SDN與NFV技術在延時敏感業務場景中的應用

郭勝 孫立

（合肥工業大學計算機與信息學院 安徽省合肥市 230601）

隨著人類生活娛樂水平的不斷提高，對網絡的性能要求也在不斷提升，人類日常工作需求對網絡應用延遲的容忍度不斷下降。NFV和SDN技術都在未來網絡的發展中占有舉足輕重的地位，NFV和SDN技術兩者都可以通過網絡技術革新的方式來轉變傳統網絡的低靈活性與結構冗余的局面。SDN控制器擁有全局網絡拓撲視圖，可下發細粒度的轉發規則到所屬交換機，交換機根據控制器下發的規則對數據流進行路由，利用SDN網絡特有的數據流引導的方式可以準確流經服務請求所需的網絡功能。故借助SDN與NFV的優勢，通過SDN多路技術與NFV并行處理模式可以減小延遲保證網絡整體服務質量。

1 SDN技術和NFV技術的基本概況介紹

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術是目前較為前沿的互聯網絡結構，可以將底層的計算、存儲等資源與上層業務應用進行融合，可以使得網絡設備透明化，最終將不同的互聯網企業融為一個網絡整體，降低投入成本的同時也提升了資源利用率。SDN控制器可通過open flow協議，與轉發設備進行信息交互，按照一定的形式向轉發設備下發相應流程表，從而實現對資料信息的相應處理過程。SDN的三層網絡架構如圖1所示，SDN技術將控制平面與數據平面分離，可將傳統網絡設備中的基本功能通過SDN中央控制器進行域內管控，最終達到接口開放性的效果。SDN架構由控制層轉發層及基礎設施層共同組成，可以實現對轉發層設備的管控以及網絡數據的轉發，對于某些個性化業務需求，SDN架構能夠通過軟件編程的方式給予滿足，因此具有很強的靈活性。

網絡功能虛擬化 (Network Functions Virtualization，NFV)技術是一種作用于專有硬件設備的虛擬技術。如圖2所示，NFV架構圖含有NFV、MANO 以及 VNFs。NFV的概念最先是由運營商聯盟組織提出來的，是為了可以利用已有的X86等低成本通用商用硬件設備，通過虛擬化技術將硬件與軟件進行解耦，最終可通過軟件編程的方式來實現特定的網絡功能(network functions,NFs)，取代了傳統網絡中的昂貴且僵硬的專用設備的方式，這意味著網絡在保證服務質量的前提下，硬件成本可以降到最低。NFV技術支持多種軟件同時進行處理，這將更大程度的拓展軟件的功能。NFV將網絡功能軟件化，只需在通用的硬件設備之中可灌注適當的軟件，則設備就具有相應功能，充分發揮了軟件的靈活性。

2 SDN技術和NFV技術在延時敏感業務場景中的應用研究

圖1：SDN三層網絡架構圖

圖2：NFV統一結構

2.1 延時敏感業務場景說明

目前隨著超大用戶量之間的在線信息交互、移動應用等新業務模型的不斷激增，對業務延遲的需求也越來越高。比如，在線金融交易分析、實時監控系統等對實時性要求較高的應用場景，以及高清低延遲視頻流、俗稱“千里手”的遠程手術等應用場景。在5G網絡系統中為了處理和傳達用戶的上下文信息，系統必須及時收集和共享上下文信息，以及及時的執行服務，所以數據傳輸的延遲需要得到保證；在“雙十一”期間各大網購平臺的數據量劇增，眾多買家與賣家間的在線交易對網絡延遲十分敏感；移動端或者PC端的多人在線游戲，操作延遲將會大大影響玩家的游戲體驗；遠程視頻會議以及疫情期間利用網絡的遠程在線課堂等，對實時性需求較高。對于服務提供商來說只有讓所提供服務延遲在用戶可接受范圍內，用戶才能得到良好的服務體驗。未來的工業領域方面，將會有數以百億計的設備連接上網絡，大量的工業現場的周期性的測量信息將傳送到工業互聯網中，并且這些信息大多是來自交織在現場級與控制級，對等體間的實時控制信息，一些時鐘信號信息用于各級網絡設備的時鐘同步，因此這些信息本來就屬于延時極敏感型信息，不言而喻這些信息需要特別高的實時性和準確性。

2.2 SDN技術在延時敏感業務場景中的應用研究

2.2.1 基于SDN技術的最短路徑規劃

在傳統的網絡中，由于無法獲取全網視圖結構，故全網拓撲結構很難得知，因此路由問題變成了制約網絡性能的一個關鍵問題。傳統網絡中需要根據節點之間傳遞的信息進行分布式計算，才能獲取路由信息。而在SDN網絡中，通過中心化的控制器，可以獲得網絡全局拓撲結構，可以通過向SDN交換機下發流表，快速做出數據報文的轉發決策，因此可以輕松解決路由問題。對于不同的網絡規模與不同的應用環境，圍繞業務需求的多元化、路徑安全可靠、端到端延時敏感、網絡利用率等方面，可通過各類 SDN路由算法，來解決這些問題。如在小規模網絡中以及僅需單一控制器結構的SDN網絡中，可采用基于 Dijkstra的最短路徑路由算法進行路由規劃及路徑選擇。而在較大規模網絡、以及分布式多控制器結構的SDN網絡中，則可利用分段路由算法進項智能路由規劃。

顯然最短路徑路由將節約網絡資源在占用，同時因源點到目的節點的路徑較短，減少了數據流的平均傳輸時延。2.2.2 網絡切片

在SDN架構中，SDN控制器接入網絡，可利用實時傳輸機制來觸發網絡信息收集模塊進行工作。該模塊可為提所需網絡狀態信息供SDN控制器進行決策，向SDN路由設備提供路徑信息。由于在網絡中不同的用戶同時發出數據流請求，其中混合著時間敏感型數據流與普通數據流。而SDN控制器可以通過識別數據流的源、目節點和其QoS需求對流進行延時敏感程度進行劃分。在對流進行調度時，首先對延時敏感型數據流進行分級排序處理，然后根據其優先度的大小制定調度次序。其次，搜索多條從源節點到目的節點可行的傳輸路徑，每條路徑均可滿足時間敏感型數據流的時延要求。最后，對不同的傳輸路徑構建各自的網絡切片，再根據切片來管理每個網絡節點的延時需求轉發隊列。當時間敏感型數據流到達時，為其分配一個預定義的網絡切片，從而大大減少路由計算。故，通過網絡切片可減少延時敏感型數據流的平均排隊時延以及傳輸時延。

2.3 NFV技術在延時敏感業務場景中的應用研究

2.3.1 網絡功能服務鏈

圖3：NFV并行處理示意圖

如今絕大部分數據流都會經過多個指定的網絡功能進行處理。由于數據流的需求多種多樣，運營商便開發出一整套網絡服務為用戶提供相應服務。網絡運營商可以提供完整的端到端功能服務，例如，網絡監護系統會向用戶提供深度包檢測（Deep Packet Inspection，DPI），防火墻，入侵檢測系統（Intrusion Detection System，IDS）病毒掃描系統（Virus Scanner，VS）等一整套服務。那么我們將用戶所需要的服務請求集合，按照一定的邏輯順序夠成的服務鏈組稱之為“網絡服務功能鏈（Service Functions Chain，SFC）”。當然網絡服務功能鏈的組鏈結構與順序，可通過上層管理編排控制，網絡服務功能鏈一般是線性鏈狀的，次序是相互依賴而固定的，也可以是部分順序可調的，組鏈模式相對靈活。

目前大部分的數據流請求往往需要一系列虛擬網絡功能進行處理，導致服務功能鏈長度增加，但服務鏈所產生的端到端時延與網絡服務功能鏈的長度呈正比例關系，即服務功能鏈的長度越長產生的端到端時延隨之增加。而對那些多過程且時延敏感型應用來說，這種時延的線性增加將是不能夠接受的。雖然網絡功能的部分數據流處理任務，可以通過邏輯可編程硬件（FPGA）方式實現對網絡服務功能鏈中，單個網絡功能的處理速度進行速度提升，但是隨著未來應用需求的不斷增長，這種線性的網絡功能服務鏈組鏈方式，對于網絡速度的提升將會產生瓶頸。

2.3.2 NFV并行處理

為打破服務鏈所帶來的時延將隨著組鏈長度的增加而線性增加的瓶頸問題，可采取以犧牲NFV部署成本為代價的NFV并行處理方式。有些網絡功能之間沒有依賴關系，即網絡功能在處理數據包時，不會對另一個網絡功能所要處理的數據包幀字節進行修改，因此若網絡功能服務鏈中存在無依賴關系的網絡功能，那么數據流便可以被并行處理。在如圖3所示的服務功能鏈中，監測器（Monitor）是一種只讀型網絡功能，不會對數據流中的字節進行修改，其的任務是維護數據分組的統計數據。所以，可以同時將數據流送入監測器和防火墻（Firewall）中，如圖3中的服務框架所示，然后保留防火墻中的數據流，流向下一級網絡功能，這種并行處理方式所產生的服務效果與傳統線性鏈式的網絡功能服務鏈處理后的結果一致。而通過這種方式，示例中的網絡服務鏈的相對長度將減少一段，由服務的端到端延時與鏈組呈正比可知，該方式減少了數據流的處理時延。當然不存在任何依賴關系的網絡功能總數是十分可觀的，據統計有53.8%的NF之間都能對數據分組并行進行處理，故NFV并行優化空間是很大的。當然NFV并行處理的同時并不影響其他加速技術的工作：首先，對于單個NFV性能進行加速。然后，利用快速數據分組傳遞的方式在并行情況下加速數據分組的傳遞過程。最終所達到的效果是可并行處理的VNF同時間工作，具有依賴關系的VNF處理速度也得到了大幅提升，從而達到大幅度減少服務的處理時延效果。

2.3 SDN與NFV技術的結合應用

在軟件定義的網絡和網絡功能虛擬化技術共同存在的大背景下，SDN對流量調度有著先天性的優勢，NFV技術可以靈活的創建網絡服務，通過SDN與NFV結合可以達到強強聯手，互利共贏的效果。通過SDN引導網絡數據流，流經合適的網絡節點，能過實現為各種復雜的網絡功能以及靈活的服務鏈方式提供最佳的路由路徑。由于SDN控制器可獲取網絡全局拓撲視圖，可將網絡功能放置在網絡拓撲中心位置，減少網絡的整體傳輸延時。因此在整個工作中，基于SDN與NFV技術結合的研究背景下，利用SDN與NFV的各自優勢，同時考慮影響網絡功能總體服務延時的多種因素，通過采用最短路徑路由和網絡切片技術等方式為服務請求數據流進行路徑規劃，一些不存在任何依賴關系的VNF，可以通過并行方式對數據進行分組處理，對存在依賴關系的VNF采用硬件加速，最終以最小化延遲來最大程度地保證整體服務質量。

3 結束語

綜上所述，在延時敏感型應用不斷激增的的網絡發展背景下，SDN與NFV技術的融合可以使得服務延時在用戶的接受范圍之內。從發展態勢上看，SDN技術及NFV技術對未來社會網絡構建將起到至關重要的作用，由于技術本身的靈活性與創新性，能過為網絡運營商提供更多的技術支撐，對將來網絡的發展與革新奠定堅實的基礎。