基于SDN及NFV的電力數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)研究

黃 輝， 王易文， 沈衛(wèi)康

(1. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院， 南京 210003; 2. 南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院， 南京 211167)

基于SDN及NFV的電力數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)研究

黃 輝1， 王易文1， 沈衛(wèi)康*2

(1. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院， 南京 210003; 2. 南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院， 南京 211167)

電力信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨著網(wǎng)絡(luò)資源的有效及高效利用的問題，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-defined networking, SDN)從架構(gòu)上看很適合做資源調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)又提供了上層應(yīng)用的靈活性。結(jié)合電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)的特殊性，對數(shù)據(jù)中心的SDN及NFV應(yīng)用場景進(jìn)行分析，結(jié)合電力數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度提出相應(yīng)的技術(shù)部署方案。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)； 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)； 數(shù)據(jù)中心； 資源調(diào)度； 智能電網(wǎng)

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和服務(wù)需求的快速發(fā)展年代，電力企業(yè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨新的變革與機(jī)遇[1,2]。首先，分散的小型數(shù)據(jù)中心面臨著繁瑣的設(shè)備、復(fù)雜的布線以及數(shù)據(jù)中心間鏈路的的利用；其次，服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)更便于適應(yīng)用戶的多種需求；以服務(wù)為驅(qū)動的新型模式，讓數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)需求更趨于動態(tài)、復(fù)雜。近年來軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-defined networking, SDN)技術(shù)成為了繼云計算、大數(shù)據(jù)后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都普遍關(guān)注的課題，作為被Gartner列為IT領(lǐng)域未來五年內(nèi)十大關(guān)鍵技術(shù)之一[3,4]。Google數(shù)據(jù)中心在使用基于OpenFlow的SDN技術(shù)后，便迅速成為SDN應(yīng)用場景的標(biāo)桿之作[5-7]。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)在虛擬化領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景，使數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用更為彈性[8-10]。

1 數(shù)據(jù)中心與SDN

電力系統(tǒng)能量管理數(shù)據(jù)和用電管理數(shù)據(jù)之間有著許多共享信息，為保證各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠快速安全工作，電力系統(tǒng)設(shè)置幾個工作區(qū)，如圖1所示。

圖1 電力數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度框圖

本方案主要以軟件定義網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)據(jù)中心，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的特性制定流量調(diào)度的相關(guān)算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)中心管理。流量調(diào)度系統(tǒng)作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心，用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)籌安排的特性，當(dāng)交換機(jī)把流量信息通過PacketIn消息上傳給流量調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)會對其進(jìn)行流量類型識別控制。將已經(jīng)識別的流量進(jìn)行針對性的流量疏導(dǎo)策略制定，策略確定后將其貫徹到相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上(基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī))。

本文方案在保證網(wǎng)絡(luò)正常通信的情況下，具有如下特點：

1) 通過深度包解析協(xié)議匹配算法實現(xiàn)對流量的精確匹配；

2) 并根據(jù)流量特征對流量進(jìn)行優(yōu)先級分類；

3) 通過可行路徑分析算法實現(xiàn)端到端可行路徑的全面掌握；

4) 對鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行實時更新，利用鏈路信息分析算法計算全網(wǎng)鏈路的擁塞狀況；

5) 以可行路徑、鏈路狀態(tài)信息等為參數(shù)，通過最優(yōu)路徑算法實現(xiàn)最優(yōu)路徑的確立；

6) 最后通過調(diào)度決策算法實現(xiàn)策略下發(fā)，確保制定的轉(zhuǎn)發(fā)策略符合實時鏈路狀態(tài)情況下的最優(yōu)路徑。

2 中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度系統(tǒng)軟件架構(gòu)

電力中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度系統(tǒng)軟件架構(gòu)基礎(chǔ)控制層，如圖2所示。

圖2 電力數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度系統(tǒng)軟件架構(gòu)

基礎(chǔ)控制層的功能是提供一些基礎(chǔ)的管理服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。該層主要包括協(xié)議插件管理器、設(shè)備管理、拓?fù)涔芾?、統(tǒng)計管理。協(xié)議插件管理通過插件機(jī)制來支持多種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過協(xié)議插件向上層提供鏈路控制和數(shù)據(jù)包控制功能。該模塊用于在啟動后載入注冊的各個協(xié)議插件，在收到或發(fā)送消息時根據(jù)協(xié)議類型使用不同的協(xié)議插件對消息進(jìn)行解碼或編碼。設(shè)備管理對接入SDN網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)、主機(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行管理，在控制器中為每一個交換機(jī)創(chuàng)建一個交換機(jī)實例，記錄交換機(jī)的狀態(tài)信息，端口(類型，狀態(tài)，工作模式，帶寬大小等)，并維持此交換機(jī)實例與物理交換機(jī)之間的狀態(tài)連接，對出現(xiàn)的各種影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫录?如交換機(jī)下線，端口down等)快速及時響應(yīng)。拓?fù)涔芾碇饕糜诠芸卣麄€網(wǎng)絡(luò)中所有物理交換機(jī)之間的鏈路信息。交換機(jī)連接到控制器之后，向物理交換機(jī)管理模塊上報其所有包含的端口信息。物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾肀闅v交換機(jī)的所有端口，并發(fā)送BGP探測包，用于探測物理交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滏溌方Y(jié)構(gòu)。當(dāng)有新交換機(jī)加入到網(wǎng)絡(luò)中時，可以將其加入到交換機(jī)隊列中，并立即觸發(fā)發(fā)送BGP報文，測量其和其他交換機(jī)的連接關(guān)系。另外，就是周期性的遍歷所有交換機(jī)發(fā)送BGP報文，以即使將物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，反映到流量調(diào)度系統(tǒng)中。另外，當(dāng)物理交換機(jī)和控制器斷開連接時，需要對物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行相應(yīng)的修改。統(tǒng)計管理啟動該模塊后需要初始化統(tǒng)計模塊需要的如存儲和采集需要的資源，向其他模塊提供統(tǒng)計服務(wù)。核心管理該模塊是基礎(chǔ)控制模塊和調(diào)度策略層的核心，將協(xié)議管理插件的OF消息轉(zhuǎn)化其他模塊用于監(jiān)聽的事件，作為流量調(diào)度系統(tǒng)的事件轉(zhuǎn)換中樞。

策略調(diào)度層本系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著整個資源調(diào)度解決方案的策略制定。該層主要包括流量智能識別分級、可行路徑計算、鏈路狀態(tài)分析、最優(yōu)路徑計算、調(diào)度策略制定、最優(yōu)策略監(jiān)控。由于網(wǎng)絡(luò)中有著協(xié)議類型豐富的流量，不同類型的流量用戶的使用頻率也不同。本課題根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，對流量類型按用戶使用頻率進(jìn)行分類，并且制定相關(guān)優(yōu)先級，對協(xié)議插件管理模塊解析的數(shù)據(jù)包進(jìn)行深度解析，確定其類型，并映射為相應(yīng)的優(yōu)先級，為上層模塊提供服務(wù)。流量優(yōu)先級確定后，獲取流量的端到端具體信息，根據(jù)確定的源端和目的端信息進(jìn)行可行路徑計算，使用路徑計算算法得出該流量在網(wǎng)絡(luò)中的可行路徑結(jié)果。鏈路狀態(tài)分析對流量的可行路徑對路徑中鏈路的狀態(tài)進(jìn)行逐條分析，包括鏈路帶寬、鏈路吞吐量、鏈路利用率等信息，并依照狀態(tài)分析算法計算出鏈路傳輸質(zhì)量。以可行路徑和鏈路狀態(tài)為基礎(chǔ)，進(jìn)行路徑最優(yōu)化選擇，按照最優(yōu)路徑算法對到達(dá)目的地的可行路徑逐條對比，計算出最優(yōu)路徑。根據(jù)最優(yōu)路徑結(jié)果向網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備進(jìn)行映射，與基礎(chǔ)控制層進(jìn)行映射鏈接，對流量進(jìn)行調(diào)度決策。對流量調(diào)度策略進(jìn)行實時監(jiān)控，并將制定的流量調(diào)度策略與最新鏈路狀況進(jìn)行比對，保證流量最優(yōu)路徑的實時性和有效性的策略監(jiān)控。

接口層層為外界訪問流量調(diào)度系統(tǒng)的接口，可以通過本地方法調(diào)用、RPC等面向過程的訪問工具，也可通過符合REST架構(gòu)風(fēng)格的面向?qū)ο蟮脑L問工具。目前業(yè)界比較通用的接口是REST API，該接口是Roy Fielding在他的博士畢業(yè)論文中提出來的一種軟件架構(gòu)風(fēng)格，該論文對多種現(xiàn)有的多種架構(gòu)風(fēng)格進(jìn)行了橫向比較，經(jīng)多角度權(quán)衡制定了該架構(gòu)風(fēng)格。使用符合REST的架構(gòu)風(fēng)格，能有效的利用HTTP協(xié)議規(guī)定的URL通用接口，便于網(wǎng)絡(luò)緩存、本地緩存、代理服務(wù)器等技術(shù)的復(fù)用。REST的重點是以資源為核心，而URL完全可以勝任這項工作，所有的網(wǎng)絡(luò)資源的定位工作均由URL承擔(dān)。作為整個資源的中樞，URL的定義和協(xié)調(diào)顯得尤為重要，不僅需要結(jié)構(gòu)簡單，而且層次還要分明。從用戶的角度出發(fā)，URL的定義可以預(yù)測，實現(xiàn)快速操作的目的。

3 總結(jié)

本文首先對SDN及NFV的架構(gòu)進(jìn)行介紹，并對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度提出相應(yīng)的技術(shù)及部署應(yīng)用方案。采用基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度架構(gòu)，能夠?qū)崟r的獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并能根據(jù)狀態(tài)信息對網(wǎng)元進(jìn)行實時管理和控制。相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)部署的靈活性差、復(fù)雜度高、可操作性弱的特征，該架構(gòu)具備了高靈活性、可編程、便于部署的優(yōu)點。該部署方案對數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度具有較強(qiáng)的實施價值。

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Research on Power Data Center Network Resource Scheduling Architecture Based on SDN and NFV

Huang Hui1, Wang Yiwen1, Shen Weikang2

(1. The Smart Grid Research Institute of National Grid, Nanjing 210003, China; 2. College of Communication Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

The data center of power information system is faced with the problem of effective and efficient use of network resources. SDN is very suitable for resource scheduling, and NFV provides the flexibility of application. In this paper, the SDN and NFV application scenarios of the power system are analyzed, and the corresponding technology deployment scheme is proposed.

Software defined networking (SDN); Network functions virtualization (NFV); Data center; Resources scheduling; Smart power grids

國家電網(wǎng)公司2014年科技項目(5455HT150017); 江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院未來網(wǎng)絡(luò)前瞻性研究項目(BY2013095-4-07)

黃 輝(1978-)，男，無錫人，高級工程師，碩士，研究方向：電力通信、下一代網(wǎng)絡(luò)等 王易文(1992-)，男，張家港人，碩士研究生，研究：電力通信等 沈衛(wèi)康(1961-)，男，教授，研究方向：電力通信、無線電通信等

1007-757X(2017)03-0053-02

TP393

A

2016.12.12)