面向軟件定義網(wǎng)絡(luò)的高性能計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前瞻

王曉玲

摘 要：高性能計算網(wǎng)絡(luò)將會進(jìn)一步促進(jìn)我國下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，針對當(dāng)前的問題和趨勢，基于SDN構(gòu)建適用于高性能計算的按照業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、邏輯集中控制和開放API，提高高性能計算的網(wǎng)絡(luò)管理效率和帶寬利用率，解決高性能計算領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建設(shè)需求。因此，研究和開發(fā)基于SDN的高性能計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對于提升科學(xué)計算領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)效率，推進(jìn)科學(xué)計算業(yè)務(wù)應(yīng)用的深化發(fā)展，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：SDN；高性能；計算網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

云計算、虛擬化網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代的出現(xiàn)，加快了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革的腳步，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在處理以大數(shù)據(jù)、智能分析、網(wǎng)絡(luò)虛擬化為代表的新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用時的能力日漸捉襟見肘。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備動態(tài)的、可管理的、性價比高、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點，非常適合處理高帶寬、動態(tài)性的應(yīng)用。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），最初是由美國斯坦福大學(xué)clean slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心思想是通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺。

分析近幾年SDN技術(shù)的發(fā)展情況，可以看出，國內(nèi)外從學(xué)術(shù)界到商業(yè)界，都在十分積極的推動著SDN技術(shù)的發(fā)展。從技術(shù)發(fā)展的比較角度來看，國內(nèi)在SDN技術(shù)方面已經(jīng)從高校的試探性實驗研究發(fā)展到百度已經(jīng)研發(fā)出幾塊成型的SDN產(chǎn)品，并在繼續(xù)做進(jìn)一步的探索和嘗試；國外在SDN技術(shù)方面也已經(jīng)從高校實驗室SDN概念的提出發(fā)展到各大運營商和各大公司積極制定各種SDN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，甚至谷歌已經(jīng)在單一的小型化網(wǎng)絡(luò)中成功應(yīng)用了SDN技術(shù)。從這些發(fā)展比較中，我們有理由相信，SDN技術(shù)能夠得到進(jìn)一步的發(fā)展。

SDN技術(shù)核心思想就是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置平面從嵌入式節(jié)點獨立出來到軟件平臺，由軟件驅(qū)動的中央控制節(jié)點自動化控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。采用SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以靈活控制數(shù)據(jù)傳輸過程，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，減輕大數(shù)據(jù)傳輸過程中的管理工作等。通過構(gòu)建SDN高性能計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、研制SDN控制器和交換機(jī)設(shè)備原型機(jī)、真實環(huán)境應(yīng)用示范與改進(jìn)、解決方案優(yōu)化升級等步驟，研制針對于高性能計算應(yīng)用的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，滿足高性能計算的大數(shù)據(jù)和領(lǐng)域云高性能計算業(yè)務(wù)特色。主要從以下幾個方向上進(jìn)行技術(shù)上的突破：基于ONF架構(gòu)擴(kuò)展的資源彈性調(diào)度高性能計算SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計；SDN下DPI/CFI/DFI相結(jié)合的多業(yè)務(wù)動態(tài)感知和檢測技術(shù)的開發(fā)；基于業(yè)務(wù)實時狀態(tài)、需求的資源最優(yōu)分配算法和拓?fù)湔{(diào)整算法的研究；網(wǎng)絡(luò)級自恢復(fù)高可靠性設(shè)計；可自優(yōu)化的智能綠色節(jié)能設(shè)計。

SDN將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離，把傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆分為應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的三層架構(gòu)。

在理想情況下，三層架構(gòu)通過如下方式協(xié)作：

1）轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口，即南向接口；

2）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)封裝管理控制能力（即北向接口）并向上層應(yīng)用開放；

3）上層應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)掌握網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，而轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將由于功能越來越趨于同質(zhì)化，導(dǎo)致其利潤越來越薄，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價值鏈的核心將開始分化。網(wǎng)絡(luò)交換芯片（尤其是流表處理器）和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將是一個核心價值所在。

當(dāng)前IP網(wǎng)在服務(wù)質(zhì)量保證、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性方面存在問題，而SDN控制面集中地特性決定了SDN在解決這些問題方面可以有所作為。

SDN在服務(wù)質(zhì)量保證方面的幾個改進(jìn)方向包括：

1）合理的SDN架構(gòu)和組件分工，能滿足基于整網(wǎng)業(yè)務(wù)識別和資源彈性調(diào)度功能的擴(kuò)展；

2）業(yè)務(wù)感知和檢測技術(shù)；

3）基于業(yè)務(wù)感知和檢測的資源彈性調(diào)度，保證業(yè)務(wù)體驗和資源利用率；

4）多網(wǎng)絡(luò)控制器協(xié)調(diào)控制；

5）SDN下整網(wǎng)統(tǒng)一控制的節(jié)能技術(shù)；

6）高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備。

實現(xiàn)SDN設(shè)備軟硬件架構(gòu)平臺搭建的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建了一系列SDN相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，通過這些基于SDN的系統(tǒng)平臺的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)以下主要功能：基于ONF架構(gòu)擴(kuò)展的資源彈性調(diào)度高性能計算SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；SDN下DPI/CFI/DFI相結(jié)合的多業(yè)務(wù)動態(tài)感知和檢測技術(shù)；整網(wǎng)和節(jié)點相結(jié)合的業(yè)務(wù)需求資源彈性調(diào)度技術(shù)；基于業(yè)務(wù)實時狀態(tài)、需求的資源最優(yōu)分配算法和拓?fù)湔{(diào)整算法；分級SDN控制設(shè)備的分布處理和熱備份可靠技術(shù)；基于SDN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流聚合、調(diào)度節(jié)能技術(shù)。

通過瞄準(zhǔn)SDN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，致力于搭建研發(fā)高性能計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的一系列基于SDN的相關(guān)平臺，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵設(shè)備和軟件，為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。

結(jié)語：完成對SDN研究的業(yè)務(wù)擴(kuò)展與應(yīng)用工作，通過在數(shù)據(jù)中心的SDN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的驗證與示范應(yīng)用的試驗過程中，不斷積累技術(shù)和經(jīng)驗，加強(qiáng)國際優(yōu)勢資源的整合利用；以市場為導(dǎo)向，加強(qiáng)業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新；建立長期產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的市場化合作機(jī)制，聯(lián)合研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，加速科研成果轉(zhuǎn)化。提升下一代網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)；在十三五期間辦成具有特色高性能計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新基地，取得一批具有實用化或產(chǎn)業(yè)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用成果，成為高性能計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展和建設(shè)信息化社會的有力技術(shù)支撐，促進(jìn)高性能計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐宏，劉漢江，陳前鋒，李鵬，等.OpenDaylight應(yīng)用指南，2016，1.

[2] 樊勇兵，陳楠，黃志蘭，陳天.解惑SDN，2015，11.

[3] 李俊武.云計算網(wǎng)絡(luò)珠璣.2015，3.

[4] 黃韜，劉江，魏亮，張嬌，劉韻潔.學(xué)術(shù)中國·院士系列：軟件定義網(wǎng)絡(luò)核心原理與應(yīng)用實踐.2014，9.

[5] 趙慧玲.SDN：網(wǎng)絡(luò)變革的探討.2013中國SDN大會，北京.2013，4.