基于電力數(shù)據(jù)中心架構的SDN控制器優(yōu)化部署

李志偉++王易文

摘 要：隨著SG-186工程及隨后的SG-EPR的提出，智能通信信息平臺的建設和發(fā)展，電力數(shù)據(jù)爆炸式增長，現(xiàn)有的電力數(shù)據(jù)中心處理龐大數(shù)據(jù)的效率不高，無法滿足電力用戶的需求即服務質(zhì)量（QoS）得不到保障。通過對電力數(shù)據(jù)中心的分析及對SDN的研究，闡釋了SDN對電力數(shù)據(jù)中心的實用性，將SDN合理的運用于電力數(shù)據(jù)中心，并在此基礎上提出一種優(yōu)化方案，最后在mininet實驗平臺上進行仿真測試。

關鍵詞：電力數(shù)據(jù)中心；SDN；控制器

引言

電力數(shù)據(jù)中心作為電力行業(yè)信息化的載體，主要是提供信息的分析處理及存儲的能力，是電力信息技術服務的核心基礎設施，保證電力信息系統(tǒng)業(yè)務連續(xù)、可靠、安全地運行。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的到來，電力數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴大，體系愈發(fā)復雜，這使得電力數(shù)據(jù)中心涉及到的光纖交換機、網(wǎng)絡設備、服務器、安全設備、接入交換及匯聚交換設備等軟硬件設備數(shù)目越來越大，同時SG-EPR業(yè)務在電力數(shù)據(jù)中心的部署讓業(yè)務的種類及數(shù)量增加，信息系統(tǒng)災備業(yè)務的龐大數(shù)據(jù)量會占用較大的帶寬，最后從近幾年的數(shù)據(jù)看來，電力數(shù)據(jù)中心由于要具備較高的穩(wěn)定性并且要保證供電可靠性，能耗也普遍提高。

針對傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的這些問題，很多學者和專家都在思考解決的方案，特別是最近幾年大數(shù)據(jù)和云計算的出現(xiàn)，都可以對電力數(shù)據(jù)中心的體系有所改善。而軟件定義網(wǎng)絡（SDN）自2009年入圍十大前沿技術后就一直備受關注，SDN網(wǎng)絡的部署是通過軟件來定義來實現(xiàn)的，其本質(zhì)屬性是控制與轉發(fā)的分離、具有開放的編程接口和集中化的網(wǎng)絡控制。SDN使網(wǎng)絡的管理變得更加便捷和靈活，實現(xiàn)了業(yè)務的自動化部署，提高了資源的利用率，降低了網(wǎng)絡的建設和維護成本，推動了網(wǎng)絡業(yè)務的創(chuàng)新。SDN的思想符合網(wǎng)絡的簡單、開放、可編程和易擴展的要求，得到了學術界和工業(yè)界的大力支持，被認為是網(wǎng)絡發(fā)展的方向，成為近年來業(yè)界的熱門技術。

1 基于SDN的電力數(shù)據(jù)中心體系架構

SDN是一種新型的網(wǎng)絡技術，它將傳輸網(wǎng)絡中的控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面分離，并推送到集中式的控制器中。SDN集中控制方式屏蔽了物理設備的差異性，并通過南北向接口實現(xiàn)網(wǎng)絡的可編程化控制。將SDN技術應用到電力數(shù)據(jù)中心，構建軟件定義電力數(shù)據(jù)中心體系，主要的功能優(yōu)勢包括以下幾個方面：（1）集中高效的管理和運維數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡；（2）多路徑轉發(fā)功能；（3）智能的虛擬機部署和遷移；（4）高效的資源優(yōu)化配置和彈性調(diào)度。

經(jīng)典的三層架構如圖1所示，SDN基本架構如圖2所示。

電力數(shù)據(jù)中心SDN系統(tǒng)架構借鑒了業(yè)界流行的三層架構。底層采用通用轉發(fā)平面構建物理承載網(wǎng)絡，南向采用支持異構設備接入的、面向演進的適配接口，目前支持主流的OpenFlow南向接口協(xié)議網(wǎng)絡操作系統(tǒng)實現(xiàn)分散資源的統(tǒng)一控制，承載層實現(xiàn)電力業(yè)務快速感知與對接，北向支撐電力應用層平臺，為管理者提供簡單、靈活的用戶界面。電力數(shù)據(jù)中心SDN系統(tǒng)架構如圖3所示。

2 SDN控制器組部署優(yōu)化

SDN控制器在SDN架構中處于核心地位，是SDN體系的控制中心，它的功能性直接會影響到整個SDN網(wǎng)絡，也是決定SDN能大規(guī)模應用的前提。

我們把控制器分為不同的層次：最下面我們稱之為南向接口層，有OpenFlow、NetConf/XMPP、BGP等不同的數(shù)據(jù)協(xié)議，因為控制器往下要管理不同的節(jié)點，這些不同的vSwitch或者物理交換機使用的協(xié)議不一樣。第二層是SAL適配層，這一層屏蔽了不同的廠商或者不同的設備對南向提供接口的差別，讓上層的模塊運行起來可以僅僅針對他關心的業(yè)務處理，而不用關心不同廠商的API有什么差別。再往上就是基礎的網(wǎng)絡功能模塊和內(nèi)置應用，其中最關鍵的計算都是由Overlay模塊完成的。接著往上就是北向接口層了，就是可編程的控制器要對外提供一個良好的編程接口。最后還有一部分就是管理層，其中有軟件的管理、軟件自身的升級、增加模塊、生命周期管理、集群的管理及一些UI的界面?？刂破鬟壿媽哟稳鐖D4所示。

在SDN體系架構中都有一個SDN控制器，但是如果將SDN應用到電力數(shù)據(jù)中心中去處理龐大的數(shù)據(jù)的時候，單節(jié)點的控制器肯定效率比較低，或者如果真的有這樣一臺控制器，那造就的成本一定很高，而且可靠性差，一旦受到攻擊會影響整個體系運轉。單個控制器控制基本型架構如圖5所示。

針對單一控制器的弊端，對其進行優(yōu)化，采用控制器組的方式進行部署，將一臺變成多臺，其中一部分是主控制器一部分是副控制器，主控制器對上提供北向的訪問接口，負責對這個控制器組進行管理，副控制器就負責管理控制交換機，連接交換機的方式即南向接口。把所有的主控制器放在一個區(qū)域內(nèi)，作為主控制器組，其他的作為備份，這就保持這個控制器組有一個持續(xù)的不間斷的對外提供北向接口的能力。下面的一些副控制器分到一個一個的區(qū)域內(nèi)，一個區(qū)域不止一臺副控制器，交換機會連接到一個區(qū)域所有的副控制器上，在一個區(qū)域的的副控制器中選取一個作為主，這樣一個交換機有多個副控制器，如果主的那個宕掉了，這個交換機發(fā)現(xiàn)以后就可以從剩余的里面選擇一個新的，備變成主，這樣就可以提供一個不間斷的服務能力，提高了可靠性。如圖6所示。

在這些控制器之間都是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的，也包含實時備份的功能，當某臺控制器業(yè)務數(shù)據(jù)變化時，其數(shù)據(jù)會保存在數(shù)據(jù)庫當中。

3 結束語

針對SDN單一控制器的問題，對其進行優(yōu)化部署之后可以大大提高其安全性能，提高整個數(shù)據(jù)中心的可靠性，可以預防對主控制器進行攻擊的安全性問題，同時多個控制器也能提高數(shù)據(jù)中心的工作效率而且多個控制器是對單一控制器的簡化后的控制器組，相對而言成本也有所降低。

參考文獻

[1]吳鵬，吳軍民，劉川，等.軟件定義網(wǎng)絡在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的應用研究[J].信息技術，2014（1）：52-55.

[2]范偉.軟件定義網(wǎng)絡及應用[J].通信技術，2013，46（03）：67-70.

[3]劉娟，黃韜，魏亮.SDN中基于可靠性優(yōu)化的控制器放置算法研究[J].2013.

[4]高強.軟件定義網(wǎng)絡的分布式控制及上層尋址方式研究[D].浙江工商大學，2014.

[5]吳強，徐鑫，劉國燕，基于SDN技術的數(shù)據(jù)中心基礎網(wǎng)絡構建[J].電信科學，2013，01.

[6]趙慧玲，馮明，史凡，等.SDN未來網(wǎng)絡演進的重要趨勢[J].電信科學，2012，28（I1）：1-5.

[7]A.TOOTOONCHIAN et al.“On Controller Performance in Software-Defined”Proc_ iJSFNIX Hot-ICE 12，2012：10-10.