基于SDN的網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

吳舜 ，張輝 ，邢寧哲 ，宋偉 ，黃天琳 ，唐亞哲

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

吳舜1，張輝1，邢寧哲1，宋偉1，黃天琳2，唐亞哲2

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

電力系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運維管理存在功能弱、粒度粗及業(yè)務(wù)支撐能力不夠等問題。試圖以SDN技術(shù)解決上述問題，提出了SDN網(wǎng)絡(luò)運維管理框架，構(gòu)建了跨域的SDN，研發(fā)了運維管理系統(tǒng)，部署了拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、故障檢測與切換等典型運維功能。測試表明，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)的缺點，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

SDN；網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)；拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；故障檢測與切換

1 引言

電力系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運維管理系統(tǒng)屬于電力IT系統(tǒng)的重要組成部分，在保障電力系統(tǒng)的正常高效運行中起著重要的支撐作用。當(dāng)前，電力系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)大部分還是基于 TCP／IP［1］網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其運維和管理也主要是基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理，存在管理功能偏弱、管理粒度粗和業(yè)務(wù)支撐能力有限等問題。

新型SDN［4-6］網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了控制層面和數(shù)據(jù)層面相分離的思想，將網(wǎng)絡(luò)的控制集中到控制器上，可以實現(xiàn)全網(wǎng)路由、配置的集中優(yōu)化。同時，交換機(jī)端也可以針對全部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次進(jìn)行細(xì)粒度流表配置和轉(zhuǎn)發(fā)計數(shù)，使得SDN下控制器對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的配置部署和監(jiān)控大大增強(qiáng)。這些特點都為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理運維系統(tǒng)的缺點提供了新的思路。

本文提出了SDN網(wǎng)絡(luò)管理運維的框架，并結(jié)合國網(wǎng)SDN試點項目，研發(fā)部署了跨域的SDN，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新型SDN網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了簡單高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)鏈路故障檢測和快速切換、服務(wù)器故障檢測和切換以及特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)帶寬保證的QoS。并結(jié)合視頻點播業(yè)務(wù)，對所開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試表明，SDN網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)具有細(xì)粒度、管理功能強(qiáng)大和能夠有效支撐業(yè)務(wù)部署的優(yōu)點。

2 電力網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)基于傳統(tǒng) TCP／IP［1］網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其運維和管理的主要方法是通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制（例如簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 （simple network management protocol，SNMP）［2］），由管理者從被管設(shè)備（例如交換機(jī)、路由器、服務(wù)器等）中獲取設(shè)備運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析后呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)管理員，再由網(wǎng)絡(luò)管理員實施網(wǎng)管操作。從網(wǎng)絡(luò)管理的角度看，當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運維存在兩個不足：網(wǎng)絡(luò)管理功能偏弱，存在對網(wǎng)管數(shù)據(jù)的分析處理能力不足以及不能區(qū)分不同的流和應(yīng)用并進(jìn)行細(xì)粒度的問題；網(wǎng)管系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的配置能力不足，因為MIBⅡ中大量的變量是只讀變量，只有少數(shù)變量是可寫變量，通過SNMP對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置能力有限。因此，網(wǎng)管系統(tǒng)更多地表現(xiàn)為一個網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視系統(tǒng)，而不是“控制”系統(tǒng)。這樣，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署等需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行大量繁瑣的配置工作，加大了實施難度。

近年來快速發(fā)展的SDN技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)管理提供了新的解決方案，也為電力網(wǎng)絡(luò)運維提出了新思路。SDN采用集中式管理機(jī)制，通過配置流表實施業(yè)務(wù)部署，并且在全部協(xié)議層次上進(jìn)行流的區(qū)分和計數(shù)的能力，有助于解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理運維系統(tǒng)的各種缺陷。

3 SDN網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)框架

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)存在的主要問題是監(jiān)控粒度太粗和對交換機(jī)和路由器的配置能力太弱，不能實施各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的部署。從監(jiān)控粒度來說，SDN交換機(jī)可以在全部協(xié)議層次上進(jìn)行流的區(qū)分和計數(shù)，理論上說，就有進(jìn)行每流計數(shù)和監(jiān)控的能力。網(wǎng)管系統(tǒng)也就具備每流區(qū)分管理的能力。而傳統(tǒng)網(wǎng)管對交換設(shè)備配置能力偏弱的問題，在SDN下得到了徹底的解決。因為SDN控制器實際上擁有全網(wǎng)所有交換設(shè)備的流表項配置能力，不僅能完成傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)做不到的路由表的配置，還可以通過路由表（流表）中流表項的配置來實施各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的配置和部署。

本文提出了基于SDN的網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)的框架，該框架主要由3部分組成：圖形用戶接口 （graphic user interface，GUI）部分、控制器部分以及控制器和被管SDN的交互部分。其中，GUI部分是用戶和運維系統(tǒng)的人機(jī)界面部分，用戶通過操控GUI來啟動對網(wǎng)絡(luò)的配置、管理和運維；控制器部分是系統(tǒng)的核心部分，真正的控制邏輯是在控制器端實現(xiàn)的。從系統(tǒng)動態(tài)執(zhí)行流程來看，用戶通過GUI啟動運維功能，該操作通過 RESTful［7］接口傳遞到控制器，控制器根據(jù)用戶配置的參數(shù)，運行真正的控制邏輯，形成SDN中各個相關(guān)交換機(jī)的流表項，并通過OpenFlow協(xié)議下發(fā)。同時，運維系統(tǒng)通過OpenFlow協(xié)議從交換機(jī)中獲取交換機(jī)的運行狀態(tài)信息，并通過RESTful接口傳遞到前臺GUI顯示給網(wǎng)絡(luò)管理員。

圖1 SDN網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)框架、功能和交互方式

研發(fā)了一個SDN網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)，具體的功能和交互方式如圖1所示。圖1中，左邊部分是控制器部分，主要的控制邏輯在控制器內(nèi)建應(yīng)用中實現(xiàn)，內(nèi)建應(yīng)用通過OpenFlow協(xié)議和相關(guān)的交換設(shè)備通信配置這些設(shè)備的流表，通過RESTful接口與前臺GUI通信，獲取前臺的用戶操作信息，并且把從內(nèi)建應(yīng)用獲取到的交換設(shè)備的狀態(tài)信息顯示在前臺GUI上。

4 SDN網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)功能

試點項目的SDN運維管理平臺中，確定了幾個經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)運維管理功能，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示功能、服務(wù)器故障檢測及切換功能、鏈路故障檢測及路徑切換功能以及QoS保證等功能，每個功能的具體內(nèi)容如下所示。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)及顯示功能：對于網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)及顯示是一個非常重要和基本的功能。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由于各個交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)不一，不少企業(yè)還在使用不同的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)管理來自于不同廠商的交換機(jī)，因為只有這樣，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能才能正常工作。而在SDN中，由于交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)卻有非常簡單標(biāo) 準(zhǔn) 的 實 現(xiàn) 方 式 ，即 通 過 LLDP［9］（link layer discovery protocol）消息、packet-out和packet-in消息的協(xié)作使控制器得到所有交換機(jī)的鄰居關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)造出整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。本文中將使用這種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。

服務(wù)器故障動態(tài)處理功能：控制器能夠自動監(jiān)聽各個服務(wù)器與交換機(jī)的連接狀態(tài)，一旦正在工作的服務(wù)器出現(xiàn)故障，便將業(yè)務(wù)流導(dǎo)到健康的服務(wù)器，保障客戶的服務(wù)不受影響。如圖2所示，一旦服務(wù)器因為關(guān)機(jī)或網(wǎng)線松落等原因離開網(wǎng)絡(luò)，那么控制器后臺應(yīng)用會接收到OpenFlow協(xié)議中的端口狀態(tài)變化消息（port status message）。通過對該消息解析可以定位到故障服務(wù)器。即可更新該服務(wù)器的健康狀態(tài)，并且對舊規(guī)則進(jìn)行刪除，重新構(gòu)造包含新服務(wù)器MAC地址的ARP回復(fù)給客戶端，為客戶端和新的服務(wù)器之間建立一條最短路徑的連接。

鏈路狀態(tài)監(jiān)測和切換功能：控制器能夠監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中各個鏈路的連接狀態(tài)，一旦某條鏈路斷開連接，則將此路徑上的數(shù)據(jù)流切換到另外一條冗余路徑，保障客戶的請求不受干擾。如圖3所示，控制器根據(jù)維護(hù)的全局拓?fù)?，可計算出點對之間的所有路徑。并且根據(jù)實時拓?fù)涓侣窂浇】禒顟B(tài)。當(dāng)收到端口改變消息，定位到故障路徑，控制器掃描點對之間的所有路徑，將所有包含該故障路徑的路徑健康狀態(tài)設(shè)為false。并且為受到影響的當(dāng)前工作路徑，重新選擇一條健康的最短路徑，動態(tài)更新規(guī)則。

圖2 服務(wù)器故障處理流程

圖3 鏈路故障處理流程

QoS保證功能：由于OpenFlow協(xié)議提供隊列管理的消息接口，因此可對交換機(jī)的隊列進(jìn)行配置 （如open vSwitch的隊列），設(shè)置其最大速率及最小速率，最小速率即可實現(xiàn)帶寬保障。并且可設(shè)置流表將一條流與對應(yīng)的隊列關(guān)聯(lián)，如HTTP流保障其帶寬為10 kbit／s，那么可以先配置某個隊列，將其最小速率設(shè)為 10 kbit／s，再配置流表的匹配域為 tcp_dst_port=80，action為將該流轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)隊列，即可完成流表到隊列的映射。具體流程如圖 4所示。

5 系統(tǒng)研發(fā)和測試

本文研發(fā)實現(xiàn)了上述的所有功能，并在國網(wǎng)某2個分公司進(jìn)行了跨域的SDN部署。部署拓?fù)淙鐖D 5所示。數(shù)據(jù)中心-1部署在其中一個分公司，數(shù)據(jù)中心-2部署在另外一個分公司。整個系統(tǒng)中部署一個SDN控制器（Ryu控制器）在數(shù)據(jù)中心-1。網(wǎng)絡(luò)中存在多條冗余路徑，可用作鏈路故障快速切換。并且有兩個視頻服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心-1的視頻服務(wù)器1是主服務(wù)器，只有在其出現(xiàn)故障時，才會自動切換到數(shù)據(jù)中心-2的備用的視頻服務(wù)器2用作測試服務(wù)器故障處理。背景流量發(fā)生器能夠產(chǎn)生流量造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，則可以測試在擁塞時，用戶對視頻流進(jìn)行QoS配置，能否成功保障帶寬。

圖4 QoS保證功能

圖5 SDN物理拓?fù)?/p>

當(dāng)全局拓?fù)浯罱ê弥螅刂破魍ㄟ^循環(huán)發(fā)送、接受交換機(jī)的LLDP分組，通過LLDP構(gòu)建全局拓?fù)?，并且學(xué)習(xí)從各個終端發(fā)來的數(shù)據(jù)分組，進(jìn)行主機(jī)發(fā)現(xiàn)的過程。在較短的收斂時間內(nèi)，運維平臺GUI便能夠顯示到全網(wǎng)的全局拓?fù)?，如圖6所示。

從圖6可以看到，網(wǎng)絡(luò)中存在備用的服務(wù)器二 （位于最右邊，編號為6），當(dāng)服務(wù)器發(fā)生故障離開網(wǎng)絡(luò)時，控制器會監(jiān)聽到端口狀態(tài)改變事件，解析事件發(fā)來的消息便能夠定位到故障的服務(wù)器，將其從終端集合中移除、將流切換到另一個健康的服務(wù)器，并且進(jìn)行流表規(guī)則的更新。

在服務(wù)器一上運行：ifconfig eth0 down或者拔掉網(wǎng)線、關(guān)機(jī)等操作，此時可以看到，控制器對流表規(guī)則進(jìn)行了更新，建立了新的雙向流用于客戶端與備用服務(wù)器的交互。

圖6 全局拓?fù)銰UI顯示

從圖7可以看到：編號為8的主服務(wù)器一從頁面消失，表示終端的維護(hù)也是實時更新的；當(dāng)前的工作路徑已從原來視頻客戶端—視頻服務(wù)器1切換為了視頻客戶端—視頻服務(wù)器2；程序動態(tài)對規(guī)則進(jìn)行了更新，重新挑選了健康服務(wù)器提供服務(wù)，并且在該服務(wù)器與客戶端之間建立了一條最短路徑：11-9-12，客戶端視頻正常播放，切換過程對其是透明的。

從圖6可以看到，本拓?fù)溥B接在終端之間都存在冗余鏈路可以進(jìn)行切換。

如圖8所示，在視頻服務(wù)器2提供服務(wù)的情況下，路由設(shè)置為兩個終端之間的最短路徑之一：11-9-12，此時將9號交換機(jī)與11號交換機(jī)之間的網(wǎng)線拔掉，后臺程序監(jiān)聽到9、11兩個交換機(jī)發(fā)出的端口改變消息，定位到兩者之間的鏈路斷開。更新全路徑表，選擇另外一條健康的、最短路徑提供服務(wù)，對比圖8、圖9可以看到：“綠色路徑”已經(jīng)發(fā)生改變，改由11-10-12號交換機(jī)提供服務(wù)。并且9-11號交換機(jī)之間的連接已經(jīng)消失，表明GUI全局拓?fù)涞娘@示是實時進(jìn)行的。

圖7 服務(wù)器故障處理—視頻服務(wù)器1出現(xiàn)故障

圖8 服務(wù)器2提供服務(wù)

QoS保證功能目前主要是通過配置優(yōu)先級隊列的最小速率并且配置流表完成流到隊列的映射來保證視頻擁有足夠的帶寬播放視頻，測試時選取1080P（最高碼流54 Mbit／s）類型的視頻進(jìn)行測試。測試中，首先設(shè)置QoS保障值為10 Mbit／s，并通過iperf發(fā)出背景干擾流量。此時，背景流量的存在使得網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，導(dǎo)致設(shè)置的10 Mbit／s帶寬不夠，視頻會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的卡幀現(xiàn)象。對比試驗中，設(shè)置QoS保障值為200 Mbit／s，仍舊通過 iperf發(fā)出背景干擾流量。此時，背景流量的存在使得網(wǎng)絡(luò)擁塞。但由于該高清視頻的最高碼流是54 Mbit／s，因此給該高清視頻保障200 Mbit／s的帶寬時，視頻帶寬絕對夠用。因此背景流量不管多大，都不會影響視頻服務(wù)，實現(xiàn)了QoS帶寬保證。

圖9 鏈路故障處理

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運維管理系統(tǒng)存在管理粒度粗放、業(yè)務(wù)配置能力低下等缺陷，新型SDN具有控制層面和數(shù)據(jù)層面分離、集中優(yōu)化控制、通過配置流表實施業(yè)務(wù)部署，并且可以在全部協(xié)議層次上進(jìn)行流的區(qū)分和計數(shù)的能力，為SDN的管理運維提供了新的方法。

本文介紹了SDN的新型運維管理框架和典型管理功能，在部署的跨域SDN上研發(fā)了新型運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了相關(guān)的功能，并進(jìn)行了實際的測試。測試表明，SDN技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)運維管理的自動化、集中化和便利化提供了優(yōu)秀的技術(shù)手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and development of the network OA&M system based on SDN

WU Shun1，ZHANG Hui1，XING Ningzhe1，SONG Wei1，HUANG Tianlin2，TANG Yazhe2
1.State Grid Jibei Information&Telecommunication Company，Beijing 100053，China 2.Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

The OA&M systems of network infrastructure in electric power companies have drawbacks such as weak functions，coarse-grained monitor and control on the underlying networks and bad support on service deployment.SDN technology was used to solve these problems.An SDN-based OA&M framework was presented，a cross-domain SDN network was built and the corresponding OA&M system was developed，which could perform functions like topology discovery and fault detecting along with backup components switching.The experiments results prove that the OA&M system can overcome the above drawbacks and achieve the design goal.

SDN，network OA&M system，topology discovery，fault detecting and switching

TN92

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016077

2015-09-08；

2016-01-29

吳舜（1983-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師、高級技師，主要研究方向為電力企業(yè)信息系統(tǒng)運檢技術(shù)、用戶體驗監(jiān)測技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

張輝（1979-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司主任，主要從事電力企業(yè)通信專業(yè)技術(shù)管理工作。

邢寧哲（1978-），男，博士，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司副總工程師，主要從事電力企業(yè)通信專業(yè)技術(shù)管理工作。

宋偉（1983-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司工程師、中級技師，主要研究方向為電力企業(yè)信息通信系統(tǒng)工程建設(shè)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)及項目高級管理。

黃天琳（1991-），女，西安交通大學(xué)碩士生，主要從事網(wǎng)絡(luò)測量、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研發(fā)工作。

唐亞哲（1970-），男，博士，西安交通大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)安全。