向量交換技術(shù)在高速傳輸網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

［徐昌彪 魯昭男］

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向量交換技術(shù)在高速傳輸網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

［徐昌彪 魯昭男］

摘要

文章對當(dāng)前主流的骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析，針對不同技術(shù)所存在的問題：ATM網(wǎng)絡(luò)造價昂貴，技術(shù)復(fù)雜，難以應(yīng)對用戶需求的多元化；IP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理時間長，路由器轉(zhuǎn)發(fā)效率不高等，提出基于SDN技術(shù)下的向量交換網(wǎng)絡(luò)。通過SDN控制器的集中控制和掌握全局信息的優(yōu)勢，為交換機(jī)提供實時的向量路由地址，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)的不查表快速轉(zhuǎn)發(fā)。通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件搭建實驗平臺，對基于SDN技術(shù)的向量交換網(wǎng)絡(luò)和IP傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比對。實驗結(jié)果表明，向量交換網(wǎng)絡(luò)擁有更快的數(shù)據(jù)處理能，同時較ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造價更低，非常適合部署在骨干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。

關(guān)鍵詞：IP網(wǎng)絡(luò) ATM網(wǎng)絡(luò) 向量交換 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

徐昌彪

工學(xué)博士，教授，重慶郵電大學(xué)與通信與信息工程學(xué)院，博士后出站。研究方向：無線TCP、IP QoS、移動IP、IP組播以及無線自組織網(wǎng)等。

魯昭男

引言

在20世紀(jì)80年代初期，個人計算機(jī)和服務(wù)終端開始在人們的工作領(lǐng)域普及開來，成為辦公室工作者不可缺少的辦公用具。在那段時期，計算機(jī)主要在企業(yè)內(nèi)部建立起來的局域網(wǎng)中實現(xiàn)互聯(lián)，主要的應(yīng)用是文件傳遞和電子郵件，通信量相對較少且信息內(nèi)容單一，同時，在辦公環(huán)境中大約80％的通信量在本地，只有20％左右的通信量穿過廣域網(wǎng)鏈路。20世紀(jì)九十年代，性能的不斷提高使得計算機(jī)逐漸進(jìn)入人們的生活，多媒體數(shù)據(jù)傳輸與處理、交互式游戲、遠(yuǎn)程通信等應(yīng)用的普及為人們的生活帶來更多樂趣。21世紀(jì)至今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)無論是數(shù)量還是種類都發(fā)生了巨大變化，跨越地市、省甚至國家的通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長，網(wǎng)絡(luò)中所承載的數(shù)據(jù)類型也逐漸變得復(fù)雜且多元化。在這些多元化的數(shù)據(jù)類型中，非彈性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如語音通話、視頻會議、交互式網(wǎng)絡(luò)游戲等等對時延的要求十分敏感，因此，對互聯(lián)網(wǎng)端到端的快速傳輸提出了新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為用戶提供了4M、8M、16M甚至更高的寬帶接入服務(wù)，用戶可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行選擇，然而，就用戶需求而言，高的接入帶寬僅僅能夠保證數(shù)據(jù)快速的接入骨干網(wǎng)絡(luò)，并不意味這數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)了端到端的快速傳輸。具體而言，骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率通常決定著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)端到端的時延，而在骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中，數(shù)據(jù)包的排隊和處理時延往往占到總時延的絕大部分。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在骨干網(wǎng)絡(luò)中的快速轉(zhuǎn)發(fā)，人們提出了多種解決方案，根據(jù)數(shù)據(jù)包處理方式的不同分為以基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)報交換和以異步傳輸模式（ATM）為代表的虛電路交換。

1　骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)分析

1.1IP骨干網(wǎng)絡(luò)

由于自身的開放性和靈活性，IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]迅速占領(lǐng)了信息通信界的主流市場。IP網(wǎng)絡(luò)以分組作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝唬總€分組攜帶數(shù)據(jù)源和目的地址信息，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中，傳輸節(jié)點(diǎn)（路由器或交換機(jī)）通過提取相應(yīng)的目的信息為分組選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)端口。由于IP網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的尋址體系，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)。同時獨(dú)立服務(wù)的模塊化結(jié)構(gòu)使得IP網(wǎng)絡(luò)能夠支持多種不同應(yīng)用，適宜新型業(yè)務(wù)的添加。然而，由于IP網(wǎng)絡(luò)采用最長前綴匹配算法、逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換方式，數(shù)據(jù)包需要在鏈路中的每一個路由器進(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)，這種轉(zhuǎn)發(fā)方式往往需要耗費(fèi)大量時間。為了實現(xiàn)IP骨干網(wǎng)絡(luò)的快速數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)界從不同的角度提出了不同的改進(jìn)方法：多路徑路由提供了一種簡單的機(jī)制來分配通信量，在平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時，增大了鏈路的傳輸帶寬，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。隊列管理和調(diào)度策略對時延敏感型數(shù)據(jù)給予更高的優(yōu)先級，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中對時延敏感數(shù)據(jù)優(yōu)先處理并分配足夠的帶寬。RTP/RTCP（實時傳輸協(xié)議/實時傳輸控制協(xié)議）相互配合，在互聯(lián)網(wǎng)中為傳送視頻、音頻和其他實時通信量提供機(jī)制，使得實時數(shù)據(jù)可以在目的端有效地復(fù)原。隨著網(wǎng)絡(luò)需求日趨多樣化，上述補(bǔ)丁式的改進(jìn)方式越來越難以應(yīng)對種類繁多的用戶需求，同時使得網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備日趨復(fù)雜，這將大大增加網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的工作壓力和能量損耗，反而不利于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)靈活快速的處理。

1.2ATM骨干網(wǎng)絡(luò)

異步傳輸模式（ATM Asynchronous Transfer Mode）[2]，是建立在電路交換和分組交換的基礎(chǔ)上的一種交換技術(shù)。類似于電路交換，端用戶之間的信息傳輸之前需要先分配邏輯信道，建立虛擬鏈接。采用分組交換的機(jī)制，使用固定長度53字節(jié)的分組（稱之為信元）為轉(zhuǎn)發(fā)對象，在ATM交換機(jī)內(nèi)部實現(xiàn)輸入端口的信元直接交換到輸出端口，交換機(jī)本身標(biāo)志性差錯控制和流量控制，減少節(jié)點(diǎn)處的時延。由于信元長度固定，ATM交換機(jī)采用硬件支持，數(shù)據(jù)處理效率極高，信元在ATM交換機(jī)中的停留時間通常不會超過100μs。作為B-ISDN（寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）核心技術(shù)之一，ATM具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率并能夠支持多種類型如多媒體、交互式音頻、視頻、在線游戲等業(yè)務(wù)的高速傳輸，同時為不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的細(xì)粒度的QoS保障。

2　向量交換技術(shù)

除了當(dāng)前主流的基于IP網(wǎng)絡(luò)的分組交換技術(shù)和基于ATM網(wǎng)絡(luò)的虛電路交換技術(shù)，向量交換技術(shù)[3]為數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)帶來新的思路。與虛電路交換類似，向量交換技術(shù)在數(shù)據(jù)包傳輸之前提前計算路徑，同時將路徑中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的輸出端口編號依次組成序列形成向量地址，并將該向量地址封裝在數(shù)據(jù)包中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到一個數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的輸出端口號提取并以此直接轉(zhuǎn)入相對應(yīng)的輸出端口。由于中間節(jié)點(diǎn)能夠直接從數(shù)據(jù)包中提取路徑信息，避免了查表所耗費(fèi)的時間，數(shù)據(jù)包的傳輸速率顯著提高。以下是向量交換的一個實例。

由于瑯岐島受亞熱帶海洋氣候的影響，季節(jié)性明顯，使得大批量游客登島觀光的時間一般集中到5月—10月之間，而其他時間基本上可被視為“空檔期”。每到旅游旺季，瑯岐島就會迎來很多周邊游客觀光，或自駕、或組團(tuán)，給島嶼帶來不一樣活力和生機(jī)。然而隨著游客的不斷增多，島內(nèi)也遇到很多問題，如游客質(zhì)量得不到保證，景區(qū)承載力過量，景觀設(shè)備得不到及時維修等，這些都是因為季節(jié)性影響帶來的。調(diào)整游客度假時間，開發(fā)多項不受季節(jié)控制項目，拉長沿海地區(qū)旅游度假時間，盡量減少因季節(jié)性影響帶的問題，已成為大家首要思考的問題。

圖1　向量交換網(wǎng)絡(luò)示意

如圖1，當(dāng)數(shù)據(jù)包從計算機(jī)B發(fā)送至服務(wù)器D時，數(shù)據(jù)包包頭向量地址域所填數(shù)據(jù)為“2334”即數(shù)據(jù)包將由d節(jié)點(diǎn)的2號輸出端口送出轉(zhuǎn)入e節(jié)點(diǎn)后由3號輸出端口.......直到到達(dá)服務(wù)器D。向量地址的二進(jìn)制編碼方式如下：

十進(jìn)制表示：{2,3,3,4}

二進(jìn)制表示：{10,11,11,100}由此，數(shù)據(jù)包包頭中的向量地址域的數(shù)據(jù)為“101111100”，其中四個端口號所占的二進(jìn)制位數(shù)分別為2位、2位、2位、3位。向量地址在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中每經(jīng)過一個交換節(jié)點(diǎn)就會減少一個向量地址分量，向量地址的長度也會相應(yīng)減少，因此向量地址的長度是不定長的。由于互聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，基于向量交換的尋址技術(shù)所需的向量地址位數(shù)將遠(yuǎn)小于IPv4的32位IP地址[4]。

向量交換技術(shù)避免了中間節(jié)點(diǎn)的查表過程，同時，由于數(shù)據(jù)包的處理過程簡單，更適合硬件操作，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理速率的最大化。然而，在實際應(yīng)用過程中，向量交換依然存在諸多問題，例如，在向量交換網(wǎng)絡(luò)中的邊界路由器需要獲得實時的網(wǎng)絡(luò)全局狀態(tài)，在數(shù)據(jù)包接入時根據(jù)其目的IP地址，計算傳輸路徑，并將對應(yīng)的向量地址寫入數(shù)據(jù)包的向量地址域中。因此，邊界路由器需要大量的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸占據(jù)了大量的網(wǎng)絡(luò)資源。另外，當(dāng)某個鏈路或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生損壞，不具備路徑查詢功能的核心路由器無法為數(shù)據(jù)包重新選擇路由，由此可知，基于向量交換的網(wǎng)絡(luò)抗毀性較弱。

為解決上述問題，我們將SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)與向量交換技術(shù)進(jìn)行融合[5]，通過SDN控制器特有的全局網(wǎng)絡(luò)信息為數(shù)據(jù)包提供向量路徑計算并以流表項的形式下發(fā)到相應(yīng)的SDN交換機(jī)，由于SDN控制器與交換機(jī)通過特有的安全通道和OpenFlow協(xié)議進(jìn)行通信，減少了網(wǎng)絡(luò)中的控制信令的數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)中非用戶數(shù)據(jù)負(fù)載。同時，SDN網(wǎng)絡(luò)中的鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障造成網(wǎng)絡(luò)擁塞時，控制器能夠及時發(fā)現(xiàn)并為擁塞節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包重新分配向量路由，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。

2.1基于SDN的向量交換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)介紹

2.1.1向量交換網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器

圖2　控制器工作流程

2.1.2向量交換網(wǎng)絡(luò)中SDN交換機(jī)

基于SDN技術(shù)下控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的特點(diǎn)，SDN交換機(jī)只負(fù)責(zé)為接入向量交換網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行流表項的匹配，將匹配成功流表項中的向量路徑寫入數(shù)據(jù)包中的向量地址域后轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)輸出端口，如果匹配失敗，交換機(jī)將數(shù)據(jù)包中的目的IP等路由信息封裝后由安全通道以及OpenFlow[6]協(xié)議發(fā)送至控制器，等待控制器下發(fā)新的流表項。交換機(jī)工作流程如圖3。

圖3　交換機(jī)工作流程

2.2流表項格式

圖4　SDN流表項格式

如圖4，字段定義如下：

Tab占1 bit，用于標(biāo)識分組類型。其中Tab=0表示向量分組，交換機(jī)將該分組直接轉(zhuǎn)入硬件設(shè)備進(jìn)行端口號提取和轉(zhuǎn)發(fā)。Tab=1表示IP分組，交換機(jī)將通過相應(yīng)匹配，并執(zhí)行動作集中的相應(yīng)動作例如寫入向量地址、改寫標(biāo)簽、提交控制器、丟包等。

IP TOS域占4 bit用來表示分組優(yōu)先級，交換機(jī)根據(jù)不同優(yōu)先級將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至輸出端口的相應(yīng)隊列，SDN交換機(jī)可通過隊列管理和調(diào)度機(jī)制實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)包的QoS保障。

Writing Vector Adr 動作將相應(yīng)的向量地址（也就是路徑中各個交換機(jī)的輸出端口號）寫入數(shù)據(jù)包的向量地址域，在之后的所有交換機(jī)將直接通過硬件進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。Rewrite Tab動作將對數(shù)據(jù)包的Tab域進(jìn)行改寫，將IP分組改寫為向量分組。

3　網(wǎng)絡(luò)建模與仿真

本實驗采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[7、8]構(gòu)建基于SDN技術(shù)的向量交換網(wǎng)絡(luò)實驗平臺如圖4，其中控制器基于全局視圖通過Dijkstra最短路徑算法為各路由器生成用于轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)的普通流表項，同時基于向量交換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則為數(shù)據(jù)包的向量交換提供可添加向量地址的特殊流表項。來自數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流以強(qiáng)度為1的泊松流生成IP數(shù)據(jù)包，其中一半的IP數(shù)據(jù)包將由普通的IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，另一半的數(shù)據(jù)包通過向量轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳輸。網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬為10M/s，交換機(jī)以5P/s的恒定速率處理數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果如圖5、6、7。

由圖6可知，向量交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)在中間節(jié)點(diǎn)處不需要查表而直接被轉(zhuǎn)入輸出端口排隊，極大的降低了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的處理時延，同時，與ATM網(wǎng)絡(luò)類似，數(shù)據(jù)包在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前路徑已經(jīng)被確定，固定的路徑傳輸有效的降低了時延抖動的產(chǎn)生，非常適合實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)尤其是話音業(yè)務(wù)和視頻會議等業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。另外，由圖7可知，在相同截止隊長的前提下，向量交換較IP分組交換丟包率更小。

圖5　基于SDN技術(shù)的向量交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖6　IP分組交換和向量交換網(wǎng)絡(luò)時延對比圖

圖7　IP分組交換和向量交換網(wǎng)絡(luò)丟包率對比

4　總結(jié)與展望

SDN技術(shù)集中式的控制層面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面相互分離，極大地簡化了交換機(jī)（或路由器）的工作壓力，同時，集中式的控制有利于及時獲得全區(qū)網(wǎng)絡(luò)信息并能夠針對實時的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)迅速做出反應(yīng)，非常適合承載向量交換網(wǎng)絡(luò)，基于SDN技術(shù)的向量交換網(wǎng)絡(luò)傳輸效率高、網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)簡單，造價較ATM設(shè)備更為便宜，在核心骨干網(wǎng)絡(luò)市場中擁有廣泛的應(yīng)用前景。同時，向量交換技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全，QoS，流量工程等應(yīng)用中也具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，在接下來的研究中，我們將針對不同數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)資源的差異化需求，通過隊列管理和調(diào)度機(jī)制優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)的同時，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供細(xì)粒度的QoS保障。

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收稿日期：（2015-12-27）

通信作者，男，碩士研究生，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，主要研究方向：下一代網(wǎng)絡(luò)和面向SDN（software defined network）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的路由算法。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.014