基于SDON結構的網絡管理系統研究

占俊杰，舒忠

（荊楚理工學院，荊門 448000）

0 引言

目前，在計算機網絡管理技術應用中，SNMP[1]和TMN[2]網絡管理技術，針對一些局部性的網絡系統進行內、外分類進行管理時，還具有一定的，甚至是較強的優勢。但是，面對當今以互聯網為主體的網絡平臺得到了廣泛應用，一些局部性網絡系統也主動融入到互聯網中，在局域網絡系統內部采用SNMP網絡管理機制，而在互聯網接入中采用TMN網絡管理機制，已經不能適應當前的網絡管理需要，不僅在運行中過于復雜，還增加了運行成本和網絡管理難度。基于SNMP的網絡管理技術，主要針對IP網絡，開發應用難度大、人機交互效率低，大型網絡管理的功能弱，只適合內部局域網的管理。而TMN是基于電信網的管理技術，針對性非常強，與SNMP的網絡管理技術并不兼容，且針對大型網絡系統的管理限制因素非常多，開放式并不高。因此，本文提出一個種基于SDON結構的網絡管理系統。SDON網絡管理技術[3-5]主要針對多域網絡系統，可以非常方便地實現對大型廣域網的管理。

由于當前的網絡管理技術以SNMP和TMN為主流，其技術應用已非常成熟，網絡管理還具有非常明顯的優勢，更重要的是都針對當前應用的網絡系統。因此，本文構建的基于SDON結構的網絡管理系統，需要以現有的SNMP和TMN網絡管理技術為基礎，并對其已有的優勢加以應用。

SNMP網絡管理系統主要由用于存儲網絡管理過程采集信息的數據庫、針對采集信息進行分析與管理的數據信息結構模型、用于實現網絡系統通信的SNMP通信協議三個部分組成[6-7]。在該系統中，主要采用SNMP代理機制對網絡設備進行管理，每一個網絡設備都有一個對應的SNMP代理對其進行管理，且實現唯一的“一對一”對應，SNMP代理機制負責對網絡設備的運行狀態數據進行采集，所采集的信息同樣采用“一對一”的機制存儲于專用數據庫，數據存儲采用樹形結構進行管理。采集到的網絡設備運行狀態信息的數據結構類型可以分為三種類型。SNMP通信協議主要用于實現管理系統與SNMP代理之間的信息交換，其信息交換以報文的方式進行傳輸，主要有五種報文傳輸方式[7]。

TMN網絡管理系統主要針對電信網進行管理，是獨立于電信網的一個網絡管理系統。TMN可以管理應用于電信網上的多種網絡系統，可以對單個網絡設備進行管理，也可以對一個網絡系統中的全部網絡設備進行管理，這是其管理大型網絡系統的基礎。TMN的網絡管理功能主要具有：網絡性能、網絡故障、網絡配置、網絡安全和使用費用五個功能模塊組成[8]，該系統可以實現對網絡系統的分布式管理和集中式管理，采用CMIP通信協議[9]進行管理數據信息傳輸。

本文通過對現有的主要網絡系統管理技術理論與應用進行分析，提出一種完全開放式的網絡管理系統，系統以SDON大型網絡系統管理技術為基礎，將管理系統置于Web瀏覽器中，對HTTP通信協議進行精簡并加以應用，通過網絡管理與網絡控制分離的方式，對網絡系統的管理采有集中方式，對網絡系統的控制則采用分布式方式。

1 SDON網絡管理系統模型設計

1.1 SDON網絡結構分析

SDON網絡管理系統的主要特點是應用了虛擬技術[10]，虛擬技術應用的主要方法是采用層次分類構建網絡管理系統框架，SDON網絡管理系統可以劃分為：物理設備層、虛擬資源分配層、網絡管理控制層共三層結構[11]。其中，物理設備層主要包括網絡系統中真實的網絡設備（如：數據交換機、路由器等網絡設備），該層的主要功能是向管理系統展示全部的可用網絡設備；虛擬資源分配層則可以通過設備的特性同一性進行簡要的分類，并實現統一管理；網絡管理控制層可以通過一些應用管理程序對網絡設備進行管理與控制。在虛擬資源分配層中，主要的管控設備為網絡管理控制器，控制器具備IP網絡和光網絡轉換連接功能，同時具備控制代理功能，每一個管理控制器只負責某一個獨立網絡系統的管控，利用虛擬技術就可以使多個獨立網絡系統共享網絡管理資源。

SDON網絡管理系統的數據信息交換流程是：首先，物理設備層通過南向接口向網絡管理控制器提交全部網絡設備的基本信息；然后，網絡管理控制器對設備的特性進行分析，將同一特性的設備歸為一類，多個網絡管理控制器之間利用東西向接口實現通信；網絡管理控制層內部通過管理與控制分離的機制進行運行，管理層通過北向接口與控制層實現通信，并向整個管理系統提供相應的管理與控制信息；最后，全面的管理與控制信息全部發送至瀏覽器的管理系統上，以便于管理人員對網絡系統進行管理與控制。圖1所示為SDON網絡管理系統的結構示意圖。

圖1 SDON網絡管理系統的結構示意圖

在SDON網絡管理系統中，網絡管理控制器是非常關鍵的網絡管理設備之一。控制器也是采用代理方式進行網絡管理與控制，通常由一臺專用服務器完成相應的工作。控制器內部由網絡客戶端接口、多控制器連接驅動接口、網絡鏈路管理接口、網絡管理接口、數據庫管理接口五個部分組成，其內部通信以Open?Flow協議為主[12]，內部通信系統相對獨立于整個網絡管理系統。圖2所示為網絡管理控制器功能結構示意圖，圖3所示為網絡管理控制器內部建立通信連接與斷開通信連接示意圖。

圖2 網絡管理控制器功能結構示意圖

圖3 控制器建立通信連接與斷開通信連接示意圖

1.2 Web服務器技術分析

SDON網絡管理系統的構建，必須以Web服務器技術[13]為基礎。Web服務器技術可以實現對網絡設備的分布式管理，支撐多程序語言開發，支持多操作系統和多組網方式的網絡系統連接。在服務器與客戶端之間，采用HTTP通信協議進行信息交換。

Web服務器技術的主要組成包括三個方面的內容：嚴格執行XML數據類型和XSD數據傳輸標準；嚴格執行HTTP與XML融合的SOAP數據通信協議；嚴格執行WSDL網絡服務描述語言標準。Web服務器技術主要提供設備之間的連接接口和用戶注冊服務。圖4所示為基于Web服務器技術提供服務的方式示意圖。

1.3 網絡管理方式

網絡管理系統的管理方式主要包括：集中式管理和分布式管理兩大類[14]。

集中式管理系統應用最為廣泛，通過設置一個或少量網絡管理節點（可以是專用服務器，也可以了專用客戶端），由這些節點專門負責一個網絡系統的管理，并配置專用數據庫對采集的網絡設備運行狀態信息進行存儲與分析。其實現簡單、維護方便，但是，針對目前應用廣泛的大型網絡系統，在管理能力方面會存在不小的差距，運行時還需要占用大量的網絡資源，增加網絡系統的運行負擔。圖5所示為集中式網絡管理系統的結構模型。

圖4 Web服務器提供服務的方式示意圖

圖5 集中式網絡管理系統的結構模型

分布式管理系統則可以根據網絡系統的規模和網絡系統的功能（主要是指不同部門、不同的需要等因素組建的網絡系統），實現分段管理，在整個有關聯的網絡系統中，設置多個網絡管理節點。不僅可以設置同一層次的專用網絡管理節點，還可以設置多層次的專用網絡管理節點；在實際應用中，不僅可以設置專用的網絡管理節點，還可以將一定應用功能少的節點納入網絡管理系統中。在全部管理節點之間，也可以實現信息交換。圖6所示為分布式網絡管理系統的結構模型。

圖6 分布式網絡管理系統的結構模型

1.4 網絡管理系統構建

本文提出的SDON網絡管理系統融合了集中式和分布式網絡管理的優點，在瀏覽器的總控管理端，對全部網絡管理控制器進行集中管理，而處于虛擬資源分配層的各個網絡管理控制器則獨立完成某一個網絡設備（根據實際需要也可以是具有同一特性的同一類設備）的控制。在虛擬資源分配層中，充分體現了虛擬化與分布式的高度融合的特點；在整個網絡管理系統中，充分體現了集中式管理與分布式管理高度融合的特點。在網絡管理控制層部分，管理層和控制層之間的數據信息交換通過HTTP通信協議實現，其數據定義以XML數據類型為標準。圖7所示為本文提出的基于SDON技術的集中式與分布式融合的網絡管理系統結構模型。

圖7 集中式與分布式融合的網絡管理系統結構模型

在圖7中，物理設備層中的網絡設備按其特征（如：廠商、型號、性能、功能等）被分為多類，分類時同時兼顧網絡系統的獨立屬性；虛擬資源分配層中的多個網絡管理控制器通過與物理設備層中網絡設備的一一對應，實現對網絡設備進行控制；網絡管理控制層則由一個基于Web服務器組建的管理系統組成，對每個網絡管理控制器采集的網絡設備運行狀態信息管理，并負責存儲至數據庫中。Web管理系統、網絡管理控制器、網絡設備之間通過HTTP通信協議發送數據傳輸指令，且網絡管理控制器還負責最佳路由計算。

1.5 網絡映射機制

在集中式與分布式融合的網絡管理系統結構模型中，還需要解決網絡映射的問題。在物理設備層中，涉及的網絡設備非常多，且實現了分類管理與控制，其同一特性的網絡設備可能來源于多個不同的獨立網絡系統，在與網絡管理控制器建立連接實現虛擬化控制時，必然需要應用到網絡映射機制[15]。

如果只是針對某一個小型的網絡系統，其網絡設備通過虛擬的連接線路實現與網絡管理控制器的連接，由于網絡設備的具體信息通常是可知的，因此，這種單一的對應關系就非常容易確定。而對于多個小型的網絡系統組成的大型網絡系統（特別是互聯網），其網絡設備的具體信息網絡管理者就很難掌握了，如果要實現無數網絡管理控制器與大型網絡系統中的對應網絡設備通過虛擬連接線路進行對應連接，最有效的方法就是采用分布式網絡映射機制。

分布式網絡映射機制建立的主要思想是：首先將某一個網絡系統定義為局部網絡（該網絡的定義通常是用戶自己的網絡系統，或者說是用于重點管理的網絡系統），將其他全部的網絡系統定義為全局網絡（該網絡的定義可以是與用戶網絡系統相關的其他網絡系統，或者就是整個互聯網）；然后設置兩個虛擬連接通信代理接入點：一個為局部代理接入點，一個為全局代理接入點；設計Web管理系統可以發出兩條虛擬連接線路，一條用于通過局部代理接入點控制一部分網絡管理控制器對局部網中的網絡設備進行管理與控制，另一條用于通過全局代理接入點控制大量網絡管理控制器對全局網中的網絡設備進行管理與控制；兩條虛擬連接線路定義各自的信息傳輸請求隊列，并制定各自的信息傳輸隊列管理機制；數據信息傳輸過程中，允許全局網信息傳輸隊列向局部網信息傳輸隊列發送信息傳輸請求，從而實現局部網與全局網的相對獨立與相互融合。

整個網絡管理系統中網絡管理控制器與網絡設備一一對應的管理與控制方式，是以上分布式網絡映射機制得以實現的首要前提；兩條虛擬連接線路實現局部網絡與全局網絡的隔離，是實現分布式網絡映射的關鍵。網絡映射機制的實現，實際上是分布式技術與虛擬化技術的綜合應用。圖8所示為虛擬化網絡管理中網絡映射的實現機制。

圖8 虛擬化網絡管理中網絡映射的實現機制

1.6 通信過程

在圖7所示為本文提出的基于SDON技術的集中式與分布式融合的網絡管理系統結構模型中，關鍵的網絡通信系統構建在于管理層與控制層能夠正常實現連接。為了與互聯網實現良好的通信連接，并具備良好的網絡管理擴展性，本文將使用HTTP通信協議構建通信系統。HTTP通信協議的報文格式定義非常簡單，只有請求報文和響應報文兩種類型。其中，請求報文主要由請求消息、請求報文頭、請求的具體內容組成，響應報文主要由響應狀態消息、響應報文頭、與請求對應所響應的具體內容組成。

根據整個網絡管理系統需要完成的管理和控制功能，其主要的操作包括：建立網絡連接請求、修改網絡連接請求、查詢網絡連接請求和斷開網絡連接請求四種情況，這四種操作都是針對HTTP地址或IP地址產生作用。具體的請求參數和響應參數本文在此不作介紹，可參閱文獻[16]中的相關內容。

本文基于HTTP通信協議的完整數據通信流程是：管理層對采集到的網絡設備運行狀態信息進行存儲（使用MySQL數據庫）→實現網絡管理與網絡控制的通信連接（執行XML數據封裝標準和XSD數據傳輸標準）→依據最短距離原則實現最佳路由文計算（本文沒有考慮依據空閑原則計算最佳路由，原因是今后網絡通信狀態的不斷改善將成為必然趨勢）→在網絡物理層實現IP網絡與光網絡之間的轉換（引入Open?Flow通信協議）。

2 仿真實驗

2.1 實驗方案

在圖7所示的基于SDON技術的集中式與分布式融合的網絡管理系統結構模型框架下，利用Mininet仿真系統中的OpenDayLight控制器構建實驗平臺，主要完成光網絡拓撲結構的創建、檢查網絡狀態、獲取數據包并對OpenFlow協議進行分析等操作，實驗的主要測試參數是網絡線路利用率和網絡請求響應率。

2.2 測試過程

實驗的主要操作過程如下：

（1）創建網絡拓撲結構。使用mn函數指定網絡拓撲結構和網絡管理控制器，以兩臺數據交換機和兩臺主機為例，其網絡拓撲結構如圖9所示。

圖9 在Mininet中顯示的網絡拓撲結構圖

（2）檢查網絡狀態。使用nodes函數檢測網絡節點，使用net函數通過接口信息檢測網絡節點的準確性，使用dump函數可以網絡管理控制器的與數據交換機的連接狀態，還可以檢測網絡管理控制器的IP地址和主機對應的端口。圖10所示為使用nodes、net、dump函數檢測到的對應數據。

圖10 檢測到的網絡狀態數據

（3）獲取數據包并對OpenFlow協議進行分析。使用Wireshark工具可以通過OpenFlow協議實現網絡管理控制器與網絡數據交換機之間的連接，在此基礎上，可以對網絡數據交換機對網絡管理控制器發送請求的響應能力進行判定，同時，還可以檢測兩臺主機之間發送和接收數據包的通信狀態。圖11所示為控制器與交換機之間的連接狀態數據，圖12所示為交換機對控制器發送請求的響應能力檢測數據，圖13所示為兩臺主機之間發送和接收數據包的通信狀態數據，圖14所示為在瀏覽器窗口下所示的網絡檢測狀態示意圖。

圖11 控制器與交換機之間的連接狀態數據

圖12 交換機對控制器發送請求的響應能力檢測數據

圖13 主機之間發送和接收數據包的通信狀態數據

2.3 結果與分析

為了驗證本文所構建的網絡管理系統的可行性和可靠性，實驗中的主要測試參數包括網絡線路利用率和網絡請求響應率。

在實驗中因為網絡設備的數量有限，則網絡線路總條數是一個固定值，在多連接請求的情況下，現有的網絡線路總條數不可能一次傳送全部連接請求，在傳輸數據隊列先到先傳的機制約束下，測試中實際提供的網絡線路條數就可能超過網絡線路總條數。但在連接請求偏少的情況下，網絡線路總條數就會出現富余的情況。因此，網絡線路利用率還需要考慮響應時間這一因素，則網絡線路利用率的值就可能＞1。根據以下實驗檢測環境的設置，能夠0.50≤網絡線路利用率≤1.50的條件，則可以認為網絡管理系統具備良好的可行性和可靠性。另外，“測試實際提供的網絡線路條次數”這一參數值如果與“請求連接個數×同時訪問節點的個數”的值相等或接近，也可以直接說明網絡管理系統的可行性和可靠性。

圖14 在瀏覽器窗口下所示的網絡檢測狀態示意圖

本實驗中，網絡請求響應率的計算方法與網絡線路利用率的計算相似，需要同時考慮網絡線路總條數、測試實際提供的網絡線路條次數和響應時間等參數。根據以下實驗檢測環境的設置，能夠0.90≤網絡請求響應率≤1.00的條件，則可以認為網絡管理系統具備良好的可行性和可靠性。同樣，“測試實際提供的網絡線路條次數”這一參數值如果與“請求連接個數×同時訪問節點的個數”的值相等時，也就說明了全部連接請求都得到了響應。

在實驗中，在分別固定發送2個、4個、8個、10個、20個、40個、52個、54個、58個、60個網絡連接請求的情況下，通過設置路由器的數量，固定整個仿真網絡系統中能夠提供的網絡線路總條數為56，設計從一個網絡節點向20個網絡節點發送連接請求，對網絡線路利用率進行了檢測。同時，分別通過發送2個、4個、8個、10個、20個、40個、52個、54個、58個、60個網絡連接請求的情況進行網絡請求響應率進行了測試（測試環境與網絡線路利用率測試相同）。表1所示為網絡線路利用率檢測結果與網絡請求響應率檢測結果。

表1 網絡線路利用率與網絡請求響應率檢測結果數據

通過對表1所顯示的數據可以看出，在網絡組成結構相對穩定的情況下，網絡連接請求個數越少，響應的時間越快，網絡線路利用率就越高，隨著網絡連接請求個數的增加，雖然都完成了對建立連接的請求都作出了回應，但隊列中的一部分數據處于等待傳輸狀態，響應時間增長，網絡線路利用率會呈現急劇規下降的趨勢，但網絡線路利用率都要可以接受的范圍內。無論網絡連接請求個數有多少，實驗數據都顯示出全部請求都得到了響應，只是響應時間存在差異，因此，可以斷定網絡請求響應率是較高的。另外，在實驗中，絕不不能簡單地將測試實際提供的網絡線路條次數與網絡線路總條數的比值視為網絡線路利用率，同樣，也不能簡單地將已響應的網絡連接請求個數與所發出的網絡連接請求總個數的比值網絡請求響應率，必須在考慮響應時間的因素。

3 結語

本文研究的主要目的是對某一用戶自身使用的局域網和局域網共享互聯網的網絡系統進行管理，重點是對共享互聯網的狀態進行管理與控制，實際的研究對象涉及到了整個互聯網。在互聯網這個異構化的網絡環境中，其網絡管理的難度非常大，因此，必須引入光網絡管理機制。在系統模型構建方面，通過Web網絡管理主系統對網絡管理控制器實現集中式管理，在網絡管理控制器中虛擬數據交換機和路由器等網絡設備，多個網絡管理控制器采用“一對一”機制實現分布式管理與控制網絡設備。在仿真實驗中，對所構建的網絡管理模型進行測試時，其測試結果能夠滿足0.90≤網絡請求響應率≤1.00和0.90≤網絡請求響應率≤1.00的要求，驗證了本文所構建的SDON網絡管理模型具有良好的實用價值。