基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由算法需求分析

董希杰++尚智婕++李雨泰

摘 要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式，是促成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動化部署安排的重要手段。對軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)與控制平面的分隔，進(jìn)而達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)流量的精準(zhǔn)化控制。文章在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由算法展開具體分析，以期能夠通過更低的網(wǎng)絡(luò)成本與最短安全路徑來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)路由效率與資源的充分應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；路由算法

隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式也愈發(fā)趨向于復(fù)雜化。為了能夠積極適應(yīng)新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與架構(gòu)研究所提出的新要求，滿足更加多樣化、個性化的業(yè)務(wù)需求，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)也隨之產(chǎn)生[1]。通過對于此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層的分離，使之達(dá)到更加靈活化的資源調(diào)度，并可減小網(wǎng)絡(luò)管理及運(yùn)維成本，現(xiàn)已成為網(wǎng)絡(luò)研究的一項(xiàng)主要課題內(nèi)容。對此，就針對基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由算法需求展開相關(guān)的研究工作有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 SDN概述

SND是基于Emulex網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上所發(fā)展衍生出的一種新型化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化最為重要的手段之一[2]，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)手段OpenFlow主要是借助于對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)面與控制面的互相分隔，來達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的精準(zhǔn)化控制，從而促使網(wǎng)絡(luò)作為一種通信管道達(dá)到更高的智能化程度[3-4]。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫謴?fù)雜，單個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常常會同時包括有多項(xiàng)子網(wǎng)系統(tǒng)，并且每一個子網(wǎng)還存在著多項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，例如較為常見的路由器、交換機(jī)等，對于個人用戶而言均要途經(jīng)最少一條數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)途徑才能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)主機(jī)的訪問。為了防范木馬病毒、黑客攻擊等意外情況的影響，用戶還需借助于一些安全服務(wù)來保證所獲取的數(shù)據(jù)信息不會受到安全威脅。針對用戶個體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用途徑與范圍不同，相應(yīng)其所需要的安全服務(wù)也將有所差異，如果每一名用戶都要配備安全設(shè)施，所需應(yīng)用到的網(wǎng)絡(luò)資源將成倍增加，而且很大一部分網(wǎng)絡(luò)資源也無法發(fā)揮出應(yīng)有的作用價值而被無端浪費(fèi)。為了能夠切實(shí)提升對設(shè)備資源的利用率，便可應(yīng)用虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能技術(shù)，來把預(yù)先安裝于子網(wǎng)內(nèi)的安全設(shè)備抑或是中間件盒子來合并成為安全資源中心，應(yīng)用SDN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對安全資源中心的管理與控制，合理配置網(wǎng)絡(luò)資源，依據(jù)用戶的實(shí)際需求來選取調(diào)出相應(yīng)的安全功能，以便為廣大用戶提供以更具針對性的安全服務(wù)。

2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

多路徑數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)所必須要能夠滿足的要求，數(shù)據(jù)中信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣化特征能夠給予鏈路多路徑輸送帶來更加便利性的條件，實(shí)施多路徑數(shù)據(jù)傳輸能夠有效減小丟包率，降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)延遲并促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的全面提升，以使得對網(wǎng)絡(luò)資源的利用率能夠達(dá)到更加合理化的程度。當(dāng)前對于不同路徑流量分隔，提升網(wǎng)絡(luò)性能均已成為新路由研究的重點(diǎn)內(nèi)容，具體的研究內(nèi)容包括以下幾個方面。

2.1 單一靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)

依據(jù)源頭抑或是目的地址來把數(shù)據(jù)流映射于固定化的鏈路之上，單一靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)方式可以更為簡便、高效化地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流處置，然而卻不能從根本上保證每一鏈路間的流量均等，而且也無法依據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各主機(jī)交互的頻繁性與鏈路承載能力來針對路由路徑制定動態(tài)化的調(diào)整策略，并以此來適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)流量及鏈路變化[5]。

2.2 隨機(jī)等價分發(fā)

隨機(jī)等價分發(fā)（Equal Cost Mutipath，ECMP）算法是利用隨機(jī)等價的形式對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的流量進(jìn)行分發(fā)，可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)之中的流關(guān)鍵字來將不同的流配置于多條路徑之上，隨機(jī)等價分發(fā)最為突出的一項(xiàng)特征即為基于各條鏈路價值完全相同的基礎(chǔ)上來確保多路徑的負(fù)載均衡和流量備份目的，隨機(jī)等級分發(fā)路由的一個重要基礎(chǔ)便是假定每一條鏈路在帶寬和輸送能力上均完全一致。然而在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)中心當(dāng)中所接入的每一條鏈路其帶寬、延時、穩(wěn)定性均有明顯差異，一旦各路徑間的差異較為明顯之時，再采用隨機(jī)等級分發(fā)便很難獲得較為滿意的效果。

2.3 智能啟發(fā)算法

這一算法形式是處理服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）路由問題最常用到的一種算法形式，其中主要就包括了較為常見的蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法等，通過對智能啟發(fā)算法的應(yīng)用可以十分有效地實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化改進(jìn)。例如研究人員在流量工程內(nèi)采用了蟻群算法來進(jìn)行路由優(yōu)化改進(jìn)，將路由器內(nèi)緩沖隊(duì)列的利用率作為接電選擇標(biāo)準(zhǔn)，鏈路利用率可充當(dāng)蟻群算法當(dāng)中全局更新信息素，選取多條鏈路來開展數(shù)據(jù)輸送。盡管智能啟發(fā)式算法可以對與整體網(wǎng)絡(luò)性能起到十分顯著的改進(jìn)、優(yōu)化效果，然而每一種算法間還存在著十分明顯的缺陷性，例如遺傳算法編碼及解碼均十分繁復(fù)，進(jìn)行計算處理所耗費(fèi)的時間相對較常，而模擬退火算法則會對于原始參數(shù)信息產(chǎn)生出更加明顯依賴性，路徑搜尋效率極為低下。對于算法內(nèi)目標(biāo)函數(shù)的創(chuàng)建和算法迭代次數(shù)的設(shè)定是未來在啟發(fā)式算法研究領(lǐng)域內(nèi)的一個主要研究方向。

3 基于SDN的數(shù)據(jù)中心路由算法

3.1 QoS路由機(jī)制

3.1.1 路由模型

隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對于傳輸延時、帶寬容量、吞吐量等也提出了更高的要求，由此也便需要網(wǎng)絡(luò)能夠提供QoS保障。為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)形式所存在著的缺陷問題，研究人員提出了IntServ與DiffServ兩種QoS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但是因?yàn)樵腥毕萑匀淮嬖?，其均無法得到大規(guī)模的推廣普及。InServ可借助于資源預(yù)留來提供以端與端之間的連接QoS保障，系統(tǒng)在發(fā)出請求信息后經(jīng)由傳統(tǒng)的路由協(xié)議來發(fā)送至最短路徑之上，若此路徑已嚴(yán)重阻塞，則請求將會返回，所要到達(dá)的目的地一致，其余路徑依然具備充足帶寬資源。DiffServ所采用的方法有所不同，其并非為所有流均預(yù)先留置資源，DiffServ是基于網(wǎng)絡(luò)入口位置標(biāo)識出數(shù)據(jù)包，同時對其開展有限分類，盡管采取此種方案相較于InServ在拓展性上有所加強(qiáng)，然而其結(jié)構(gòu)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和端系統(tǒng)并不具備信令通信，既能夠做到對性能的保障，無法對端到端做出QoS保證。endprint

綜上，在本次研究中將通過對IntServ與DiffServ的合并應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)對端到端的QoS保證。在整個SND架構(gòu)體系內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)與控制兩平面的分隔，轉(zhuǎn)發(fā)平面僅完成數(shù)據(jù)包互換，以及針對各項(xiàng)和QoS有關(guān)的數(shù)據(jù)包處置。

3.1.2 約束條件

考慮到本次研究所針對的是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，從絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方面來看，網(wǎng)絡(luò)流將會體現(xiàn)出十分顯著的大象流與老鼠流特征，若流較小則會對延時性有著更高的要求，而對帶寬要求則相對較低；大象流則需時常進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)信息的傳輸，對于延時性的要求相對較低，然而在帶寬要求上則相對更高，一旦不能夠達(dá)到帶寬要求時便會造成延時增多，諸如備份與后置操作，從這一方面來思考，本文將對QoS的約束條件主要從延時和帶寬兩個方面來展開分析。依據(jù)路由過程之內(nèi)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中有可能會發(fā)生的阻塞情況，需針對后續(xù)新流實(shí)施調(diào)度處置，以免擴(kuò)大目前鏈路的阻塞。

可選用圖論形式來表述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)加權(quán)可表述為：G（V，E）。

在此之中V={v1，v2，…，vn}表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集合，E={e1，e2，…，en}表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的鏈路集合。

多路徑路由問題即為在G當(dāng)中找出不少于一條發(fā)源于源點(diǎn)，直至目的地節(jié)點(diǎn)d的最短路徑。路徑p即為符合以上條件當(dāng)中的一條路徑，其中主要就包括了所有參與路徑傳輸?shù)慕粨Q機(jī)節(jié)點(diǎn)，對于網(wǎng)絡(luò)加權(quán)圖G設(shè)置標(biāo)記變量λij，相應(yīng)的若λij={1，0}，那么λij=1則代表鏈路ij位于路徑P之上。λij=0代表鏈路ij位于路徑P之外。

3.2 QoS路由算法

3.2.1 流量監(jiān)控模塊

此模塊采用Flow_request向交換機(jī)發(fā)出流量請求信息，交換機(jī)在接收到信息以后回復(fù)信息，控制器解析以后便可獲得交換機(jī)的端口信息，并且在模塊內(nèi)定義Storage，以用作對所獲得的交換機(jī)信息進(jìn)行存儲，且為之后的路由計算模塊及阻塞調(diào)度模塊應(yīng)用提供便利。還需注意的是，控制器和交換機(jī)的交互行為過于頻繁會導(dǎo)致通信壓力驟增，但若交互間隔時間過長又難以體現(xiàn)端口的流量變化情況。因此，根據(jù)實(shí)際測算，將時間間隔確定為5秒較為合理。

3.2.2 路由計算模塊

依據(jù)現(xiàn)已掌握的昂羅拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與鏈路負(fù)載信息應(yīng)用多約束QoS路由算法來求出符合于約束條件的最短路徑，而后再調(diào)取應(yīng)用pushRoute方式來發(fā)出Flow-mod消息并對交換機(jī)發(fā)送流表，并同時使流表被裝設(shè)于各交換機(jī)匹配規(guī)則當(dāng)中，以完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能[6]。

路由計算模塊主要方法包括：（1）Protected與QoSpath Routing，其參數(shù)為簇、源、目的和延時約束，返回類型為QoSpath，計算符合于QoS約束條件的所有路徑；（2）protect rpule getRoutes，其參數(shù)為源ID以及目的ID號，返回值為route，返回制定節(jié)點(diǎn)的相對路徑；（3）protected與QosPath delayADB，其參數(shù)與Routing方法總的參數(shù)基本一致，主要區(qū)別是帶寬約束條件不同，這一方法可被Routing調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)對兩個約束條件的路徑計算。

4 結(jié)語

總而言之，基于SDN架構(gòu)之下的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由算法，可以在極度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型、安全設(shè)備綜合化布置情形下來獲得個性化的安全服務(wù)支持，能創(chuàng)建出一種經(jīng)過優(yōu)化處理后的安全設(shè)備路由算法，在全面提升設(shè)備應(yīng)用率基礎(chǔ)上降低對有限網(wǎng)絡(luò)資源的占用率[7]。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化程度的不斷加劇使得路由管理所面臨著的復(fù)雜性大大加劇，未經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的路由算法，必將會對其未來的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。而通過將SDN技術(shù)運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理及路由優(yōu)化方面，必將會成為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。

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