基于動態遷移的光傳送網SDN低時延調度分析

趙夢琦 孫鵬

摘要：文章首先對時延模型、遷移調度模型進行了說明，指出應以延時調整系數、網絡架構還有流表耗時為落腳點，對通信代價模型進行建立，由此確定通信代價約束以及最終目標。其次圍繞SDN流表調度展開了討論，強調以通信代價模型為依托，在對網絡架構進行動態遷移的前提下，結合路徑請求量對累計總效用、平均時延進行計算，基于信道負載完成動態調整工作。最后對仿真實驗過程與結果進行了討論，指出對該方法加以運用，可將控制器數量對時延產生影響降至最低，確保網絡負載始終處于相對平衡的狀態。

關鍵詞：光傳送網;動態遷移;SDN調度;時延優化

一、引言

與傳統網絡相比，SDN調度在動態性方面的表現更加突出，如何保證SDN性能和云計算、大數據所提出需求相符，自然成為業內人士關注的焦點。在此背景下，有學者指出應根據SDN特征，制定相應的動態遷移策略，通過對時延加以控制的方式，使SDN優勢得到更加充分地發揮，這便是本文所討論的主要內容，相關人員應對此有所了解。

二、研究背景

信息時代的到來，使數據量呈井噴式增長，對海量數據進行劃分與聚合的情況變得十分常見，加之移動互聯、云計算等先進技術均對網絡即時性提出了更高的要求，IP網絡所能發揮作用變得十分有限[1]。在此背景下，將傳統網絡所具有靜態特性徹底打破的SDN開始為越來越多人所熟知，作為有別于常規網絡架構的全新網絡架構，SDN的特點是將控制器作為內核，通過調度域內現有交換機的方式，使網絡資源、數據信息得到全面且準確的傳遞，與常規網絡架構相比，其優勢主要體現在開放性、擴展性兩方面，現已逐漸引起業內人士的關注。事實證明，對SDN加以運用，可確保數據傳輸、控制層得到有效分離，在提高資源調度操作所具有靈活度的前提下，為先進技術的推廣還有應用提供支持[2]。但也要了解一點，即：作為全新網絡架構，SDN被提出并得到運用的時間較短，目前，在流表部署調度、控制器部署調度等方面仍有不足存在[3]。一旦調度策略出現疏忽或是失誤，就會致使網絡時延大幅增加，不僅會造成擴展性下降、負載失衡的情況，還會給網絡性能帶來負面影響。鑒于此，各國學者紛紛選擇將如何有效控制網絡時延作為主要課題展開研究，希望能夠憑借自身的力量，使網絡時延的情況得到有效解決。

本文選擇以負載、時延為切入點，以目標約束為前提，綜合考慮流表調度、SDN控制器還有交換機等因素，提出可使網絡調度能力得到顯著改善的動態遷移策略，通過對比該方法和k-median的方式，對該方法在提升SDN性能方面的作用進行直接展示，供相關人員參考。

三、建立相關模型

（一）時延模型

為保證SDN時延得到有力控制，相關人員決定以SDN網絡為落腳點，針對其通信代價對模型進行建立。將模型輸入參數設成{G（S，L），M，V，T，λ}，上述參數所描述內容均有所不同，其中，G（S，L）將SDN網絡與連通圖畫上等號，S代表網絡交換機，而L代表網絡鏈路。M所描述內容為控制框架。V所描述內容為數據實際流速。T所描述內容為流表單位消耗時長。λ所描述內容是時延對應調整系數。若以域分布情況為依據，可利用以下公式對控制器進行表示：

（1）

在該公式中，mi指代元素M，可理解為i層所包含控制器實際數量。cij指代i層所包含控制器j。由此可見，可能被cij所影響的網絡為Gij（Sij，Lij）。以控制器j給交換機所產生影響為依據，對交換機實際映射情況加以確定，即sij∈{0，1}。如果cij能夠控制交換機l，則代表si1j=1，若cij無法控制交換機l，則代表si1j=0。以交換機l實際部署情況為依據，對控制器當前映射情況加以確定，即csi1j∈{0，1}。若csi1j∈{0，1}位于l上，則說明csi1j=1，如果csi1j∈{0，1}沒有被部署在l上，則說明csi1j=1。從控制器的角度來看，數據與隊列高度相似，其中，作為隊列元素的vi，其所描述內容為即將到來的數據i，考慮到控制器針對數據所進行一系列操作，通常包括服務時間還有等待時間兩部分，因此，除特殊情況外，均可利用下列公式對數據流表實際操作時長的平均值進行計算：

（2）

在上述公式中，是指操作速度平均值。Ns是指總數據流。是指平均數據流，通常滿足。

由此可見，對單位數據流表對應操作時長的平均值進行計算，可運用以下公式：

（3）

考慮到網絡所累計總通信代價，通常包括數據流、控制器兩部分，因此，相關人員決定用以下公式對輸入參數進行表示：

（4）

在該公式中，tik代表最優工況下，各交換機間所存在傳遞時延。代表控制器、交換機對計算數據進行傳遞所累計總時延。代表計算控制器對數據進行操作所累積總時延，對應調整系數的取值為0～1。而以累計通信代價視為最終目標的關鍵是要對P最小值加以確定，在此過程中，相關人員需要注意兩點要求，一是限定控制器、交換器對應映射關系，二是確保控制器數量為逐層減少。在本項目中，相關人員共設定了以下三個約束條件：首先是交換機l對應cij取值不得超出層數范圍。其次是框架所包含控制器總數、各層數量均應當符合要求。最后是cij所對應交換機數量為一臺。

（二）遷移調度模型

SDN網絡傳送數據期間，交換機、控制器對應映射關系會給數據時延帶來一定的影響。若網絡架構所包含li交換機、lj交換機互為鄰域，li將數據傳遞至lj后，lj往往會以緩沖為依據驗證數據流表，隨后，再向控制器提供相應輸入包，而控制器的任務是以網絡情況、輸入包情況為依據，盡快對轉發策略進行確定，與此同時，將數據封裝在對應的流表內。li所發出數據，通常會先到達控制器cm，由控制器負責對數據進行封裝，再將封裝所得數據流表作為依據，完成規劃轉發策略的工作。若研究表明，直接將數據流表轉發到鄰域需要付出較大代價，則可選擇現將數據流表轉發給其他的域內交換機lm，待數據流表順利通過驗證，由該交換機將數據發送給lj，隨后，lj便可驗證所接收數據，根據驗證結論判斷是否需要通過發送通知的方式告知控制器cn[4]。需要注意的是，只有先確定成功，控制器才能對數據進行相應的處理。以傳輸數據的流程為依據，用下列公式描述li對應路徑請求量：

（5）

在上述公式中，L（i，j）代表li將數據傳遞給lj的過程中自身路徑請求量。代表cm所涉及交換機請求量。代表非cm所涉及交換機請求量。除特殊情況外，均可根據qim對cm實際負載進行確定，在此基礎上，對cm處理時間的平均值加以確定，即：

（6）

在該公式中，Rm代表cm實際容量。N代表網絡節點總數。結合tm公式不難看出，節點總數、控制器處理效率均會在不同程度上影響網絡時延，要想在控制網絡時延的前提下，使網絡均衡得到增強，關鍵是要先確定li對cm加以利用的情況，再通過由點及面的方式，獲得可被用來對控制器累計總效用進行計算的公式：

（7）

在上述公式中，Ztotal代表網絡現有控制器對應累計總效用，rim代表資源利用率。該公式所傳遞信息為控制器負載和Ztotal的關系是正相關，用此可見，一般情況下，只需對動態遷移加以運用，便可使網絡累計效用得到有效調節，換言之，動態遷移的本質是重構交換機、控制器，這點需要有所了解。

四、SDN流表調度

在下發數據流表期間，通常需要對信道負載情況引起重視，現階段，對負載飽和度進行計算的方程組如下：

（8）

在該方程組中，fc代表計算所得控制信道負載值。fd代表計算所得數據信道的負載值。wc、wd均代表信道的加權值。f（·）代表飽和度。眾所周知，信道誕生并長期存在的關鍵是有物理鏈路提供支持，基于鏈路、網絡節點對節點集、鏈路集進行構造，其現實意義有目共睹。在對特定節點間跳數最小值加以確定后，便可著手對最短路徑進行計算，同時對節點聚集度進行定義，這表明，節點聚集度與最短路徑間的關系為負相關，即：節點聚集度會隨著路徑的縮短而增大，節點也會變得更加集中，此時，聚集中心附近信道加權較其他信道更大。隨后，相關人員便可根據飽和度函數及其他公式，對fc和fd之比進行計算，根據計算所得比值，對實際負載進行判斷，真正做到依托動態遷移對流表進行及時且科學的調整[5]。在傳統認知中，基于多域場合對數據進行傳遞，前提是要先在域內對數據進行數次傳遞，再通過邊緣交換機對數據進行鄰域傳遞。實際應用情況表明，該方法所用到流表請求相對復雜，極易出現時延不必要增加的情況，鑒于此，相關人員指出可在負載相對均衡的前提下，基于控制器對流表進行直接傳遞，待形成相應高速鏈路后，再通過各域所安裝控制器、交換機，完成后續傳遞工作，如圖1所示：

在圖1中，虛線即為本文所提出的全新調度方法，簡單來說，就是由交換機li負責將數據發送至對應cm，順利接收數據后，cm便可著手對數據進行封裝，將經過封裝處理的數據分成兩部分，一部分傳送給其他的域內交換機，另一部分傳送給cn。事實證明，用該方法替代傳統方法，可使下發流表的次數、運用控制器的頻率得到控制，SDN時延自然能夠得到顯著降低，其現實意義有目共睹。

五、結果分析

在本項目中，相關人員計劃依托networkx打造仿真環境，同時對Python算法加以運用，在此基礎上，網絡拓撲進行構建。拓撲節點總數為100，鏈路總數為186，數據包在128B～2048B之間，節點度平均值為2.4，數據發送率在100M左右，流表請求包對應參數為128B。在實驗開展期間，為保證所模擬信道狀態最大程度接近真實狀態，相關人員決定隨機生成100～1000間的傳遞數據，在此基礎上，確定源地址以及隨機地址，SDN對應控制網絡包括底層、中間層還有頂層，其中，底層為單域，域數量是1，中間層為多域，域數量是2，頂層同樣為多域，域數量是6。

考慮到網絡通信代價源于數據流、控制器轉發，而時延調整系數的作用，主要是對上述時間代價所存在關系進行平衡，相關人員決定先分析通信代價、時延調整系數的關系，通過更改調整系數的方式，使通信代價得到累計。實驗結果表明，初期通信代價、系數的關系為負相關，在系數取值為0.54時，通信代價達到最小值，在此之后，二者的關系將由負相關變為正相關。此外，控制器、交換機均會給通信代價產生影響，針對以上因素，相關人員決定通過動態遷移調度的方式，對控制器、交換機所處位置進行改變，由此達到調整域分配的目的。

調度策略所存在差異，通常會使網絡控制器形成差異，系統時延也會受到影響。鑒于此，相關人員指出應通過仿真的方式，深入分析控制器、時延的關系，增加控制器數量，基于k-median進行對比分析，現將分析所得出結果歸納如下：隨著控制器的增加，k-median時延持續下降，控制器數量越少，時延降速越快，待控制器減少到一定數量，降速將有所放緩。若對上文所介紹方法加以使用，則控制器數量變更給時延曲線平穩性所產生影響并不明顯，這主要是因為上述方法將通信時延單價視為最終調度目標，在此基礎上，以動態遷移策略為依托，真正做到結合多域場景負載，依托控制器對數據流表進行直接發送，從根本上解決了邊緣節點發送所存在問題，在節約處理數據、傳遞數據所花費時間的前提下，將控制器數量給SDN時延所產生影響降至最低。另外，該方法還要對部署控制器加以運用，無論是運行成本、還是網絡復雜程度，均會得到一定程度的提高。

對系統時延、數據量關系進行驗證的方法，主要是更改SDN信道負載，現將實驗結果歸納如下：信道負載與數據量的關系為正相關，與此同時，系統時延也會出現一定程度的提升。本文所討論方法在增速、時延方面的表現更加理想，這是因為該方法具有良好的負載均衡，加之流表所依托發送方式為控制器發送，通常不會出現過度依賴數據信號或是類似情況。

六、結束語

綜上，出于對光傳送網在SDN調度方面所表現出動態性能加以改善，使網絡時延得到有力控制的考慮，相關人員選擇將通信代價作為最終目標，對切實可行的遷移策略進行制定。通過仿真分析的方式，對通信代價最小時調整系數的具體數值加以確定，隨后，圍繞輸入數據量、控制器數量與系統時延所存在關聯展開討論，同時對負載差異、動態遷移相關性進行分析，最終得出以下結論：本文所討論方法，一方面可使域內數據傳遞量、傳遞頻率得到有力控制，確保SDN時延維持在較為理想的狀態，另一方面可依托動態遷移對網絡所表現出負載均衡度進行提高，為日后擴展SDN網絡等工作的開展奠定基礎。

作者單位：趙夢琦? ? 61623部隊

孫鵬? ? 31411部隊

參? 考? 文? 獻

[1]唐雄燕，王海軍，楊宏博，等.面向專線業務的光傳送網（OTN）關鍵技術及應用[J].電信科學，2020，36（7）：8.

[2]李藝，唐宏，馬樞清，等.軟件定義網絡中基于分段路由的多路徑調度算法[J].計算機應用研究，2021，38（5）：6.

[3]劉振鵬，任少松，李明，等.軟件定義網絡的數據中心動態流量調度方案[J].吉林大學學報：工學版，2021，51（3）：8.

[4]王濤，陳鴻昶.基于多維異構特征與反饋感知調度的SDN內生安全控制平面[J].電子學報，2021，49（6）：8.

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