絡控制問題所提出的一種網絡體系結構[7]。SDN將網絡的控制與轉發進行分離，并提供可編程的接口以及更為靈活高效的網絡控制方式。

2 SDN的特點

數據中心集中了大量的硬件設備和數據資源，需要進行實時高效的監控和管理，同時也為應用提供良好的支撐。SDN將網絡的控制與轉發分離開來，構建出應用、控制、轉發的三層分離式結構，同時提供了良好的編程接口。其主要特點如下：

1）轉發與控制的分離。同樣的物理網絡上仍然存在轉發和控制，但數據面和控制面在邏輯上分離，通過不同的協議來進行具體信息的承載。控制面可通過軟件的方式來實現，部署后達到集中控制和管理的目標；數據面中的數據轉發設備只完成轉發功能，實現對轉發的抽象，使得數據轉發與具體的硬件實現無關。

2）集中控制。控制面從邏輯上集中了對多個轉發設備的控制，具有整個物理網絡的視圖，通過網絡操作系統對設備和狀態信息進行統一的管理。通過集中控制從全局的角度對網絡進行優化，簡化網絡的管理，實現高效的網絡管理和服務。

3）可編程接口。SDN提供了良好的可編程接口，可以在控制面的支撐下，以軟件的方式實現新的網絡功能，不關注底層的實現細節問題。開發人員可以利用可編程接口編寫和實現多種網絡應用，包括防火墻和路由協議等。

通過SDN所提供的支持，數據中心將能夠解決其基礎網絡設施管理的效率問題，為虛擬化提供更為廣闊的范圍，并提高網絡資源的利用效率。

3 面向GISCloud的SDN

GISCloud是以云計算為基礎模型的GIS系統[2]，根本目標是以GIS服務為中心，以“云”的方式將地理空間數據的采集、存儲、分析、訪問和應用等關鍵內容組織起來，以虛擬化來構建面向用戶的服務。“主網+子網”的形式構成了GISCloud的網絡結構[8]，通過區域化網絡來提供網絡支撐；通過虛擬抽象層屏蔽底層的細節；通過核心系統層來提供系統級別的服務；通過支撐層來提供基本的數據和業務邏輯支持；通過服務層面向用戶對數據進行定制化處理并提供良好的交互，以協同來實現網絡的可擴展性并提供高效率的GIS服務。

3.1 面向GIS的SDN架構

GISCloud網絡中存在著大量的分布式計算和數據轉發。數據中心的服務器之間需要協同工作來完成計算任務，“東西向”的數據流模式越發突出，需要進行“東西向”的數據調度。傳統網絡模式的數據轉發與控制屬于緊耦合，無法實現對數據路徑的有效管理，降低了網絡的效率，浪費了大量的帶寬，也降低了數據中心的業務服務能力。GISCloud采用SDN來作為基礎支撐，從數據轉發和控制層面為流量優化、網絡管理和虛擬化提供支持。

GISCloud中的SDN架構如圖1所示，分為4層。第1層為數據轉發層，建立在網絡中的轉發設備之上，所有的數據轉發由本層來實現。第2層為網絡操作系統，通過網絡操作系統來建立統一的全局網絡視圖。第3層是虛擬化，使網絡資源在邏輯上成為可分割的對象，并能夠對物理網絡實現按需的邏輯網絡切分，建立抽象的網絡視圖。第4層是控制程序，此時，控制程序與數據轉發已完全分離開，可根據管理需要來設計和實現不同功能的控制程序。SDN可以實現GISCloud不同方向上的數據流向，即“南北向”和“東西向”。通過南向接口，網絡操作系統可以對數據轉發進行實時控制，實現多個服務器之間東西向的數據流向；通過北向接口，實現對網絡的編程，構建出多種功能的控制程序。由于數據轉發與控制的分離，通過控制面對數據流向進行管理，實現數據在服務器之間的高效流轉，即東西向的數據流。

圖1 GISCloud的SDN架構

3.2 網絡負載優化

SDN中控制面與網絡設備之間采用的是OpenFlow協議。當更多的網絡功能被加入到OpenFlow協議當中后，協議變得越來越復雜，又增加了網絡控制的復雜度，因此對網絡負載進行優化，提高效率。

首先根據地理空間信息數據的特點來進行優化。GISCloud的網絡由主網和子網構成，子網還可以進行擴展。子網內的GIS數據以數據特征進行聚集和分類，能夠以更高的效率進行存儲，構成整個網絡的數據分布；在主網上通過SDN實現數據的東西向流動，以提高網絡性能。其次是以數據流量為基礎進行優化。在網絡中既存在大量數據量較少的數據流，也存在數量較大的數據流。前者的特點是數據流中的數據包較少，數據流到達和離開速度都很快。在現有協議條件下對每個這樣的數據流去進行復雜的控制決策處理，會產生很大的延遲和處理開銷。因此，將二者分開。控制面為大數據量數據流和數據量小而頻發的數據流建立優化的路由轉發和控制策略；對于偶發的數據量少的數據流，不采用OpenFlow協議轉發，不進行路由轉發和控制策略的制定，以此減少控制面需要完成的工作，提高數據轉發的效率。

3.3 面向多用戶的虛擬化

通過SDN為GISCloud提供專門的虛擬化。通過虛擬化，GISCloud的物理設備被轉化為可用的資源池，GISCloud的主網可以從邏輯上來進行使用，子網本身也可以按照業務邏輯來進行切分。在使用時，由控制面進行統一的分配。虛擬化之后所形成的服務器、存儲和其他資源之間形成了隔離，并可以使用定制化的控制程序來進行管理。GISCloud可以為用戶建立起虛擬網絡并提供其上的各種虛擬資源。用戶與用戶之間不產生干擾，具有自己獨立的網絡地址，并可以采用各自獨立的網絡設置。通過SDN的可編程特性，控制面可以定制實現應用功能，實現對不同用戶的使用情況的跟蹤；在底層進行流量的控制，從而實現資源的安全使用和高效使用。

4 基于SDN的測繪成果共享系統實現

測繪成果共享交換系統是以測繪成果為基礎，通過相應的基本支撐環境，來提供各類地理空間信息資源的管理與應用服務，框架結構如圖2所示。運行支撐層是系統正常運行的基本保障，主要包括標準規范體系、運行環境、安全體系等。數據層由系列地理空間信息資源數據庫組成。系統層由平臺匯展系統、元數據與目錄服務系統、相關管理和維護系統等組成。服務層由系統提供的各類業務功能接口和數據接口組成。門戶網站是地理空間信息資源的政府門戶網站，是用戶登錄平臺、訪問數據和調用功能的入口，通過調用服務層提供的接口和服務實現。

圖2 測繪成果共享交換系統設計框架

為滿足海量地理信息數據的分享，必須實現網絡中數據的有效管理。在測繪成果共享交換系統中，存在3個數據流程：基礎數據生產流程、產品數據生產管理流程、數據共享交換流程。除基礎數據生產流程中的數據源外，其底層數據均通過SDN進行管理，該基本架構如圖3所示。通過GISCloud SDN的數據控制與轉發管理，使得基礎數據與應用數據通過網絡資源的分割實現有效的控制。從數據訪問的角度來看，可以實現對數據轉發的實時控制，同時為不同的服務層次構建出不同功能的控制程序，從而實現底層的數據訪問與安全支持。

圖3 基于SDN的系統數據管理

5 結 語

在GISCloud中 引 入SDN， 設 計 了4層 的GISCloud SDN架構來實現控制面與轉發面的分離；通過對網絡負載及其支撐協議的優化，提高網絡的性能，并為虛擬化提供良好的支持。SDN技術提高了數據中心的靈活性，降低了網絡維護和網絡功能開發的成本，實現了新業務的快速部署，提升了數據中心的服務能力。GISCloud中的SDN設計已經應用于測繪成果共享交換系統，提高了系統的整體性能。

[1] 戴立乾,陳娜．淺議云計算時代下GIS的發展[J]．安徽農業科學,2009,37(31)：15 556-15 557

[2] 趙薇,耿晴．云計算在GIS系統模型中的應用[J]．地理空間信息,2010,8(6)：8-10

[3] 耿晴,范偉,孫續錦,等．面向智能移動設備的GIS服務[J]．地理空間信息,2012,10(3)：64-66

[4] 呂高鋒,孫志剛,李韜,等．LabelCast：一種普適的SDN轉發平面抽象[J]．計算機學報,2012,35(10)：2 037-2 047

[5] 張順淼,鄒復民．軟件定義網絡研究綜述[J]．計算機應用研究,2013,30(8)：2 246-2 251

[6] 王文東,胡延楠．軟件定義網絡：正在進行的網絡變革[J]．中興通訊技術,2013,19(1)：39-43

[7] McKeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al．OpenFlow：Enabling Innovation in Campus Networks[J]．Sigcomm Comput．Commun Rev ,2008,38(2)：69-74

[8] 耿晴,周青．面向GISCloud的網絡拓撲研究[J]．地理空間信息,2012,10(6)：91-93

本 刊 聲 明

為適應我國信息化建設，擴大本刊及作者知識信息交流渠道，本刊數據已被《中國核心期刊（遴選）數據庫》、《CNKI 中國期刊全文數據庫》和《中文科技期刊數據庫（全文版）》等收錄。在《地理空間信息》發表的論文均默認將其在著作權保護期內的復制權、發行權、匯編權、翻譯權以及網絡傳播權授權給《地理空間信息》編輯部，編輯部可將上述權利轉授給第三方使用。作者不再許可他人以任何形式使用該篇論文，但可以在其后續作品中引用（或翻譯）該論文中部分內容或將其匯編在作者的非期刊類文集中。如不同意，請事先聲明，本刊另作處理。其文章的著作權使用費與本刊稿酬一次性給付（已在收取發表費時折減和換算為雜志贈閱）。

（本刊編輯部）

P208

B

1672-4623（2016）04-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.003

耿晴，高級工程師，主要從事測繪地理信息技術，測繪資料檔案管理、信息 化服務等相關方面的工作和研究。

2015-03-03。