智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面設計

葉麗麗

（德州職業(yè)技術學院 山東省德州市 253000）

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)非常完善，但在原始設計當中，依然存在較多的缺陷，如可擴展性差，移動性較低，安全性不高等，嚴重影響互聯(lián)網(wǎng)的正常使用。為此，國內外科技領域對互聯(lián)網(wǎng)體系產生了更高的重視程度，并加強對其進行研究。其中，在2005年，美國實施了GENI 戰(zhàn)略，以開發(fā)出規(guī)模更加龐大的網(wǎng)絡環(huán)境，用于對分布式網(wǎng)絡的研究與設計提供支持。2006年，在GENI 戰(zhàn)略的基礎上，又提出了FIND 戰(zhàn)略，用于對未來互聯(lián)網(wǎng)架構的研究。2010年，美國又提出了FIA 計劃，其中共包括五大項目，分比為：NDN 項目、Mobility First 項目、NEBULA 項目、XIA項目、ChoiceNet 項目，通過這些項目的研究，進一步提升互聯(lián)網(wǎng)的服務質量，強化互聯(lián)網(wǎng)的移動性，賦予網(wǎng)絡更高的安全性等，為互聯(lián)網(wǎng)更好的應用奠定良好基礎。這一背景下，于2008年，美國計算機研究人員通過多年的研究，開發(fā)出了OpenFlow 系統(tǒng)，并將其路由轉發(fā)機制當中，使得控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面相獨立。由于OpenFlow 系統(tǒng)具有靈活性等諸多優(yōu)勢，被世界各地的科研學者所重視，以此為基礎，將邏輯控制與數(shù)據(jù)轉發(fā)分離的思想推廣為軟件定義網(wǎng)絡（SDN）。

近年來，我國也對互聯(lián)網(wǎng)體系構建產生了高度重視，并于1997年3月份提出了“973”項目，其中對“一體化可信網(wǎng)絡與普適服務體系基礎”進行了研究，從而開發(fā)出“三層”、“兩域”的總體構架模型。所謂的“三層”，指的是智慧服務層、資源配置層與網(wǎng)絡組件層；所謂的“兩域”，指的是實體域。通過該框架的應用，又提出了智慧服務層的工作機理、網(wǎng)絡組件層協(xié)同機制與應用場景。而智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)的開發(fā)，則可有效改善上述三個“綁定”的問題，以更好地將控制平面與轉發(fā)平面分離。而在該系統(tǒng)內，控制平面是其中的核心部分，直接關系到整個智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)的運行。為此，對智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面進行設計具有重要意義，有利于該系統(tǒng)的運行效果。

1 設計需求

針對只會識別網(wǎng)絡的結構原理，可判斷出該系統(tǒng)的所進行的工作，具體有兩項工作，一個是網(wǎng)絡信息的采集，另一個是資源配置機制。

1.1 網(wǎng)絡信息的采集

智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)由很多部分構成，控制平面是其中最為關鍵的一部分，其中包含多個分層分級的智慧標識網(wǎng)絡控制中心，各控制中心分別匹配對應的網(wǎng)絡區(qū)域，并完全對該區(qū)域進行管理。而想要達到這一目的，則應在控制中心運行時，應及時、準確的獲取與該區(qū)域相關的所有信息，通過對這些信息的分析，以對網(wǎng)絡狀態(tài)予以控制，使得所有網(wǎng)絡區(qū)域能夠一直保持同步?？刂浦行牟杉W(wǎng)絡信息時，不僅要確定出合理的信息內容，而且還應選擇良好的采集方法，只有這樣，才會保證網(wǎng)絡信息的采集效率，為整個智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)的運行提供支持。

在采集內容方面，由三部分構成，分別為：組件信息能力。所謂的網(wǎng)絡組件，指的是包含數(shù)據(jù)收集、預處理、分析等多種功能的網(wǎng)絡設備，其中共有兩種類型的信息，一種為動態(tài)信息，即組件運行時所產生的不斷變化的信息，另一種為靜態(tài)信息，指的是設備內包含的所有信息資源。網(wǎng)絡拓撲信息，不僅包括網(wǎng)絡連接情況，而且還有網(wǎng)絡結構的具體拓撲形態(tài)。服務信息，即在組件運行時，可對其提供有效引導的信息，如網(wǎng)絡的標識，活動行為的具體描述等。

在采集方案方面，可采用兩種方案，一種為主動采集方案，即在相應條件激發(fā)下，使得控制中心自行運行，使其自動對網(wǎng)絡組件進行檢索，從而獲得網(wǎng)絡組件內存儲的信息。組件接收到檢索指令后，會根據(jù)指令的內容，向控制平面?zhèn)鬏斕囟ㄐ畔?。另一種為被動采集方案，網(wǎng)絡組件運行時，自動向控制平面注冊新的信息，并以此為基礎，在網(wǎng)絡形態(tài)出現(xiàn)改變后，自動傳輸全新的信息，以是控制平面內的信息不斷更新。

1.2 資源配置機制

在智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)內，資源配置機制是較為關鍵的一部分，在該機制的作用下，可提升網(wǎng)絡資源使用率，減少網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)信息的需求量等，從而推動整個互聯(lián)網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運行?？刂破矫孢\行時，針對用戶的具體需求，全面對內部存儲信息進行檢索，以此提取出所有符合用戶要求的服務標識（SID）。之后以此為基礎，針對服務表示的特點與具體情況，完成一次服務標識到服務行為描述（SBD）的映射查找。對于這一工作過程來說，能夠在寬帶需服務安全性等方面出發(fā)，抽象的對服務內容予以介紹。針對查詢結果，分析出網(wǎng)絡組件具體情況，并確定出相對應的組件標識（NID）。在控制平面內，可針對用戶的組件標識，初步預測出全部的信息傳輸路徑，在這些路徑運行時，全面采集其中所出現(xiàn)的組件標識，并將其記錄下來。根據(jù)組件標識完成與組件行為（NBD）的映射查找，以采集組件的網(wǎng)絡拓撲、寬帶等相關的組件信息。控制平面運行時，可通過相應的公式與程序，對各路徑運行中消耗的資源予以推算，從而得到諸多結果，通過對這些結果的對比后，確定出最佳的路徑。最后，在控制器的作用下，通過轉發(fā)表項的方式，將結果傳輸給路徑內的各個組件，以此完成整個資源配置工作。

配置層運行過程中，所有工作均在系統(tǒng)的控制平面上進行。對資源配置機制部署時，主要包括三個方面內容：

（1）計算路徑代價。該環(huán)節(jié)是整個系統(tǒng)平面中的基礎，這一環(huán)節(jié)進行的好壞，直接關系到后續(xù)兩個環(huán)節(jié)的開展效果。在智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)內，應針對各類用戶的服務需求，選取合理的運算手段，進而通過反復的元素，確定出傳輸路徑，如資源投入量最低，或是信息傳輸服務效率最高等。

（2）資源的選擇。是整個系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)開展資源選擇工作時，應保證兩個條件，一個是緩存能力良好的網(wǎng)絡組件，可針對控制平面內的規(guī)定要求，對相關數(shù)據(jù)進行存儲；另一個是控制平面運行時，可獲取網(wǎng)絡的各方面信息。

（3）決策結果的傳輸。該功能主要由控制器完成，想要確保該項環(huán)節(jié)有序進行，則需要利用智慧標識網(wǎng)絡協(xié)議提供支持，以在各路徑當中，決策結果可快速、準確的傳輸。

2 OpenFlow控制器分析

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)領域中，存在多種網(wǎng)絡構架體系，基于OpenFlow 的軟件定義網(wǎng)絡構架是其中較為先進的一種，互聯(lián)網(wǎng)研究人員以此為基礎，對智慧標識網(wǎng)絡進行了研究，可通過開放性的接口，方便、靈活地開發(fā)出各種方案。但需要注意的是，應用該技術后，可對“三個綁定”問題予以處理，但僅包括一個問題，即控制與傳輸綁定，而另外兩個問題則無法解決，使得智慧標識網(wǎng)絡的應用受到一定干擾?，F(xiàn)代科技領域當中，隨著OpenFlow 應用范圍的不斷擴大，與其相匹配的控制系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，其中包括NOX 控制器，如NOX Destiny、NOX Zach 等。但需要注意的是，對于這類控制器來說，大都采用SDN 構架，其中，設置了OpenFlow協(xié)議，因而相對于智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)的控制平面來說，該控制器存在一定的缺陷，不能真正達到“智慧”的目的。

2.1 傳統(tǒng)POX控制器在數(shù)據(jù)采集與維護中的缺陷

智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)的設計與應用，主要是為了對相關數(shù)據(jù)的采集與維護，以促進整個智慧標識網(wǎng)絡能夠安全、穩(wěn)定的運行。而對POX 控制器深入分析后可以發(fā)現(xiàn)，其在這一方面依然存在較大的缺陷。在信息采集深度方面，OpenFlow 協(xié)議構建連接的過程中，能夠向外傳輸一組Feature Request/Reply 包，以此獲取OpenFlow 端口數(shù)據(jù)，如端口的數(shù)量，端口內設置的IP/MAC 地址等。但要注意下述問題：在設備性能方面，則難以被該控制器所采集，如分析速度、存儲容量等。在信息采集效率方面，對網(wǎng)絡拓撲信息采集時，可通過自身包含的LLDP 格式，完成信息的傳輸。這種方式傳輸時，由于會產生大量LLDP 數(shù)據(jù)包，因而會占據(jù)較高的網(wǎng)絡帶寬。在信息采集對象方面，目標較為單一，僅包含OpenFlow 交換機，而無法采集網(wǎng)絡內其他各種設備的信息。在信息維護方法方面，獲取的數(shù)據(jù)信息后，POX控制器可將其存儲在自身內，原理較為簡單，且易于實現(xiàn)，但安全性較低，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、泄露的問題，且將系統(tǒng)關閉后，系統(tǒng)會自動還原，應重新采集信息。

2.2 傳統(tǒng)POX控制器在資源配置機制方面的缺陷

POX 控制器設計時，根據(jù)傳統(tǒng)基于連接的網(wǎng)絡設置路由轉發(fā)機制的，因而資源匹配具有較大的局限性，無法真正達到以服務為基礎的資源匹配目的。同時，由上述分析可知，該控制器運行時，存在較多的信息采集問題，使得其對路徑計算時，難以同時對所有路徑予以運算，無法得到最佳的結果，從而對資源配置造成一定影響。此外，相對于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)構架來說，智慧標識網(wǎng)絡架構存在明確卻比，使得OpenFlow 協(xié)議的功能有限，難以符合智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面的實際需求：難以從多個角度出發(fā)，全面，對信息予以采集與維護；在智慧標識網(wǎng)絡內，不能以服務表示為基礎對相關信息進行檢索，難以準確傳輸組件標識。

由上述分析可知，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)領域的快速發(fā)展，使得OpenFlow 控制器更加完善，但其中依然存在很多缺陷，保護符合智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面的設計要求，影響該控制平面的正常使用。所以，為了改善這一情況，則應設計出更加良好的智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面。

3 智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面設計方案

3.1 總體框架

為了使智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面更好地運行，應設計出性能更加良好的POX 控制器，即在傳統(tǒng)POX 控制器內，裝載SINE 模塊，以此優(yōu)化POX 功能，其框架見圖1。

圖1：智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面設計總體方案圖

該設計方案中，主要利用POX 中的事件模塊，在主進程內，自動導入系統(tǒng)內生成的SINE 事件，使得整個設備內，SINE 與傳統(tǒng)POX 控制器內的OpenFlow 協(xié)議相分離。POX控制器運行時，當其與智慧標識網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸平面的組件構建安全連接后，控制平面會自動對安全通道進行檢測，以獲取其中含有數(shù)據(jù)包的具體情況。之后，在數(shù)據(jù)包的激發(fā)下，使得SINE事件被觸發(fā)，自動跳轉至SINE處流操作環(huán)節(jié)當中。在SINE 元件內，共有四大模塊，分別為：處理模塊、采集模塊、資源配置模塊與數(shù)據(jù)庫，各模塊運行時，完成不同的工作，在四個模塊共同配合下，完成整個數(shù)據(jù)傳輸工作。

在常規(guī)POX 控制器中，裝載了SINE 元件，通過該元件的應用，可大大提升智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面的性能，使其符合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與使用的要求。

（1）在網(wǎng)絡的組件層當中，可快速、準確的采集各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎，結合預設的機制，獲取網(wǎng)絡拓撲信息。獲取到各方面信息后，在網(wǎng)絡組件的作用下，將其傳輸至控制平面中，后者獲取這些數(shù)據(jù)后，通過處理模塊的處理后，存儲到數(shù)據(jù)庫特定位置處。

（2）SID 服務指令傳輸至控制平面后，在資源配置模塊的作用下，自動檢索出請求數(shù)據(jù)內含有的SID，進而以此為基礎，結合數(shù)據(jù)庫內出處的信息，確定出最佳的網(wǎng)絡資源配置方案，生成相應的控制指令，并將其傳輸至網(wǎng)絡組件中，以此完成整個智慧標識網(wǎng)絡資源配置工作。

3.2 功能設計

3.2.1 信息處理模塊

在整個SINE 元件內，信息處理模塊是其中較為關鍵的一部分，可將SINE 元件與POX 控制器連接到一起，在獲取到外界傳輸?shù)男畔⒑螅稍谥腔蹣俗R網(wǎng)絡協(xié)議機制條件下，自動對數(shù)據(jù)信息予以處理，以此得到相應的結果。將POX控制器啟動后，其中設置的程序代碼自動運行，在程序代碼的控制下，將事件系統(tǒng)激活，從而觸發(fā)SINEIn 事件，從而跳轉至處理模塊內。在模塊可根據(jù)前期設定的規(guī)則與程序，全面對數(shù)據(jù)包予以分析，以此確定出協(xié)議的類型，并以此為基礎，激發(fā)相匹配的處理句柄，等待系統(tǒng)的后續(xù)處理。具體來說，主要流程見圖2。

圖2：智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面運行流程圖

3.2.2 信息采集模塊

對數(shù)據(jù)進行處理后，可將處理后的數(shù)據(jù)算數(shù)到信息采集模塊內，由其對數(shù)據(jù)中心含有的信息予以采集。首先，在Collect-serInfo 與Collect-capInfo 的作用下，使得事件被激活。待事件跳轉至處理句柄后，進一步對數(shù)據(jù)包予以掃描，以獲取其中具體的標志位，并評估數(shù)據(jù)包的具體情況，如果判定成注冊信息，則在數(shù)據(jù)庫相應的數(shù)據(jù)表內，增加全新的行信息；如果判定成修改信息，則會在數(shù)據(jù)庫內，以主鍵為基礎，快速檢索出相匹配的行，并根據(jù)信息修改情況，對相匹配的數(shù)據(jù)項予以調整，從而得到新的數(shù)據(jù)項。具體來說，主要流程見圖3。

圖3：信息采集模塊運行流程圖

3.2.3 資源配置模塊

在數(shù)據(jù)傳輸初始節(jié)點與終點間，通過全面的運算，確定出最佳的數(shù)據(jù)傳輸路徑，以提升數(shù)據(jù)傳輸效率與安全性。在事件Adapt-Resource 作用下，將該模塊激活。POX 程序運行時，通過處理模塊的操作下，可將程序跳轉至處理句柄當中，之后針對服務請求的指令，進行SID 到SBD 的映射檢索。之后以此為基礎，在SBD 內，檢索出提供方所對應的NID。之后以此為基礎，針對提供方所對應的NID，結合請求方所對應的NID，確定出網(wǎng)絡內全部數(shù)據(jù)傳輸路徑。最后，在數(shù)據(jù)庫內，檢索出NID 相匹配的組件行為描述，以此采集到各組件的信息。POX 控制器針對數(shù)據(jù)庫內已有的組件信息，選擇1 條最佳的數(shù)據(jù)傳輸路徑。數(shù)據(jù)在該路徑內傳輸時，利用信息的調節(jié)，以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教囟ǖ腟INE 路由器，同時，在確定出最終的信息傳輸路徑后，向提供方的節(jié)點傳輸服務請求指令。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫

除上述三個模塊之外，智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面內，還存在數(shù)據(jù)庫模塊，用于POX 控制器啟動后，立即在兩者間建立連接，并以此為基礎，針對SINE元件的運行需求，向SINE 傳輸相應的數(shù)據(jù)信息。與此同時，隨著整個智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面的運行情況，自動存儲新的數(shù)據(jù)，對原有數(shù)據(jù)予以修改或刪除等，以此為系統(tǒng)的運行提供支持。

4 方案驗證

為了評估智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面的應用效果，本研究通過定性測試的方式，對該控制平面予以分析。測試時，采用了如圖4所示的平臺。

圖4：智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面測試平臺

實驗平臺中，共有四部分構成，分別為SINE 控制節(jié)點，共1 個，用于加載控制平面所需要的代碼與算法；SINE 路由器，共2 個，用于加載SINE 輸出代碼；服務請求元件，共1 個，可與FTP 客戶端進行連接，也可加載SINE 公共模塊；服務提供初始節(jié)點，共1 個，用于加載FTP 與SINE 公共模塊。

測試流程為：在服務請求節(jié)點處，向相匹配的路由器傳輸相應的青丘之靈，SINE 路由器1 獲取的這一指令后，向SINE 控制節(jié)點傳輸對應的請求消息。針對這項服務的實際需求，由控制節(jié)點予以提供相應的資源，之后針對分析結果，制定出相應的決策指令，并將其傳輸至相匹配的路由器中。同時，通過系統(tǒng)內的控制節(jié)點，向SINE 路由器2 輸送服務請求指令。路由器2 獲取該指令后，向服務提供節(jié)點傳輸相應的數(shù)據(jù)信息。服務提供節(jié)點獲取這些信息后，向外傳輸相匹配的數(shù)據(jù)，通過路由器2 內存儲的決策指令，提取相應的數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸給路由器1。路由器1 獲取相應數(shù)據(jù)后，通過相應處理后，將其傳輸給服務請求節(jié)點，從而結束服務請求工作。

對于本次設計出來的智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面來說，按照上述流程進行操作后，可順利完成整個FTP 服務請求活動，且在SINE 路由器內，實時檢索出資源配置決策方案以此表明，該控制平面性能良好，符合預期要求，可應用到實際當中。

5 總結

綜上所述，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)模不斷擴大的今天，逐漸對網(wǎng)絡信息傳輸提出了更高的要求，想要達到這一要求，則需要設計出一款性能更加良好，且功能更加健全的智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面。而本文則是對控制平面功能需求為基礎，結合傳統(tǒng)POX 控制系統(tǒng)存在的問題，設計出一種全新的智慧標識網(wǎng)絡原型系統(tǒng)控制平面，并通過實驗驗證的方式，驗證該控制平面的實際應用效果。通過試驗表明，該控制平面性能良好可達到預期要求，對現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的應用具有重要意義。