基于SDN的應(yīng)急融合通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雙家赟，羅 濤

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海通信段，上海 200434）

1 概述

近些年，自然災(zāi)害與突發(fā)事件在世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生[1]，使應(yīng)急通信受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。由于自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等突發(fā)事件本身的隨機(jī)性，應(yīng)急通信與常規(guī)通信不同，應(yīng)用場景眾多、環(huán)境復(fù)雜多變。因此為了快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信，應(yīng)急通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備提出了一些更嚴(yán)格的要求，例如組網(wǎng)靈活、快速部署以及設(shè)備小型化等。

由于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景多[2]，所以從業(yè)務(wù)類型角度分析，包括語音、短消息、數(shù)據(jù)、圖像等多種業(yè)務(wù)在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中都有涉及。從技術(shù)角度分析，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是對(duì)多種通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，包括但不限于光纖、Wi-Fi、衛(wèi)星和短波技術(shù)等。在災(zāi)后救援中，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)可以通過救援人員隨身攜帶或者背負(fù)的應(yīng)急通信裝備（應(yīng)急通信動(dòng)靜圖專用設(shè)備、便攜式衛(wèi)星站和無人機(jī)等）組建自組織網(wǎng)絡(luò)[3]（Mpbile Ad-hoc NETworks，MANET）來實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信功能。不同的業(yè)務(wù)對(duì)于帶寬、時(shí)延等要求各不相同，想要同時(shí)滿足多種業(yè)務(wù)的不同需求，需要將多種技術(shù)手段加以組合和應(yīng)用。而且由于設(shè)備小型化、能量受限、傳輸距離有限和設(shè)備移動(dòng)性等特點(diǎn)，使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的集中化管理變得復(fù)雜，在面對(duì)不同業(yè)務(wù)時(shí)，需要頻繁的進(jìn)行配置。而且由于通信設(shè)備的不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)質(zhì)量。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）技術(shù)的出現(xiàn)為解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系存在的管理復(fù)雜、靈活性低和可擴(kuò)展性能差等問題提供了新的思路[4]。集中控制是SDN 的核心理念之一，其對(duì)于掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源、改善網(wǎng)絡(luò)資源分配都起到了十分重要的作用。利用SDN 技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層與控制層解耦，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制平面被單獨(dú)抽離出來，取而代之的是集中化的SDN 控制器。通過這種結(jié)構(gòu)，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的可擴(kuò)展性能、提高網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)能力，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制與靈活配置，在了解掌握網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)的按需路由，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的穩(wěn)定性與效率。

2 基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

SDN 是一種不允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)置其路由表的技術(shù)[5]，是一種有前途的新技術(shù)，更具靈活性、交互性、可控和可擴(kuò)展性[6]，是一種開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，旨在徹底改變通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和運(yùn)行方式[7]。自誕生以來，得到了廣泛的關(guān)注，不斷得到發(fā)展與完善。SDN 起源于斯坦福大學(xué)的Clean Slate 項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是想要改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，讓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加簡單。目前，比較流行通用的SDN 架構(gòu)是開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）提供的一個(gè)分層次結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 SDN參考架構(gòu)模型Fig.1 SDN reference architecture model

基于SDN 架構(gòu)，在MANET 中引入SDN 多控制器的架構(gòu)，如圖2 所示，整個(gè)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)同樣被分為3 個(gè)層次：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層以及應(yīng)用層。轉(zhuǎn)發(fā)層由多種便攜式通信設(shè)備組成，根據(jù)控制層下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)策略完成數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)。控制層由通信指揮車和便攜式基站中的SDN 控制器組成，控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邏輯控制，包含對(duì)底層設(shè)備的感知、工作狀態(tài)的監(jiān)聽、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收集以及對(duì)下層設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。應(yīng)用層定義規(guī)則并提供不同的服務(wù)，如帶寬需求任務(wù)、流量工程等。

圖2 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的SDN多控制器系統(tǒng)Fig.2 SDN multi-controller system in emergency communication network

根據(jù)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的特點(diǎn)和SDN 多控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文對(duì)SDN 多控制器系統(tǒng)功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是對(duì)中間控制層進(jìn)行相關(guān)功能設(shè)計(jì)，分為拓?fù)湫畔⒐芾砟K、按需路由決策模塊和控制器容災(zāi)模塊。

2.1 拓?fù)湫畔⒐芾砟K

1）域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知

作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知模塊用于收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的全部基本信息，包括利用控制器鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路，通過OpenFlow[8]協(xié)議所攜帶的數(shù)據(jù)信息計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)的鏈路時(shí)延以及鏈路剩余帶寬。這些信息能夠?yàn)橹悄苈酚伤惴ǖ募虞d運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)支撐，也能進(jìn)一步地提高智能路由算法的有效性。

2）跨域鏈路發(fā)現(xiàn)與維護(hù)

由于不同控制器管理的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間也存在網(wǎng)絡(luò)連接，但是這些并不屬于內(nèi)部鏈路，利用LLDP協(xié)議無法直接獲取跨域鏈路，需要利用控制器所具有的其他功能設(shè)計(jì)方法來獲取。跨域鏈路對(duì)于構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分重要。

2.2 按需路由決策模塊

在拓?fù)湫畔⒐芾砟K的輔助下，控制器構(gòu)建了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱D，并且實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的時(shí)延以及帶寬等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中可以搭載多種智能路由算法，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流的相關(guān)需求，合理有效地計(jì)算出數(shù)據(jù)包所需的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并且對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行及時(shí)下發(fā)，提高路由決策的有效性與合理性。

2.3 控制器容災(zāi)模塊

由于SDN 單控制器架構(gòu)容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障，為提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而造成網(wǎng)絡(luò)的整體癱瘓，在系統(tǒng)中引入多控制器結(jié)果，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)聽與選舉機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中允許一臺(tái)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備同時(shí)連接多臺(tái)SDN 控制器，OpenFlow 協(xié)議在1.3 版本中明確定義了專門用來設(shè)置控制器角色的協(xié)議，通過這個(gè)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)控制器的角色轉(zhuǎn)換。在SDN 網(wǎng)絡(luò)中，Ryu 控制器存在3 種角色，分別為Equal，Master 以及Slave。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，Master 身份的控制器有且僅存在一臺(tái)，其余均為Slave 狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，Master 與Slave 之間會(huì)持續(xù)進(jìn)行心跳檢測，當(dāng)身份為Master 的主控制器因故障出現(xiàn)宕機(jī)時(shí)，其余Slave 控制器可以快速感知并且進(jìn)行新的選舉，重新選出Master 接管網(wǎng)絡(luò)，避免因控制器故障而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)通過Mininet 搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌琈ininet[9]是一款輕量級(jí)虛擬化仿真工具。在網(wǎng)絡(luò)中利用Ryu[10]控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體控制。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由10 臺(tái)SDN 交換機(jī)、2 臺(tái)SDN 控制器組成，在Ubuntu18.04 操作系統(tǒng)下，使用Mininet 進(jìn)行搭建，并且為簡化實(shí)驗(yàn)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能路由決策功能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，提前為網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)定了時(shí)延與帶寬指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.3 Experimental network topology

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑cRyu 控制器啟動(dòng)后，OVS 交換機(jī)會(huì)主動(dòng)與對(duì)應(yīng)的Ryu 控制器進(jìn)行鏈接，并且根據(jù)控制器的固定或者自定義事件進(jìn)行相關(guān)信息交互。控制器根據(jù)OVS 交換機(jī)上傳的相關(guān)信息可以獲取網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)的端口以及鏈路信息。

3.2.2 按需路由決策

按需路由決策模塊是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最為重要的功能模塊。它決定了系統(tǒng)是否可以滿足網(wǎng)絡(luò)路由的差異化需求，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量。SDN 控制器可以收集整理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湫畔ⅲňW(wǎng)絡(luò)鏈路的剩余帶寬以及時(shí)延信息。這些信息可以為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行智能路由算法提高可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而提高路由決策有效性。在實(shí)驗(yàn)中采用基于時(shí)延約束的最短路徑算法以及基于帶寬約束的最優(yōu)路徑算法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由決策的功能性進(jìn)行驗(yàn)證。

1）基于時(shí)延約束的路由算法

在設(shè)置好相關(guān)鏈路時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校雎枣溌穾挼睦冒l(fā)包工具在h1 與h8 之間隨機(jī)生成100 條數(shù)據(jù)流量，所有數(shù)據(jù)流量的時(shí)延要求在0 ～20 s 范圍內(nèi)均勻分布。通過對(duì)路由決策結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于100 條隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)流，利用OSPF算法計(jì)算出的路徑總時(shí)延能夠滿足其中50%的數(shù)據(jù)流量，而利用本文所提供算法計(jì)算出的路徑總體時(shí)延可以滿足全部數(shù)據(jù)流量的65%，在時(shí)延滿足指標(biāo)上要高于OSPF 算法。

2）基于帶寬約束的路由算法

在實(shí)驗(yàn)拓?fù)淅胕perf 工具在h1 與h8 之間產(chǎn)生多條數(shù)據(jù)流，在選出最佳路由路徑的基礎(chǔ)上測量網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并與采用OSPF 算法的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。在兩種算法下網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化情況如圖4 所示。初始階段，由于發(fā)送速率介于二者的最小帶寬之間，因此吞吐量基本一致。當(dāng)速率均大于最小帶寬值時(shí)，吞吐量表現(xiàn)為最小帶寬值，這也是在5 ～15 s 這一時(shí)間段內(nèi)吞吐量發(fā)生變化的原因。在15 ～20 s 內(nèi)，由于發(fā)送速率小于二者帶寬值，因此吞吐量隨著發(fā)送速率的降低而減少。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過基于帶寬約束的最優(yōu)路徑算法所得出的網(wǎng)絡(luò)吞吐量要明顯高于OSPF 的吞吐量。

圖4 基于帶寬約束與OSPF算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比Fig.4 Comparison of network throughput based on bandwidth constrained algorithm and OSPF algorithm

3.2.3 控制器容災(zāi)

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯?dòng)以后，根據(jù)選舉規(guī)則（通過控制器所處IP 進(jìn)行選擇）會(huì)在所有控制器中選擇符合條件的控制器成為主控制器，Ryu 控制器在與OVS 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接后，成為Master/Slave 的控制器會(huì)分別向所管理的交換機(jī)下發(fā)控制器角色設(shè)定指令，交換機(jī)會(huì)根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)操作。在原主控制器因故障宕機(jī)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)重新選舉新的主控制器，同時(shí)新的主控制器也會(huì)下發(fā)相關(guān)指令指導(dǎo)交換機(jī)完成控制器身份的轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了多次控制器轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中進(jìn)行的第一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間如圖5 所示。通過數(shù)據(jù)了解到，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因控制器故障發(fā)生交換機(jī)遷移時(shí)，所需時(shí)間為毫秒級(jí)。這也體現(xiàn)出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)良好的穩(wěn)定性能，即使控制器出現(xiàn)故障，也能在極短的時(shí)間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)重新恢復(fù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換耗時(shí)Fig.5 Controller state transition time

4 結(jié)束語

本文利用SDN 解耦控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的技術(shù)，設(shè)計(jì)基于SDN 的應(yīng)急融合通信網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)感知、智能路由以及控制器容災(zāi)等相關(guān)功能。SDN 加密的安全隧道、傳輸路徑TCP 優(yōu)化、秒級(jí)熱切換和應(yīng)用識(shí)別QoS 保障等相關(guān)技術(shù)可利用靈活接入應(yīng)急平臺(tái)。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)延約束和基于帶寬約束的路由算法，滿足按需路由的需求，并且與OSPF 算法相比，具有明顯的優(yōu)勢。在今后的工作中，筆者將在該網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行更為復(fù)雜的路由算法，檢驗(yàn)其網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)定性與有效性。