基于拓?fù)涿枋稣Z言的網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)過程探討

趙志敏

摘 要：隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，OSPF等傳統(tǒng)路由算法己經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的路由需求。傳統(tǒng)路由算法的思想主要是路由器通過互相發(fā)送報(bào)文進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)習(xí)然后建立最短路徑樹來建立路由，其路由計(jì)算開銷大，收斂時(shí)間長(zhǎng)。而具有規(guī)則拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)的路由過程可以根據(jù)拓?fù)涞囊?guī)則性得到簡(jiǎn)化，從而使路由算法易于部署，計(jì)算效率更高。因此，對(duì)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，基于規(guī)則拓?fù)涮骄客ㄓ玫穆酚伤惴ㄊ且粋€(gè)切實(shí)可行的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：路由技術(shù)；拓?fù)湔Z言；技術(shù)

1路由思想

基于拓?fù)涿枋稣Z言的路由技術(shù)就是將拓?fù)涿枋鑫募═opology Description File， TDF）作為路由算法的輸入，交換機(jī)無需進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)鋵W(xué)習(xí)和最短路徑樹計(jì)算，只需根據(jù)距離公式進(jìn)行計(jì)算即可得到最優(yōu)路徑。本文研究的路由算法主要針對(duì)具有規(guī)則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?jié)點(diǎn)的位置信息可以根據(jù)其IP地址信息推斷得出；而且規(guī)則拓?fù)渲性O(shè)備的位置呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在設(shè)計(jì)路由算法時(shí)，我們可以根據(jù)規(guī)則拓?fù)涞囊?guī)則特性簡(jiǎn)化路由計(jì)算。本文路由算法將距離公式作為計(jì)算路由的依據(jù)，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的OpenFlow技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離公式的部署。在目前的SDN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)或多個(gè)SDN控制器（Controller）和若干SDN交換機(jī)組成，控制器負(fù)責(zé)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和路由計(jì)算等控制層面的工作，并把路由計(jì)算結(jié)果通過流表的形式下發(fā)到各個(gè)交換機(jī)上面。交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，根據(jù)控制器下發(fā)的流表對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在此架構(gòu)中，SDN控制器承擔(dān)大量控制層面的工作，容易成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸節(jié)點(diǎn)?；赟DN思想的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

本路由思想對(duì)SDN控制和轉(zhuǎn)發(fā)層面的工作做了一定的修改。SDN控制器僅負(fù)責(zé)距離公式的下發(fā)，通過OpenFlow協(xié)議將距離公式下發(fā)到各交換機(jī)。交換機(jī)根據(jù)接收到的距離公式計(jì)算最短路徑并承擔(dān)后續(xù)路由選擇和數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)工作。由此可知，本路由方法實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)基本自主路由，大量減少控制器的路由查詢和流表下發(fā)工作，從而很大程度上減少控制器的負(fù)擔(dān)。

2獲取距離公式單元

本文提出的路由算法，將距離公式作為輸入，因此，首先介紹距離公式的獲取過程。一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)包含上萬臺(tái)交換機(jī)和服務(wù)器，為所有交換機(jī)逐一配置距離公式顯然是不現(xiàn)實(shí)的。所以我們引入SDN思想，由SDN控制器以流表的形式統(tǒng)一下發(fā)給拓?fù)渲兴薪粨Q機(jī)。具體下發(fā)規(guī)則如下：SDN控制器與SDN交換機(jī)建立安全通道后，控制器將全網(wǎng)的距離公式下發(fā)給所有SDN交換機(jī)。交換機(jī)收到距離公式后將其保存到本地緩存中，以便在需要路由時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

由于距離公式由IP地址及其屬性推導(dǎo)得出，所以在下發(fā)距離公式時(shí)需要將整個(gè)拓?fù)涿枋稣Z言文件下發(fā)。SDN控制器利用OpenFlow技術(shù)下發(fā)距離公式，在傳統(tǒng)的SDN架構(gòu)中，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和路徑學(xué)習(xí)都是由控制器完成，交換機(jī)只需要按照控制器下發(fā)的流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。而本路由算法只需要控制器在交換機(jī)開始工作時(shí)下發(fā)距離公式，全拓?fù)涞臄?shù)據(jù)路由建立都由OpenFlow交換機(jī)自主完成。交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，將拓?fù)涿枋鲂畔⑻崛〕鰜?，利用己?shí)現(xiàn)的拓?fù)涿枋稣Z言解析描述信息，并將描述信息保存到本地。在本單元，交換機(jī)接收到拓?fù)涞拿枋鑫募?，利用解析機(jī)制將拓?fù)涿枋鑫募馕龀筛鱾€(gè)對(duì)象，并將數(shù)據(jù)提取出來，如距離公式經(jīng)解析后存儲(chǔ)在DistanceTable item中，該結(jié)構(gòu)體主要存儲(chǔ)距離公式相關(guān)的數(shù)據(jù)。在計(jì)算路由時(shí)，交換機(jī)根據(jù)表中的各項(xiàng)信息以及自身設(shè)備信息進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算操作。

3計(jì)算路由單元

路由算法根據(jù)距離公式計(jì)算路由路徑，具體流程如下：

（1）根據(jù)距離公式，計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短距離d

（2）根據(jù)距離公式，計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離{dl ， d2， d3，....dn}，在其中選擇距離為d-1的鄰居作為下一跳，構(gòu)建基礎(chǔ)路由。如果存在多條等價(jià)路徑，可以采用負(fù)載均衡策略選擇一條路徑。交換機(jī)在計(jì)算路由路徑時(shí)，需要計(jì)算交換機(jī)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，兩節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)拓?fù)涿枋稣Z言中的距離公式進(jìn)行計(jì)算。拓?fù)涿枋稣Z言中的距離公式主要由四元組構(gòu)成，只有匹配前三個(gè)元素，才能得distance的值。對(duì)于一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，節(jié)點(diǎn)種類的組合可能有很多種，對(duì)每一組節(jié)點(diǎn)類型組合的約（condition）也可能有多個(gè)，所以為了計(jì)算出距離值，首先需要確定兩節(jié)點(diǎn)的類型，然后匹配相應(yīng)的condition。最后得出距離的值。

交換機(jī)根據(jù)距離公式計(jì)算最小距離的過程如下：

（1）當(dāng)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，解析出目的節(jié)點(diǎn)IP地址，根據(jù)目的。節(jié)點(diǎn)地址判斷節(jié)點(diǎn)類型。

（2）根據(jù)自身類型和目的節(jié)點(diǎn)類型，選擇相應(yīng)的距離公式計(jì)算出交換機(jī)到目的節(jié)點(diǎn)的距離。

（3）遍歷鄰居表，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)類型和目的節(jié)點(diǎn)類型，選擇相應(yīng)的距離公式計(jì)算出各鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離。

（4）在所有距離中選擇最小值即為最小距離。

距離公式中可能包含多組，可以表示為{， }，所以在計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)的距離值時(shí)，需要與這些約束條件作對(duì)比計(jì)算，找到相匹配的一條，返回該condition對(duì)應(yīng)的distance值。

4報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)

在網(wǎng)絡(luò)中，通信主體是服務(wù)器，服務(wù)器將報(bào)文發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)根據(jù)自身路由表對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作，為了減小路由表規(guī)模并保證路徑的時(shí)效性，我們?cè)趫?bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程中實(shí)時(shí)計(jì)算路由路徑。交換機(jī)接收到一個(gè)報(bào)文后，首先查詢流表，如果沒有匹配的流表，則根據(jù)距離公式計(jì)算路由，并生成流表，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。具體轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示。

如圖所示，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)流程可以總結(jié)為如下幾步：

（1）查詢路由表，如果在路由表里有到目的地址的路由條目，則根據(jù)該路由條目轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。

（2）如果沒有相應(yīng)的緩存路由，則根據(jù)距離公式，計(jì)算出到目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。如果存在距離相同的最短路徑鄰居節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)一定的負(fù)載均衡策略選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。

（3）把相應(yīng)的路由路徑加入到路由表當(dāng)中。

（4）把報(bào)文發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)。

在路由表中會(huì)存在多條距離相同的最短路徑，若隨機(jī)選擇一個(gè)作為轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則同一個(gè)鄰居交換機(jī)可能是多個(gè)不同目的地址報(bào)文的下一跳，所以在大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，往往采取負(fù)載均衡策略來分配網(wǎng)絡(luò)中的流量，避免某個(gè)或某些交換機(jī)流量過大，成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

綜上所述，在路由技術(shù)中引入拓?fù)涿枋稣Z言，簡(jiǎn)化了路由算法的計(jì)算過程，使路由路徑的建立不需要進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)鋵W(xué)習(xí)，只需知道局部拓?fù)湫畔⒓纯捎?jì)算出最終路由，同時(shí)，降低了網(wǎng)絡(luò)中的帶寬負(fù)載；由于拓?fù)涿枋稣Z言支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述，所以本文提出的路由方法可以應(yīng)用于多種不同的拓?fù)浼軜?gòu)中，具有較好的通用性。

參考文獻(xiàn)：

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