基于SDN的實時路徑規劃的設計與實現

宋文文+楊森+薛萊

摘 要：伴隨網絡信息化科技的迅猛發展與普及，當前的互聯網控制技術面臨諸多不可控制的難題，軟件定義網絡（SDN）符合趨勢的發展需求，其核心思想的“分組轉發和數據控制分離”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問題，利用V-Switch交換機構建虛擬平臺的相關網絡節點設計，后臺使用java平臺設計軟件進行控制，最終模擬實現實驗目標SDN網絡結構，并完成基于SDN的實施路徑規劃流程的設計。

關鍵詞：SDN；Openflow；Mininet；Floodlight

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

1 引言

伴隨網絡信息技術的迅猛發展，傳統的基于Ethernet和TCP/IP的網絡因為其設計的松散性和簡單性的特征，使得其在Internet得到了規模化應用和快速發展，然而隨著Internet的應用日益深入和廣泛和使用規模的不斷擴大，Internet的結構和功能日趨復雜，傳統網絡與生俱來的缺陷逐漸呈現并且爆發起來。

傳統網絡架構設計的數據中心網絡中，由于傳統網絡的純分布式控制特點，管理者無法從全局角度指定數據包的整體路徑，只能通過包頭標識符的方式對數據包進行有限約束或優化。SDN（Software Define Network 軟件定義網絡）作為一種新的網絡架構概念，具有控制和轉發分離實現了邏輯集中控制、開放式編程接口，從而解決傳統網絡中的問題，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新網絡架構下使用OpenFlow技術來研究低負載條件的數據中心網絡架構中的SDN實時路徑規劃問題。

2 基于SDN的實時路徑規劃的設計

2.1 網絡拓撲

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

2.2 系統設計思路

根據系統的功能性與非功能性需求分析，將本系統劃分為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、轉發控制。

人機交互模塊：人機交互模塊可分為圖形界面設計、Topo顯示、用戶輸入、轉發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的計算核心，實現對數據包轉發路徑的計算。本模塊可以劃分為最短路徑選擇、最優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：第一個是驗證轉發層是否在Ryu控制器的控制下按照路徑選擇模塊計算出的轉發路徑轉發數據包；第二個是監控整個Fat-Tree網絡Topo中的流量。

2.3 軟件體系結構

其中使用了跨平臺的B/S結構，實現了PC/Mobile的平臺兼容性，后臺使用Flask作為Web框架，利用Nginx來進行py文件的渲染。在Ryu/Ryu和Mininet的環境下搭建拓撲，并讀取數據，Application端的軟件完全采用面向對象的方式來實現，極大的提高了靈活性和可擴展性，為軟件功能的擴充帶來了方便。

2.4 應用場景介紹和特性總結

通過平臺搭建和后臺編程，最終實現了基于SDN的實時路徑規劃，總結起來應用場景有如下兩個特征：

第一個是OpenFlow將控制功能從網絡設備中分離出來，在網絡設備上維護流表（flow table）結構，數據分組按照流表進行轉發，而流表的生成、維護、配置則由中央控制器集中管理，靈活性和擴展性更高，從而加速網絡部署周期。

第二個是可以通過中央控制器靈活地進行動態管理和配置，可在不影響傳統網絡正常流量的情況下，在現有的網絡中添加規則，降低了網絡復雜度。

綜上所述，本文提出的實時路徑規劃需要加入動態路徑規劃（DP）模塊的RYU控制器，DP模塊可以讀取整個網絡的流量分布，并且可以根據策略對交換機進行流表配置。為交換機設置具有帶寬控制的隊列，每個隊列可以設置經自己轉發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模塊根據策略建立每個交換機的流表配置，并寫入交換機。

3 小結

本文分析和總結SDN相關的發展歷程，分析基于SDN的實時路徑規劃中的各個核心問題，基于SDN的數據中心網絡實現邏輯和控制分離，結合本文相關工作總結SDN有如下三個優點：1.集中高效的網絡管理和運維維護；2.靈活的組網和多路徑轉發；3.智能虛擬機部署和遷移，解決當前數據中心網絡集中自動化管理，多路徑轉發，綠色節能問題。

概而言之，SDN網絡能力是開放和虛擬化有效實現數據中心容量提升，虛擬機智能部署和遷移，大規模虛擬租戶需求，目前SDN技術還不成熟，多控制器控制機制的研究也將是下一個重要研究領域。

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