基于軟件定義價(jià)格的SDN應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

諸葛斌，王保霞，王怡寧，吳春明，姚敏輝

（1.浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院 杭州310018；2.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 杭州310027）

1 引言

SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)，起源于2006年美國(guó)斯坦福大學(xué)的Clean Slate研究課題，由McKeown教授[1]于2009年正式提出[2,3]。其主要特征為控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離、開(kāi)放接口和集中控制[4]。將轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面分離能夠把網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)邏輯或虛擬的實(shí)體，將轉(zhuǎn)發(fā)行為抽象；提供標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)放接口，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成；集中控制則可以獲取網(wǎng)絡(luò)資源（如流、功能、鏈路、虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)）的全局信息并根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)資源進(jìn)行全局調(diào)度和優(yōu)化[5]。當(dāng)前主流的SDN主體框架有從用戶(hù)角度提出的ONF（Open Networking Foundation，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金 會(huì)）SDN架構(gòu)、從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商角度提出的ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）NFV（network functions virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）架構(gòu)[6]和為具體實(shí)現(xiàn)SDN架構(gòu)由業(yè)界巨頭Cisco（思科）、IBM、Microsoft(微軟)等聯(lián)合提出的OpenDaylight[7]開(kāi)源SDN項(xiàng)目。OpenDaylight開(kāi)源項(xiàng)目于2013年4月提出，旨在打破大廠商對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件的壟斷，以驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新力。

SDN的主旨是希望通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象來(lái)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的創(chuàng)新，并從用戶(hù)的角度調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)北向接口，SDN的開(kāi)發(fā)者可以運(yùn)用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)資源和能力的調(diào)用[8]。鑒于SDN本身的特點(diǎn)，相比其他應(yīng)用，SDN應(yīng)用具有更強(qiáng)的智能性、動(dòng)態(tài)控制性和可編程性，整體網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求及時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源能力的交付[9～11]。當(dāng)前SDN已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，例如，可編程的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量等[12]。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)由于具有流量大、周期性強(qiáng)和突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，要求網(wǎng)絡(luò)能夠多路徑轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載均衡、帶寬按需提供和集中管理控制，而SDN具有集中控制特性，可通過(guò)統(tǒng)一部署的控制器獲取數(shù)據(jù)中心的流量需求為其調(diào)度，按需分配；在數(shù)據(jù)中心采用SDN架構(gòu)不僅能優(yōu)化路由路徑、降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)代價(jià)，還能提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率并增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可管理性和靈活性[13]。企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)具有業(yè)務(wù)類(lèi)型多的特點(diǎn)，要求網(wǎng)絡(luò)靈活、自定義，并具有很高的安全性，SDN因其控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡(jiǎn)單化、通用化，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理，并且應(yīng)用層可通過(guò)北向接口和控制層進(jìn)行交流[14]。同時(shí)，高校也進(jìn)行了SDN應(yīng)用創(chuàng)新開(kāi)發(fā)大賽[15]。但SDN的研究不應(yīng)只局限在SDN上，而是應(yīng)推進(jìn)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展，即本文提出的SDN應(yīng)用。從當(dāng)前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界來(lái)看，SDN應(yīng)用這個(gè)概念還只是局限于數(shù)據(jù)中心、流量?jī)?yōu)化和QoS保障等方面，并沒(méi)有被很好地闡述。因此，本文首先通過(guò)比較傳統(tǒng)的桌面編程、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程和新型SDN應(yīng)用編程之間的不同，明確了SDN應(yīng)用的概念，然后提出了軟件定義價(jià)格（software defined price，SDP）的概念，設(shè)計(jì)了基于SDP的SDN應(yīng)用框架，并將其應(yīng)用于OpenDaylight開(kāi)源項(xiàng)目，最后給出了基于SDP的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試案例。

相比其他文獻(xiàn)，本文最顯著的特點(diǎn)是提出了價(jià)格模塊，從用戶(hù)的角度根據(jù)價(jià)格調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行了定價(jià)；其次，引入了多虛擬平臺(tái)概念，在用戶(hù)調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，通過(guò)與多個(gè)虛擬平臺(tái)進(jìn)行協(xié)商，在滿(mǎn)足用戶(hù)提供的<網(wǎng)絡(luò)資源、資源定價(jià)>條件下，為用戶(hù)創(chuàng)建虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)，虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)定價(jià)機(jī)制和下層進(jìn)行協(xié)商，獲取底層網(wǎng)絡(luò)資源；最后，打破了底層物理網(wǎng)絡(luò)的限制，SDN應(yīng)用是建立在虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)之上的，用戶(hù)對(duì)于底層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō)是透明的，用戶(hù)所關(guān)心的是創(chuàng)建虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)所需的配置和價(jià)格。

2 問(wèn)題分析與動(dòng)機(jī)

2006年Google（谷歌）首席執(zhí)行官Eric Schmidt在搜索引擎大會(huì)上首次提出了“云計(jì)算”[16]（cloud computing）的概念。云計(jì)算描述了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新的IT服務(wù)增加、使用和交付模式，通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且通常是虛擬化狀態(tài)的資源。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）定義云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池，資源能夠被快速提供，只需投入較少的管理工作。

云計(jì)算的目的是整合共享云計(jì)算資源，利用虛擬化技術(shù)將其形成具有服務(wù)能力的云計(jì)算服務(wù)產(chǎn)品[17,18]，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)和計(jì)算資源以服務(wù)的形式租用給所需的用戶(hù)。云計(jì)算著重為用戶(hù)提供服務(wù)，服務(wù)的使用和支付都依賴(lài)于商業(yè)模式的處理，因此，經(jīng)濟(jì)學(xué)成為了云計(jì)算發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力[19]。在云計(jì)算市場(chǎng)中，多個(gè)云計(jì)算資源提供商和多個(gè)用戶(hù)共同參與交易形成競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，雙方針對(duì)多類(lèi)云計(jì)算服務(wù)展開(kāi)交易并追求效益最大化。同時(shí)，由于云計(jì)算服務(wù)的高性?xún)r(jià)比、高可靠性、應(yīng)用分布性、可擴(kuò)展性、高度靈活性等特點(diǎn)，已經(jīng)使得IT界大型企業(yè)進(jìn)軍云計(jì)算服務(wù)領(lǐng)域，云計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模急劇增長(zhǎng)。近些年，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的文獻(xiàn)對(duì)云計(jì)算中的經(jīng)濟(jì)模型[20,21]進(jìn)行了研究，典型的有基于經(jīng)濟(jì)模型的網(wǎng)格資源管理分配[22]和任務(wù)調(diào)度優(yōu)化等相關(guān)問(wèn)題的研究。

其次，目前已有很多技術(shù)將云計(jì)算和SDN結(jié)合起來(lái)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求定制化和多業(yè)務(wù)的需求，例如OpenStack中Neutron和SDN的結(jié)合，彌補(bǔ)了Neutron組件中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的公網(wǎng)瓶頸[23～25]。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，軟件定義手機(jī)、軟件定義服務(wù)器、軟件定義網(wǎng)絡(luò)也逐漸為人們所知，也必將是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向之一。但是，鑒于當(dāng)前SDN發(fā)展不健全，較少有或者還未有基于經(jīng)濟(jì)模型的網(wǎng)絡(luò)資源分配的相關(guān)研究文獻(xiàn)。由于SDN能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，通過(guò)集中控制的方式進(jìn)行集中管理，所以SDN資源能夠進(jìn)行交易；另外，在實(shí)際的SDN應(yīng)用中，資源并不是無(wú)償使用的，必須引入經(jīng)濟(jì)模型中的定價(jià)機(jī)制，鑒于云計(jì)算中經(jīng)濟(jì)模型的研究已非常成熟，本文借鑒云計(jì)算定價(jià)機(jī)制在SDN中提出了資源定價(jià)機(jī)制。

本文提出的SDN應(yīng)用指以SDN為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件編程的方式調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)，充分利用SDN的特點(diǎn)，根據(jù)用戶(hù)需求特點(diǎn)提供個(gè)性化的便捷服務(wù)。在本文提出的SDN應(yīng)用中，云計(jì)算和SDN應(yīng)用的相似之處在于具備資源能夠池化、按需服務(wù)、支持異構(gòu)資源和支持應(yīng)用層異構(gòu)多業(yè)務(wù)等功能；另外還是一種生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型，強(qiáng)調(diào)資源專(zhuān)有，用戶(hù)通過(guò)付費(fèi)的方式獲取自己的專(zhuān)有資源。

另外，在實(shí)際的云計(jì)算服務(wù)產(chǎn)品中，基于價(jià)格的服務(wù)層出不窮，如國(guó)外微軟的Windows Azure和國(guó)內(nèi)的新浪云平臺(tái)對(duì)地理信息服務(wù)的收費(fèi)模式。新浪云平臺(tái)提供3種級(jí)別的地理信息服務(wù)，分別為：一級(jí)地理信息服務(wù)為開(kāi)發(fā)者提供自駕路線信息、公交路線信息以及公交站信息；二級(jí)地理信息服務(wù)為開(kāi)發(fā)者提供根據(jù)地理信息坐標(biāo)返回實(shí)際地址服務(wù)；三級(jí)地理信息服務(wù)開(kāi)發(fā)者提供根據(jù)移動(dòng)基站W(wǎng)i-Fi等數(shù)據(jù)獲取當(dāng)前位置信息服務(wù)以及生成一張靜態(tài)地圖圖片等服務(wù)。根據(jù)這3種級(jí)別的地理信息服務(wù)模式，新浪云平臺(tái)相應(yīng)的計(jì)費(fèi)方式分別是：調(diào)用一級(jí)服務(wù)，免費(fèi)且次數(shù)不限；調(diào)用二級(jí)服務(wù)，成功調(diào)用則支付0.1付費(fèi)云豆（新浪云的計(jì)價(jià)方式為1元=100付費(fèi)云豆）；調(diào)用三級(jí)服務(wù)，成功調(diào)用則支付0.5付費(fèi)云豆。

不僅在新浪云，很多其他云平臺(tái)都采用相似的收費(fèi)方式，例如，傳統(tǒng)IT廠商的IBM“藍(lán)云計(jì)劃”與“智慧城市”、惠普（HP）云計(jì)算、浪潮和寶德；還有互聯(lián)網(wǎng)提供商轉(zhuǎn)型為云計(jì)算提供商的Amazon EC2（Elastic Compute Cloud）、GCE（Google Compute Engine）、阿里云、百度云、盛大云和華為云；最 后 是 軟 件 廠 商Microsoft Windows Azure、VMvare、SalesForce和Citrix[26]。從上述平臺(tái)的計(jì)費(fèi)模式可以看出，目前基于價(jià)格的服務(wù)中，資源的調(diào)用是通過(guò)調(diào)用函數(shù)的成功次數(shù)來(lái)計(jì)算其價(jià)格的，劃分的顆粒度和資源價(jià)格的單位足夠細(xì)小，但其價(jià)格都是人為規(guī)定的，缺乏一定的靈活性。所以，本文提出了軟件定義價(jià)格（SDP）這個(gè)概念，并同時(shí)提出了基于SDP的SDN應(yīng)用，旨在解決當(dāng)前服務(wù)缺乏價(jià)格因子或價(jià)格死板的問(wèn)題。在基于SDP的服務(wù)中，其價(jià)格隨時(shí)間、負(fù)載等動(dòng)態(tài)地變化。

3 SDN應(yīng)用概念

編程是指使用某種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼，并最終得到結(jié)果的過(guò)程[27]。計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言從最早的機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言發(fā)展到了后來(lái)的面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。與此同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，編程模式也變得更加多樣化。最初的編程模式是簡(jiǎn)單的桌面應(yīng)用編程模式，其后是逐漸壯大的基于網(wǎng)絡(luò)的編程模式?，F(xiàn)如今隨著SDN的提出，編程模式又發(fā)生了變化，也就是即將提出的SDN應(yīng)用編程。

首先從編程模式進(jìn)行探討，分析其不同，并得出SDN應(yīng)用編程的概念以及應(yīng)用。

3.1 傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用編程

傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用編程是指通過(guò)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)核提供的API（application programming interface，應(yīng)用程序編程接口），并得到最終結(jié)果的過(guò)程。傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用編程如圖1所示，在控制臺(tái)里輸入time，該命令調(diào)用系統(tǒng)自帶的時(shí)間函數(shù)，最終顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間為10∶19∶52。這種形式的編程一般比較簡(jiǎn)單，只是簡(jiǎn)單地調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)核提供的接口，一般只涉及一臺(tái)電腦，且不存在網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 桌面應(yīng)用編程示意

3.2 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程指在發(fā)送端把信息按照規(guī)定好的協(xié)議組裝成分組，接收端根據(jù)規(guī)定好的協(xié)議解析分組，從而提取出相應(yīng)的信息，達(dá)到通信的目的。其中，最主要的工作包括對(duì)數(shù)據(jù)分組的組裝、過(guò)濾、捕獲、分析以及處理[28]。

狹義的網(wǎng)絡(luò)編程指在操作系統(tǒng)上的套接字（socket）編程；廣義的網(wǎng)絡(luò)編程泛指網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一切程序設(shè)計(jì)：socket程序編程和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)Web程序設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)編程的主要結(jié)構(gòu)是客戶(hù)端/服務(wù)器（client/server，C/S）工作模式，客戶(hù)端一般為網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的計(jì)算機(jī)，其處于主動(dòng)的地位，可以向服務(wù)器發(fā)出各種請(qǐng)求；服務(wù)器指在網(wǎng)絡(luò)上能夠提供特定服務(wù)的主機(jī)，處于被動(dòng)的地位，根據(jù)用戶(hù)的請(qǐng)求做出相應(yīng)的回答，提供相應(yīng)的服務(wù)。用戶(hù)機(jī)進(jìn)程為用戶(hù)提供圖形用戶(hù)界面（graphical user interface，GUI），根據(jù)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)和命令向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，將服務(wù)器做出的回答進(jìn)行分析處理，通過(guò)GUI提交給用戶(hù)。服務(wù)器端進(jìn)程為多個(gè)用戶(hù)機(jī)提供服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)資源共享。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程一般是C/S工作模式。圖2和圖3表示通過(guò)Java編程來(lái)獲取服務(wù)器上的時(shí)間。在此過(guò)程中，Java程序調(diào)用Java API中的currenttimemills(true,url)函數(shù)，分別向URL為“ntp-sop.inria.frserver”、“time-nw.nis.gov”以及“time.asia.apple.com”的服務(wù)器發(fā)送獲取當(dāng)前時(shí)間的請(qǐng)求，服務(wù)器在收到客戶(hù)端的請(qǐng)求后，根據(jù)客戶(hù)端的請(qǐng)求URI（uniform resource identifier，統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）和參數(shù)，解析客戶(hù)端的請(qǐng)求，計(jì)算客戶(hù)端需要的時(shí)間參數(shù)，將所得結(jié)果返回給客戶(hù)端，最后，客戶(hù)端獲取到3個(gè)服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行解析，并將最新的時(shí)間顯示在終端，分別 為2014-06-16 12∶32∶51、2014-03-16 12∶33∶54以 及2014-06-16 12∶34∶05。一般情況下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程通過(guò)一個(gè)客戶(hù)端訪問(wèn)一臺(tái)服務(wù)器，且只涉及一條網(wǎng)絡(luò)鏈路。

圖2 獲取時(shí)間的Java程序

圖3 獲取時(shí)間的結(jié)果顯示

3.3 新型的SDN應(yīng)用編程

本文所提出的新型SDN應(yīng)用編程能夠根據(jù)用戶(hù)需求特點(diǎn)提供個(gè)性化的便捷服務(wù)，以SDN為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件編程的方式調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)，并且充分利用SDN的特點(diǎn)。本文所論述的SDN應(yīng)用均特指在SDN中添加SDP模塊并且能夠根據(jù)價(jià)格選擇服務(wù)或資源的應(yīng)用。

為了更好地理解SDN應(yīng)用，本文以微信公眾平臺(tái)為基礎(chǔ)，以時(shí)間服務(wù)為例，通過(guò)微信公眾平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一個(gè)獲取當(dāng)前時(shí)間的SDN應(yīng)用，微信請(qǐng)求時(shí)間結(jié)果如圖4所示。

該SDN應(yīng)用隱藏地獲取當(dāng)前時(shí)間的流程如圖5所示。

微信客戶(hù)端請(qǐng)求時(shí)間的具體過(guò)程為：

（1）發(fā)送問(wèn)號(hào)（?）給微信服務(wù)器；

（2）微信服務(wù)器根據(jù)公眾賬號(hào)將對(duì)應(yīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求發(fā)給虛擬服務(wù)器；

（3）虛擬服務(wù)器根據(jù)客戶(hù)端獲取時(shí)間的請(qǐng)求將請(qǐng)求發(fā)送給不同的時(shí)間服務(wù)器；

圖4 微信請(qǐng)求時(shí)間結(jié)果

圖5 微信請(qǐng)求時(shí)間流程

（4）SDN控制器結(jié)合時(shí)間服務(wù)選擇算法，比較不同時(shí)間服務(wù)器返回的時(shí)間服務(wù)，選擇最優(yōu)的時(shí)間服務(wù)返回到虛擬服務(wù)器；

（5）虛擬服務(wù)器將對(duì)應(yīng)的時(shí)間返回到微信服務(wù)器；

（6）微信服務(wù)器將當(dāng)前時(shí)間返回到微信客戶(hù)端。

在所提出的SDN應(yīng)用編程中，微信客戶(hù)端訪問(wèn)虛擬服務(wù)器，虛擬服務(wù)器通過(guò)特定協(xié)議訪問(wèn)多組時(shí)間服務(wù)器以獲取當(dāng)前的時(shí)間資源，這些服務(wù)器可以由多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、虛擬服務(wù)器協(xié)同工作組成，為用戶(hù)提供個(gè)性化的便捷服務(wù)。

最后，在操作便捷性、服務(wù)質(zhì)量、是否涉及網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器數(shù)量、地域范圍/規(guī)模、軟件收費(fèi)方式、軟件存放位置、軟件維護(hù)升級(jí)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)能力和用戶(hù)群可擴(kuò)張性等方面對(duì)傳統(tǒng)的桌面編程、傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程以及新型的SDN應(yīng)用編程進(jìn)行了綜合的比較，具體見(jiàn)表1。由表1可知，傳統(tǒng)的桌面編程由于受到網(wǎng)絡(luò)、硬件等各方面因素的限制，相比另外兩種編程模式存在一定的劣勢(shì)；而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程由于受到網(wǎng)絡(luò)靈活性的限制，與新型的SDN應(yīng)用也有一定的差距；同時(shí)，新型的SDN應(yīng)用編程，以SDN為基礎(chǔ)，不管是在操作便捷性、服務(wù)質(zhì)量、是否涉及網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器數(shù)量和地域范圍/規(guī)模方面，還是在軟件收費(fèi)方式、軟件存放位置、軟件維護(hù)升級(jí)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)能力和用戶(hù)群可擴(kuò)張性等方面，都具有明顯的優(yōu)越性，可以為用戶(hù)提供個(gè)性化的服務(wù)。

4 基于SDP的SDN應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

基于SDP的SDN應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)是一種面向SDN應(yīng)用編程、基于資源定價(jià)和交易的體系結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的編程模型不同，該結(jié)構(gòu)指導(dǎo)編程人員從一個(gè)新的角度從事編程工作，給用戶(hù)提供一個(gè)良好的視圖界面。鑒于SDN應(yīng)用具有價(jià)格模塊，首先提出SDP的概念；然后，結(jié)合SDP與SDN應(yīng)用編程體系，提出基于SDP的SDN應(yīng)用體系框架。

4.1 SDP概念

隨著SDN的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中大量的交換機(jī)、路由器等各類(lèi)資源均可轉(zhuǎn)換為虛擬資源，形成規(guī)模巨大的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)提供能力無(wú)限的資源服務(wù)。但當(dāng)前的資源定價(jià)是由服務(wù)商直接定義的，缺乏一定的靈活性和公平性，而SDP希望通過(guò)軟件的方式定義價(jià)格，從而擺脫價(jià)格的單一性，讓價(jià)格可以隨時(shí)間、流量等因素變化，以提高價(jià)格的靈活性。

表1 幾種編程技術(shù)的比較

SDP是一種新型的價(jià)格定義模式，其核心是通過(guò)自定義算法來(lái)確定資源的價(jià)格，通過(guò)軟件定義價(jià)格協(xié)議（software defined price protocol，SDPP）在買(mǎi)方和賣(mài)方相互協(xié)商后確定最終的成交價(jià)。

SDPP是SDP機(jī)制的核心組成，主要指服務(wù)商與用戶(hù)進(jìn)行交易時(shí)，在協(xié)商價(jià)格過(guò)程中定義的一種雙方認(rèn)可的協(xié)定。完整的SDPP主要包括交易對(duì)象、交易內(nèi)容、交易費(fèi)用以及交易對(duì)象的義務(wù)等。同時(shí)，服務(wù)商可以對(duì)用戶(hù)在工作負(fù)載和資源使用方面做出規(guī)定。SDPP可以保證用戶(hù)在使用資源時(shí)的服務(wù)質(zhì)量。

SDPP的主要思想是：當(dāng)用戶(hù)需要訪問(wèn)服務(wù)商提供的資源時(shí)，服務(wù)商將資源的價(jià)格列表返回給用戶(hù)，用戶(hù)提供對(duì)應(yīng)資源的服務(wù)價(jià)格，服務(wù)商依據(jù)自己的價(jià)格協(xié)商算法，比較并計(jì)算該用戶(hù)是否有權(quán)限使用該資源，若滿(mǎn)足，則提供相應(yīng)服務(wù)水平的資源；若不滿(mǎn)足，則不能達(dá)成協(xié)議，交易終止。SDP協(xié)商過(guò)程如圖6所示。

圖6 SDP協(xié)商過(guò)程

SDPP協(xié)議頭如圖7所示。SDPP協(xié)議頭包括：身份標(biāo)識(shí) （ID）、優(yōu) 先 級(jí) （level）、表 達(dá) （expression）、時(shí) 間 戳（timespec）、交易價(jià)格（price）、交易時(shí)間（contract date）以及交易狀態(tài)（state），具體介紹如下。

·身份標(biāo)識(shí)：協(xié)議頭的唯一標(biāo)識(shí)。

·優(yōu)先級(jí)：服務(wù)優(yōu)先級(jí)的標(biāo)識(shí)。

·表達(dá)：包括身份標(biāo) 識(shí)、類(lèi)型（type）、屬 性（property），其中，身份標(biāo)識(shí)是資源的唯一標(biāo)識(shí)，類(lèi)型用于表示資源的類(lèi)型，屬性用于表示資源的屬性，包括速率、時(shí)延、抖動(dòng)等。

·時(shí)間戳：服務(wù)時(shí)間的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，主要指服務(wù)時(shí)間段的選擇。

·交易價(jià)格：交易時(shí)的價(jià)格。

·交易時(shí)間：完成交易的時(shí)間。

·交易狀態(tài)：1表示交易成功；0表示交易失敗。

4.2 基于SDP的SDN應(yīng)用

SDN應(yīng)用的概念之所以被提出是由于各種網(wǎng)絡(luò)社群的驟增。這些網(wǎng)絡(luò)社群用戶(hù)具有相同的目的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚集到一起?；赟DP的SDN應(yīng)用以SDN為基礎(chǔ)，即含有SDP模塊，通過(guò)軟件編程的方式調(diào)用各種網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)用戶(hù)需求特點(diǎn)并在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的情況下提供具有價(jià)格信息的服務(wù)。由于在一個(gè)完全開(kāi)放的競(jìng)爭(zhēng)SDN應(yīng)用市場(chǎng)中，資源服務(wù)提供商和資源消費(fèi)者不能完全掌握彼此對(duì)資源和服務(wù)的真實(shí)估價(jià)，因此資源/服務(wù)的交易是信息不對(duì)稱(chēng)的博弈問(wèn)題。交易雙方的經(jīng)濟(jì)效益與彼此的出價(jià)策略緊密聯(lián)系。因此，資源服務(wù)交易的雙方就構(gòu)成了雙向拍賣(mài)，這是信息不對(duì)稱(chēng)的貝葉斯博弈問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的基于SDP的

SDN應(yīng)用具有以下典型的特點(diǎn)。

圖7 SDPP協(xié)議頭

·既可作資源提供商也可充當(dāng)資源消費(fèi)者。當(dāng)SDN應(yīng)用需要調(diào)用資源或者功能時(shí)，向其他SDN應(yīng)用付款以獲取資源和功能，此時(shí)該SDN應(yīng)用充當(dāng)資源消費(fèi)者；與此同時(shí)，SDN應(yīng)用中的任何資源或功能可被定價(jià)并銷(xiāo)售，該SDN應(yīng)用充當(dāng)資源提供商。

·具有SDP模塊。SDN應(yīng)用中添加了SDP模塊，該模塊主要包含通用價(jià)格模塊和通用交易模塊，分別用于資源的定價(jià)和交易。其中，通用價(jià)格模塊是一個(gè)框架，內(nèi)置幾種價(jià)值算法。用戶(hù)可以選擇內(nèi)置的價(jià)值算法，也可自定義價(jià)值算法。資源價(jià)值隨時(shí)間、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量、資源緊缺充裕程度以及歷史價(jià)格而變動(dòng)，價(jià)值算法根據(jù)這些因素重新定價(jià)出當(dāng)前資源的價(jià)值。該價(jià)值是SDN應(yīng)用資源提供商的私人信息，只有資源提供商自己知曉。

·交易對(duì)象可協(xié)商價(jià)格。在交易過(guò)程中，SDN應(yīng)用資源提供商根據(jù)當(dāng)前的定價(jià)價(jià)值，重新包裝價(jià)格，并呈獻(xiàn)給SDN應(yīng)用資源消費(fèi)者。交易時(shí)，若資源消費(fèi)者不滿(mǎn)意資源提供商的價(jià)格，雙方可協(xié)商價(jià)格。若協(xié)商成功，則交易成功；反之，協(xié)商破裂，交易失敗。

·資源可代替性。資源提供商以不同的價(jià)格提供資源，這些資源具有可代替性，相同單位的資源在不同提供商中的價(jià)格差異比較大[19]。資源消費(fèi)者在調(diào)用資源的過(guò)程中下放命令到不同的資源提供商，擁有該資源的資源提供商根據(jù)自身的定價(jià)機(jī)制將價(jià)格呈現(xiàn)給資源消費(fèi)者，資源消費(fèi)者根據(jù)價(jià)格預(yù)算和需求選擇合適的資源提供商。

·區(qū)別于其他的編程，SDN應(yīng)用基于一定特征的網(wǎng)絡(luò)社群（如QQ群，具有特定的對(duì)象），擁有至少兩個(gè)用戶(hù)，這些用戶(hù)具有共同的認(rèn)知感，每個(gè)用戶(hù)的行為都有相同而明確的目標(biāo)和期望[29]。SDN應(yīng)用可按照時(shí)間劃為兩種類(lèi)型：臨時(shí)型和長(zhǎng)期型。顧名思義，臨時(shí)型SDN應(yīng)用指因?yàn)槟撤N原因而臨時(shí)建立起來(lái)的應(yīng)用，當(dāng)達(dá)到預(yù)期效果后，該SDN應(yīng)用可解散；長(zhǎng)期型SDN應(yīng)用則指根據(jù)某種需求或盈利目的而建立并要求長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)下去的應(yīng)用。

4.3 SDN應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)SDN應(yīng)用的典型特點(diǎn)，即SDN應(yīng)用具有SDP模塊、同時(shí)充當(dāng)資源提供者和資源消費(fèi)者以及針對(duì)一定特征的網(wǎng)絡(luò)社群，本節(jié)給出一個(gè)典型的SDN應(yīng)用實(shí)例——微信請(qǐng)求資源過(guò)程。

SDN控制器通過(guò)SDP模塊將請(qǐng)求下發(fā)給多個(gè)云平臺(tái)，例如新浪云服務(wù)、百度云服務(wù)和阿里云服務(wù)。不同的服務(wù)給出當(dāng)前資源的價(jià)格，SDN控制器可根據(jù)預(yù)期價(jià)格和資源選擇云服務(wù)并進(jìn)行價(jià)格協(xié)商。圖8給出了基于SDP的微信客戶(hù)端獲取服務(wù)/資源的流程。微信客戶(hù)端發(fā)送獲取當(dāng)前地址的請(qǐng)求給微信服務(wù)器，微信服務(wù)器將請(qǐng)求發(fā)送給虛擬服務(wù)器，虛擬服務(wù)器根據(jù)SDP機(jī)制，得到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的價(jià)格并提供給SDN控制器，SDN控制器根據(jù)不同的虛擬基礎(chǔ)平臺(tái)提供的價(jià)格擇優(yōu)選擇服務(wù)并返回給客戶(hù)端，同時(shí)，在虛擬服務(wù)器中的對(duì)應(yīng)賬號(hào)中扣除相應(yīng)的云豆。

圖8 微信請(qǐng)求資源過(guò)程

4.4 基于SDP的SDN應(yīng)用體系框架

本系統(tǒng)旨在基于SDP建立具有價(jià)格因子的SDN應(yīng)用體系架構(gòu)。新型的SDN應(yīng)用體系如圖9所示，主要包括SDN個(gè)性化服務(wù)器、虛擬服務(wù)器、SDN控制器以及基礎(chǔ)服務(wù)器4部分。

圖9 新型的SDN應(yīng)用體系

而本文設(shè)計(jì)的SDN應(yīng)用是基于OpenDaylight開(kāi)源項(xiàng)目的，其中，基礎(chǔ)服務(wù)器對(duì)應(yīng)項(xiàng)目中的轉(zhuǎn)發(fā)層，SDN控制器屬于控制層，虛擬服務(wù)器和SDN個(gè)性化服務(wù)器分別對(duì)應(yīng)應(yīng)用層中的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)[30]（virtual tenant network，VTN）和上層應(yīng)用。

SDN應(yīng)用體系框架如圖10所示。SDN應(yīng)用層主要包括以新浪、百度、阿里云服務(wù)器，微信平臺(tái)以及以Google翻譯、天氣預(yù)報(bào)等為主體的三大類(lèi)平臺(tái)，各個(gè)平臺(tái)都有自己的SDP模塊，它們之間以REST形式進(jìn)行通信。在應(yīng)用層中的業(yè)務(wù)層主要包括VTN協(xié)調(diào)者 （VTN coordinator）、OpenStack Neutron以及其他業(yè)務(wù)層的服務(wù)，各個(gè)服務(wù)都包含SDP模塊，它們之間以REST形式進(jìn)行通信?？刂茖雍臀锢韺拥母鱾€(gè)模塊都有自己的SDP模塊，層與層之間通過(guò)SDPP進(jìn)行通信。

5 基于SDP的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

5.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

底層物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖11所示，系統(tǒng)測(cè)試的整體拓?fù)溆?臺(tái)主機(jī)和7臺(tái)交換機(jī)組成，圖11中已標(biāo)出路由器之間的鏈路價(jià)格，其測(cè)試用例見(jiàn)表2。

圖10 SDN應(yīng)用體系框架

圖11 底層物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)

表2 系統(tǒng)測(cè)試用例

5.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用Ubuntu11.10操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體測(cè)試環(huán)境包括OpenDaylight控制器和Mininet仿真環(huán)境。測(cè)試分為以下4個(gè)部分。

（1）在Ubuntu終端創(chuàng)建虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)。

若返回“HTTP/1.1200 OK”，表示創(chuàng)建成功。創(chuàng)建VTN成功如圖12所示。

圖12 創(chuàng)建VTN成功示意

（2）通過(guò)Mininet終端驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

Mininet終端測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證界面如圖13所示。打開(kāi)Mininet終端，在終端輸入pingall指令，可以看到，主機(jī)1、主機(jī)3、主機(jī)5和主機(jī)8之間可以相互通信。

（3）通過(guò)基于SDP的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)日志文件驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

圖13 Mininet終端測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證界面

VTN日志文件如圖14所示，在主機(jī)1、主機(jī)3、主機(jī)5和主機(jī)8之間存在3條虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)VTN的定價(jià)機(jī)制可得到3條虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)（VTN1、VTN2、VTN3），對(duì)應(yīng)的價(jià)格為：10.7、9.7和8.6，當(dāng)客戶(hù)端發(fā)出創(chuàng)建VTN3命令時(shí)，調(diào)用協(xié)商算法（BaseConsult）進(jìn)行協(xié)商；然后，調(diào)用南向接口創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的vBridge、interface以及portmap；最后，將創(chuàng)建成功的信息返回給用戶(hù)。

圖14 VTN日志文件

（4）通過(guò)圖形界面驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

基于SDP的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的UI界面如圖15所示。各個(gè)鏈路上的數(shù)值對(duì)應(yīng)當(dāng)前鏈路的價(jià)格，加陰影的主機(jī)是當(dāng)前虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的主機(jī)。VTN1、VTN2和VTN3為第1步創(chuàng)建VTN時(shí)顯示的3條虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)。由圖15可知，VTN3對(duì)應(yīng)的價(jià)格最便宜，所以用戶(hù)可以選擇創(chuàng)建VTN3來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

SDN因其具有轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、集中控制和開(kāi)放接口功能而被廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了SDN的產(chǎn)生背景和發(fā)展現(xiàn)狀；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)比較SDN和云計(jì)算應(yīng)用的區(qū)別和特點(diǎn)，借鑒云計(jì)算的經(jīng)濟(jì)模型，提出了SDP的概念；并在SDN應(yīng)用體系框架的基礎(chǔ)上，將SDP機(jī)制與SDN應(yīng)用體系框架結(jié)合起來(lái)，提出了基于SDP的SDN應(yīng)用和SDN應(yīng)用體系框架。在本文所提出的SDN應(yīng)用中，SDN應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)模型，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)定價(jià)；而資源提供者和資源消耗者可以通過(guò)協(xié)商機(jī)制對(duì)資源的價(jià)格進(jìn)行協(xié)商，從而從用戶(hù)的角度調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)基于SDP的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)的工作中，將針對(duì)SDN架構(gòu)中的每一層，進(jìn)一步完善和實(shí)現(xiàn)SDP和SDN應(yīng)用。

圖15 VTN圖形界面

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26 中外對(duì)比：國(guó)內(nèi)云計(jì)算平臺(tái)的三大特點(diǎn).http://news.expeak.com/cloud/2012/0904/3526.html?1346829435,2012 Chinese-foreign contrast:the three characteristics of domestic cloud computing platform.http://news.expeak.com/cloud/2012/0904/3526.html?1346829435,2012

27 胡永凱,左保河.基于Maven的J2ME項(xiàng)目管理插件的開(kāi)發(fā).電腦與電信,2009(3):54～56 Hu Y K,Zuo B H.Development of Maven plugin for J2ME project.Computer and Telecommunication,2009(3):54～56

28 張俊.用Maven簡(jiǎn)化你的項(xiàng)目管理.程序員,2006(9):124～125 Zhang J.Simplify project using Maven.Programmer,2006(9):124～125

29 David E,Jon K.Networks,crowds and markets:reasoning about a highly connected world.Journal of the Royal Statistical Society,2010,175(4)

30 OpenDaylight Virtual Tenant Network(VTN).https://github.com/opendaylight/docs/blob/stable/lithium/manuals/user-guide/src/main/asciidoc/vtn/vtn-user.adoc,2015