基于SDN架構的網絡能耗與性能動態調節機制

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(1.武漢科技大學a.計算機科學與技術學院; b.湖北省智能信息處理與實時工業系統重點實驗室,武漢 430065;2.湖北語言與智能信息處理研究基地,武漢 430072)

0 概述

互聯網的快速發展對整個社會產生了深遠的影響,然而數量龐大的網絡設備也帶來了巨額的能耗[1],網絡節能也越來越成為網絡設計的重要考慮因素。與此同時,網絡的最終目的是給用戶提供高性能的服務,服務質量和用戶體驗是非常重要的2個方面。盡管網絡能耗正在成為業界關注的重點,但節能不應以較大的網絡性能損失為代價,因此,根據當前網絡動態調節網絡能耗和性能成為未來網絡發展的重要方向。

綠色網絡的實現,會使用流匯聚、路由選擇等策略。它們的基本思路都是最小化資源需求,避免資源浪費,這就很容易造成帶寬競爭加劇、鏈路高負荷、網絡時延等情況,這種設計是在最小化資源需求的前提下實現網絡的功能。雖然這種設計實現了網絡功能,但其并沒有考慮到網絡性能和用戶體驗,最終造成網絡性能和服務質量的降低。

在傳統網絡的層次結構中,封閉的網絡設備內置了過多的復雜協議,科研人員無法在真實環境中規模部署新協議[2],同時網絡能耗和性能評價的標準存在多樣性,實現能耗和性能的動態調節存在著部署和評價困難等問題。在傳統網絡中往往只能實現網絡節能或者只能使用超額資源供給、提高網絡冗余來提高網絡性能。文獻[3]給出了網絡能耗和性能動態調節的模型,并給出了在具體流量需求下的動態調節方案。然而,在當前網絡能耗嚴重的情況下,需要從網絡全局的角度考慮能耗和性能,因此需要新的網絡架構和新的機制來實現能耗和性能的動態調節。

網絡按照區域規模劃分可分為局域網、城域網和廣域網。傳統網絡的設計會使用大量冗余鏈路和超額資源供給以保證網絡的性能和可靠性[4]。廣域網由于廣泛采用網狀拓撲(全互聯拓撲),使用大量冗余鏈路,在保證服務質量的同時產生了巨大的能耗。為此,本文基于軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN),提出一種在廣域網環境中能耗和性能的動態調節機制,使用休眠和啟發式算法,能夠根據用戶對網絡性能的關注程度彈性地調節網絡結構,根據網絡狀態反饋進行實時自適應調整。定義新的網絡評價方法,對能耗和性能的調節進行評價,并在模擬環境中實現驗證。

1 軟件定義網絡

傳統網絡存在擴展困難等問題,互聯網經過三十多年的高速發展,網絡技術也越來越成熟,逐漸孕育出一種新型的網絡體系架構,即軟件定義網絡,2009年,Mckeown教授正式提出了SDN概念[5]。利用分層思想,SDN將交換機網絡的控制平面和數據平面分離,控制功能遷移到控制器并向上層提供應用程序編程接口[6],控制層使用OpenFlow協議可以獲取底層網絡設備的運行狀態等細節數據,通過將二層轉發和三層路由表機制抽象為流表,控制層向數據轉發層的網絡設備下發流表便可以控制數據轉發規則,同時控制層向應用層提供操作網絡設備的接口,為應用層的設計提供了良好的平臺。通過開放南向和北向接口,SDN實現應用和網絡的無縫集成,南向接口的統一開放屏蔽了底層物理轉發設備的差異,實現了底層網絡對上層應用的透明化,SDN的出現使得網絡具有可編程性質。

SDN目前主要應用于流量工程、網絡安全以及負載均衡,隨著SDN應用的不斷擴展,SDN的應用范圍也在不斷延伸,從最開始的校園網,現在越來越多的公司企業也正在采用SDN對網絡進行優化,例如Google公司搭建了基于SDN架構的B4系統[7]來實現流量平衡。微軟公司的SWAN系統利用SDN技術實現數據的高效利用。越來越多的數據中心也在使用SDN架構提高鏈路利用率降低能耗[8-10]。在無線網絡中,也在利用SDN提高網絡可靠性以及降低能耗[11]。

2 設計實現

2.1 設計思路

目前主流的能耗管理機制可以分成以下2種:睡眠-喚醒機制和動態速率調節機制[12]。睡眠-喚醒機制可以讓負載較低的鏈路處于休眠狀態,鏈路能耗降為0,從而實現節能;速率自適應機制是根據鏈路的負載動態調節鏈路的帶寬。文獻[13]對2種能耗管理機制進行了比較,指出睡眠-喚醒機制的節能效果更好且實現代價小,故本文使用睡眠-喚醒機制實現網絡能耗管理。

研究表明,設備負載對于網絡能耗影響很小,其主要因素是網絡中處于開啟狀態的元素[14],因此,減少網絡中處于工作狀態的元素可以顯著減少網絡能耗。在處于工作狀態的網絡設備中,主要的能耗來源為CPU、內存、端口等元素。網絡中,除了鏈路元素外,網絡設備的其他元素無法實現休眠或者休眠代價太高,故本文中實現鏈路的睡眠-喚醒。

在傳統網絡的設計中,通過冗余鏈路和設備,提高網絡的可靠性。然而,大量的冗余鏈路導致很多網絡元素處于工作狀態,引起網絡能耗,減少冗余雖然可以減少網絡能耗,但又會導致網絡性能和可靠性降低。因此,通過使用休眠機制,動態的增加網絡中的冗余元素可以動態調節網絡的能耗和性能。

在傳統網絡中,實現動態的睡眠-喚醒需要設計新的協議或者更換網絡設備,擴展性較差,具有很大的實現開銷和經濟代價。相較于傳統網絡,在SDN網絡架構中,控制層可以獲取底層網絡信息,并對底層網絡元素(鏈路、交換機等)進行控制,通過控制增加或者減少底層網絡的冗余鏈路,便可靈活地實現網絡能耗和性能的動態調節,同時由于SDN核心技術OpenFlow將底層設備各自的控制平面集中到SDN架構的控制層,底層轉發設備只需要根據控制層下發的數據轉發規則進行數據轉發即可,減少了大量底層網絡設備在拓撲數據維護和路由計算的能耗,節能效果更加明顯。

2.2 設計架構

圖1為網絡性能和節能動態調節架構。整個架構分為3層:應用層,控制層以及數據轉發層。應用層通過北向接口和控制層連接,使用北向接口控制數據轉發層的數據轉發;應用層包含用戶輸入模塊、策略選擇模塊、策略實施模塊、系統反饋模塊,共同實現網絡能耗和性能動態調節的核心功能;數據轉發層為支持OpenFlow協議的交換機,數據轉發層通過OpenFlow協議連接南向接口和控制層連接,根據控制層的指令修改自己的轉發規則以及更改自己的狀態。控制層為應用層提供操作數據轉發層的接口。

圖1 網絡性能和節能動態調節架構

網絡能耗和網絡性能之間存在著如下所示的關系:

Z=αP+(1-α)C

(1)

其中,P表示網絡的性能,C表示網絡的能耗,Z表示網絡能耗和性能之間的調節。由式(1)可以看出,網絡能耗和性能之間存在著動態調節,假如α= 0,則Z=C,此時只關注網絡的能耗;假如α= 1,則Z=P,此時只關注網絡的性能;α∈(0,1)時,則關注點會在能耗C和性能P之間動態變化,故能耗和性能需要根據網絡狀態,使用應用層的4個模塊進行動態調整。

1)用戶輸入模塊

系統在初始運行時,α設置為1,此時系統只關注網絡性能,系統反饋模塊持續向用戶反饋當前網絡運行狀態,用戶獲得網絡運行狀態后,就可以參考當前α值和網絡運行狀態對α值進行調整。

2)策略選擇模塊

系統對能耗和性能的調節分為2個階段:第1個階段α∈[0,0.5],在此階段,用戶關注的重點是網絡能耗;第2個階段α∈(0.5,1],此階段用戶主要關注網絡性能。在用戶輸入模塊,輸入α值后,策略選擇模塊根據α值判斷此時能耗和性能調節所處的階段,根據不同的階段使用不同的算法和策略計算最新的網絡拓撲。

3)策略實施模塊

策略實施模塊根據所選擇的能耗和性能調節策略計算得到最新的網絡拓撲,對當前網絡拓撲進行更新。

4)系統反饋模塊

用戶選擇α值可能會改變網絡的拓撲,從而改變網絡的能耗和性能。由于網絡流量不斷變化,流量突然涌入或者減少都會使α值的設置不符合當前網絡狀態,系統反饋模塊會及時向用戶反饋當前網絡的狀態,供用戶參考,從而使用戶能夠繼續選擇更合適的α值,以實現彈性自適應的網絡能耗和性能的調節。

2.3 算法分析

假設整個網絡為G(N,V),N為網絡中的節點集合,V為網絡中的鏈路集合,IN表示網絡中節點的數量,IV表示網絡中鏈路的數量。對于整個網絡,假設網絡能耗為CG,則:

CG=CN+CV

(2)

其中,CN表示網絡節點的能耗,CV表示網絡鏈路的能耗。CNi表示第i個網絡節點的能,則:

(3)

(4)

這些元素包括端口、線卡、CPU、內存、基帶芯片等,在以上元素中,若設備處于工作狀態,除了端口和線卡以外,在正常工作時其他設備元素都無法關閉,因此,在使用鏈路休眠機制進行能耗管理時,式(4)中只有通過改變INi也就是改變端口的數目,才可以實現對能耗的管理。綜上所述,本文對節點進行能耗管理時,是通過關閉與某個端口相連的鏈路,從而關閉端口以及端口的線卡,以達到節能的效果。通過以上分析可知,減少鏈路可以減少處于工作狀態的端口,而冗余的鏈路可以提高網絡的可靠性和性能,因此實現網絡能耗和性能動態調節的方式就是增加或者減少網絡中的鏈路。

2.4 算法實現

基于上述算法分析,提出SDN網絡環境中的能耗和性能動態調節算法。

首先獲取系統的網絡拓撲,獲取網絡拓撲后就可以對整個網絡結構分析。從第2.3節的分析可知,實現節能和性能的動態調節是通過增加和減少鏈路實現的,因此,在獲取獲取網絡拓撲后便要獲取網絡的鏈路信息,包括網絡鏈路的能耗和網絡的帶寬。獲取到所有的鏈路信息后,將這些鏈路按照能耗和帶寬分別進行排序得到Le和Lb(Le為按照鏈路能耗從小到大排序的鏈路集合,Lb為按照帶寬從小到大進行排序的鏈路集合),以便策略選擇模塊和策略實施模塊進行分析計算。

Le和Lb是網絡中所有鏈路的集合,策略選擇和策略實施模塊在進行計算時,需要是使用Le和Lb進行計算,在計算過程中需要增加和減少鏈路,同時在計算過程中需要保證網絡中所有節點之間的是連通的(網絡中任意兩點之間存在一條路徑),因此,在計算之前需要去除Le和Lb中不能處于休眠的鏈路,假設所有網絡拓撲中不可以處于休眠狀態的鏈路集合為Lneed。

如圖2所示,在示例拓撲中,為了保證網絡中任意2個節點之間是連通的,節點N2和節點N3之間的鏈路不能處于休眠狀態。

圖2 不能處于休眠狀態的鏈路演示

在網絡G(N,V)中,當V中所有鏈路都啟用,此時網絡中的鏈路冗余最大,網絡的性能也最高,此時的α取值為1;當V中使用的鏈路只能滿足整個網絡的連通且鏈路是從Le中從小到大選取的,再刪除一條路徑整個網絡便無法聯通時,此時網絡的鏈路冗余最小,網絡的性能也最小,能耗也最小,α取值為0,α值的大小就代表整個網絡中參與路徑計算的鏈路數目的多少。在網絡啟動的初始階段,參與路徑計算的是網絡G(N,V)的全部鏈路,此時網絡的能耗最大,網絡的性能最高,α為1。在第2.2節的策略選擇模塊中,將α的取值分為2個階段:[0,0.5]為關注網絡能耗階段,(0.5,1]為關注網絡性能階段,這2個階段分別選擇不同的策略來選擇開啟和睡眠的鏈路,以達到動態調節網絡能耗和性能。

α在[0,0.5]區間,此時網絡最關注的是網絡的能耗,為了實現α的在此區間的動態調節,首先要保證網絡中所有節點是連通的(即保證網絡中任意2個節點之間有路徑可以達到)。由于此時最關注的事網絡的能耗,在使用啟發式算法計算最小拓撲時,會從Le中按照網絡能耗從小到大選取,假設最小拓撲中的鏈路集合為Lmin,則算法如下:

算法1α∈[0,0.5]最小拓撲查找算法

Lmin= Le

Ltmp=Le-Lneed

i = number of links in Ltmp

Repeat

link = link at index i of Ltmp

if( link is deleted from G(N,V) and

G(N,V) is connected )

Lmin=Lmin-link

i = i-1

end

until (i=0)

算法1計算出α∈[0,0.5]時的最小拓撲,也就是α=0時的網絡拓撲Lmin,則后續會參與α調節計算的鏈路集合為Lmc=Le-Lmin,Lmc中鏈路的數量為Nmc。假設此時α設置為α1,則在最小計算拓撲的基礎上,需要添加的鏈路數目為Nmc×α1條(Nmc×α1的值可能有小數部分,由于此時α∈[0,0.5],系統關注網絡能耗,因此直接對Nmc×α1取整數)。

α在(0.5,1]區間,此時網絡最關注的是網絡的性能,同α在[0,0.5]區間一樣,為了實現α在此區間的動態調節,首先也要保證網絡中所有的節點是連通的。由于在此區間關注的事網絡的性能,因此在使用啟發式算法計算最小計算拓撲時從Lb中選取。

算法2α∈(0.5,1]最小拓撲查找算法

Lminb= Lb

Ltmp= Lb-Lneed

i = number of links inLtmp

Repeat

link = link at index i of Ltmp

if( link is deleted from G(N,V) and

G(N,V) is connected )

Lminb= Lminb-link

i = i-1

end

until (i = 0)

經過以上算法計算出α∈(0.5,1]時的最小計算拓撲,假設此時最小計算拓撲中鏈路的集合為Lminb,則后續會參與α調節計算的鏈路集合為Lmcb=Lb-Lminb,Lmcb中鏈路的數量為Nmcb。假設此時α設置為α2,則在最小計算拓撲的基礎上,需要添加的鏈路數目為Nmc b×α1條(Nmc×α1的值可能有小數部分,由于此時α∈(0.5,1],系統關注網絡性能,故直接對Nmc×α2使用進一法)。

通過以上步驟計算出網絡的最新拓撲后,使用迪杰斯特拉算法重新計算網絡中各個節點的路由規則。計算完最新的拓撲和網絡節點最新的路由規則后,策略實施模塊將最新的拓撲和路由規則下發到網絡節點。

由于網絡流量具有突發性,α值的設置可能無法及時適應網絡的流量,因此需要實時計算網絡的負載情況,為了防止網絡性能過低和網絡能耗過高,設計如下預警階段:

1)提示階段

如果有某條鏈路的負載超過了鏈路帶寬60%,那么會提示用戶需要增加α的值,如果所有鏈路負載均低于鏈路帶寬的30%,那么提示用戶可以減小α的值。

2)強制調整階段

當網絡中某條鏈路的負載已經超過鏈路帶寬的70%,則系統會自動增大α值;如果所有鏈路負載均低于鏈路帶寬的10%,那么系統會自動減小α的值。

2.5 網絡評價

由第2.2節可知,網絡能耗和網絡性能之間存在著如下所示的關系:

Z=αP+(1-α)C

其中,P表示網絡的性能,C表示網絡的能耗,Z表示網絡能耗和性能之間的調節。基于網絡能耗和性能的關系,提出如下網絡評價方法。

對于網絡G(N,V),IV表示網絡中鏈路的數量,IN表示網絡中節點的數量,IS表示網絡中處于休眠狀態的鏈路,定義網絡節能效率為:

ηC=IS/IV

(5)

由于網絡性能的評價指標有帶寬、丟包率、抖動等參數,評價方式不相同,因此定義網絡性能效率為ηp。本文選擇帶寬和抖動作為網絡性能評價指標。Bmax表示測試鏈路在α=1時的網絡帶寬,Bcur表示測試鏈路當前網絡帶寬,則:

ηP=Bmax/Bcur

(6)

Jmin表示測試鏈路在α=1時的抖動時延,Jcur表示測試鏈路當前抖動時延,則:

ηP=Jmin/Jcur

(7)

定義網絡能耗和性能調節因子:

ψ=αηP+(1-α)ηC

(8)

其中,ψ的大小代表網絡能耗和性能調節的合理程度,ψ越大表示能耗和性能調節的越合理。在達到相同性能時,ψ越大表明能耗越小;而在能耗相同時,更大的ψ表明取得更高的性能。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗環境

本文實驗是基于floodlight+mininet組成的SDN虛擬環境完成的,具體環境如下:

1)硬件環境

PC機;CPU為2.6 GHz;RAM為4 096 MB。

2)軟件環境

操作系統為64位ubuntu16.04;floodlight;mininet;iperf。

floodlight為當前主流SDN控制器,具有穩定性和易用性的特點,能夠靈活地控制SDN網絡。mininet是輕量級的軟件定義網絡系統平臺,同時提供了對OpenFlow協議的支持,可以模擬真實環境中的SDN網絡。iperf是一款流行的網絡性能測試工具,可以測試帶寬等網絡參數。

3.2 實驗過程

1)廣域網常使用網狀拓撲,故在SDN模擬環境中建立如下示例拓撲。

2)隨機設置圖3測試拓撲中鏈路的帶寬,獲得的鏈路帶寬如表1所示。

圖3 網絡拓撲測試

表1 網絡拓撲鏈路測試

由于是在同樣的網絡環境中,在通常情況下,鏈路的帶寬和能耗成正比,因此可以假設網絡鏈路的能耗也是按照表1的排序。

3)α∈[0,0.5]和α∈(0.5,1]時的最小拓撲分別如圖4、圖5所示。

圖4 α∈[0,0.5]時的最小拓撲

圖5 α∈(0.5,1]時的最小拓撲

根據第2.4節中的算法可知,α=0和α=1的拓撲分別如圖3、圖4所示。α其他值會根據第2.4節中的算法實現動態調節,網絡拓撲也會根據α值的變化動態改變,以實現能耗和性能的動態調節。

4)根據第2.5節中的網絡評價方法對不同α值所對應的網絡拓撲進行評價。測量使用隨機模型,任意選擇測試拓撲中2個交換機,測試2個交換機之間在不同α值時的網絡能耗和性能調節因子ψ的變化,本測試選擇S1和S5 2個交換機。在本測試中,使用網絡帶寬和網絡抖動作為網絡性能指標。使用網絡帶寬和網絡抖動作為網絡性能指標所得到的α與ψ的變化關系如圖6～圖8所示。

圖6 UDP帶寬作為性能評價指標時α與ψ的變化關系

圖7 TCP帶寬作為性能評價指標時α與ψ的變化關系

圖8 使用抖動作為性能評價指標時α與ψ的變化關系

3.3 結果分析

首先在mininet模擬環境中建立使用網狀拓撲的廣域網網絡,并設置了OpenFlow交換機中之間的鏈路帶寬。根據2.4節中的算法分析,分別計算出α∈[0,0.5]和α∈(0.5,1]時的最小拓撲,分別如圖4、圖5所示。圖3、圖4分別是α=1和α=0時的拓撲,根據2.4節中的算法可知,本文的動態調節機制會根據網絡的負載情況動態調節α值,從而動態調節網絡拓撲,以實現網絡能耗和性能的動態調節。

2.5節中設計了網絡能耗和性能的調節因子,調節因子ψ的大小反映了能耗和性能調節的合理程度。由于目前的廣域網常使用網狀拓撲,為了保證網絡性能,存在大量冗余鏈路,沒有考慮能耗問題,此時,α=1,文獻[7]指出互聯網的忙時最大平均鏈路利用率不足30%,故根據2.5節分析可知,在目前的廣域網環境下,ψ≤0.3。根據第2.4節分析可知,在圖3所示的測試拓撲中,α=1和α=0.9經過計算具有相同的網絡拓撲,故α=1和α=0.9時,ψ值相同。

通過圖6和圖7結果可知,在分別使用UDP和TCP帶寬作為性能評價指標時,α的變化引起網絡拓撲的變化,從而引起網絡性能發生變化,最終導致ψ的變化,但是不論α在[0,1]之間如何變化,ψ始終不小于0.3;圖8的結果表明,在使用抖動作為性能評價指標時,α的變化引起ψ的變化,但是不論α在[0,1]之間如何變化,ψ始終不小于0.3。

圖6、圖7和圖8的實驗結果表明,α在[0,1]之間變化時,ψ的大小也發生變化。傳統網絡(α=1)側重性能導致ψ小于0.3,在實際的網絡中,為了保證網絡的高性能會增加冗余鏈路,產生巨大的網絡能耗;在本文實驗中,當α在[0,1)變化時,由于可以根據系統反饋模塊彈性實時改變α,并且根據2.4節對網絡結構進行修改,在保證網絡性能的同時減小了網絡能耗,在相同網絡能耗時達到較高的網絡性能,與傳統網絡相比,ψ始終大于0.3。實驗結果表明,傳統網絡側重網絡性能的提高而忽視了網絡的能耗,導致網絡調節因子ψ較小,即使網絡負載降低依然存在大量的冗余,網絡能耗和性能不能隨著網絡狀態進行動態調整,本文的機制在網絡負載不斷變化時會彈性實時自適應修改網絡結構,既不會造成大量冗余,也不會造成網絡性能降低,網絡調節因子ψ也大于傳統網絡。

4 結束語

目前的節能策略主要是將一些低利用率或閑置的網絡單元(交換機、路由器、鏈路)轉入睡眠狀態,把流匯聚到盡可能少的路徑中[15-16],最終可能會造成網絡性能降低。為此,針對傳統網絡性能和能耗調節實現復雜,基于鏈路休眠機制,本文提出SDN網絡環境中廣域網性能和能耗的動態調節機制,并在mininet中搭建了模擬環境進行驗證,同時也基于提出的評價算法對傳統以及SDN網絡環境中的調節算法進行了對比。實驗結果表明,本文提出的調節機制在SDN網絡中實現了性能和能耗的動態調節,相較于傳統網絡,該算法更加合理,在降低網絡能耗的同時保證了網絡利用率高于傳統網絡。

由于使用啟發式算法,在修改α值時可能會引起網絡拓撲的波動,下一步將會利用SDN在流量工程中的獨特優勢,優化網絡能耗和性能的動態調節。

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