基于SDN數(shù)據(jù)中心流量的優(yōu)化技術(shù)

章喜字，林雙欽

（黎明職業(yè)大學(xué)教育信息中心，福建泉州362000）

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，很多網(wǎng)絡(luò)用戶為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞而采用增大專線帶寬的方法，這種方法雖然也有一定的效果，但卻降低了專線帶寬增大前帶寬的利用率，資源浪費(fèi)較嚴(yán)重。數(shù)據(jù)中心作為信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是被單一組織擁有的專用服務(wù)器集群。云計(jì)算、Hadoop等需要在服務(wù)器和虛擬機(jī)間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)更為迅速，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心面對(duì)這些新的應(yīng)用產(chǎn)生資源分配不合理、丟包、延時(shí)等問題，使得服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此，對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量控制技術(shù)提出了新的要求。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化是目前急需解決的問題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)臃腫，難以滿足用戶越來(lái)越復(fù)雜和多樣的需要，因此，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Define Network，SDN）應(yīng)運(yùn)而生，SDN將網(wǎng)絡(luò)層和控制層分離，使得網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略得到優(yōu)化[1]。

1 SDN技術(shù)

SDN為Software Define Network的英文縮寫，意思是軟件定義網(wǎng)絡(luò)。SDN是將控制和數(shù)據(jù)平面分離，使控制平面和數(shù)據(jù)平面松散耦合，通過控制平面的通信接口靈活控制網(wǎng)絡(luò)接口，從而構(gòu)成可編程的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)的透明性。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中管理員無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)管理中體現(xiàn)自己的意志，SDN可以使網(wǎng)絡(luò)管理員利用軟件來(lái)規(guī)劃需要的網(wǎng)絡(luò)。SDN定義了多種接口協(xié)議，如OpenFlow南向接口協(xié)議和北向應(yīng)用程序接口，使得SDN具有很好的管理和控制網(wǎng)絡(luò)的能力[2]。

自2001年始，開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)一直致力于SDN的標(biāo)準(zhǔn)化過程，是到目前為止規(guī)模和活躍度比較大的SDN標(biāo)準(zhǔn)化組織。開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)定義的SDN結(jié)構(gòu)具有三個(gè)平面，分別是應(yīng)用平面、數(shù)據(jù)平面和控制平面。平面之間的交互式是通過使用不同的接口協(xié)議進(jìn)行的。其中應(yīng)用平面是由若干個(gè)SDN的應(yīng)用組成，是通過北向接口與控制器交互，是用戶直接使用的應(yīng)用程序。用戶可以通過可編程的將需要的請(qǐng)求和下發(fā)的流表信息提交到控制器?？刂破矫媸且粋€(gè)邏輯上的實(shí)體，一個(gè)SDN控制器能夠包含多個(gè)北向接口驅(qū)動(dòng)，也可以對(duì)其自身的功能進(jìn)行封裝和抽象，成為更高級(jí)的北向接口。主要過程分為自上而下的和自下而上的，自上而下的過程是將應(yīng)用層的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為SDN Datapath，自下而上的過程是將底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抽象為狀態(tài)、事件等。數(shù)據(jù)平面是由若干個(gè)叫作網(wǎng)元的設(shè)備組成，網(wǎng)元是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)稱，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中需要在不同的網(wǎng)絡(luò)層次中使用不同的設(shè)備處理的任務(wù)，例如路由器、交換機(jī)等，OpenFlow交換機(jī)能夠具有網(wǎng)絡(luò)的7層功能，每個(gè)網(wǎng)元映射為若干個(gè)DataPath，每個(gè)DataPath沒有控制能力，都是邏輯上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它們只能來(lái)自控制層的指令并轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)[3]。SDN的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)中心面臨的問題

數(shù)據(jù)中心的規(guī)模隨著云計(jì)算的發(fā)展逐漸擴(kuò)大，然而數(shù)據(jù)中心在流量?jī)?yōu)化控制、網(wǎng)絡(luò)資源管理、虛擬機(jī)遷移和綠色節(jié)能等方面都存在問題。

①流量?jī)?yōu)化控制。目前，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)流量的調(diào)度算法是利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供的多路徑，通過靜態(tài)哈希的方法將數(shù)據(jù)隨機(jī)分配到最短路徑上，沒有考慮鏈路負(fù)載，對(duì)大流量的調(diào)度不適合，大流量的網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)生擁塞。擁塞極大影響用戶的體驗(yàn)，因此，需要盡量避免[4-5]。

②網(wǎng)絡(luò)資源管理。大型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心一般具有大量的服務(wù)器和虛擬機(jī)，這些設(shè)備通過數(shù)據(jù)中心連接起來(lái)系統(tǒng)很多的物流交換機(jī)和虛擬交換機(jī)，為了提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理。

③虛擬機(jī)遷移。在數(shù)據(jù)中心中具有大量的虛擬機(jī)，網(wǎng)絡(luò)中的這些虛擬機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中需要根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行遷移，因此，需要數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)遷移時(shí)將網(wǎng)絡(luò)配置遷移到新的網(wǎng)絡(luò)中。但是，目前所存在的技術(shù)還不能完全滿足這種需要。

圖1 SDN體系結(jié)構(gòu)

3 基于SDN數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化整體方案設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)中引入SDN技術(shù)后，控制器能夠集中控制網(wǎng)絡(luò)流量，能夠識(shí)別基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)層的流量并對(duì)其進(jìn)行控制，用戶能夠根據(jù)需要自定義業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)和管理。因此，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行改變，適合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量變化，為基于數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)的支持。所以，基于SDN的數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)是目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)基于SND數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)中仍然存在一些問題，例如，未對(duì)大象流和老鼠流的傳輸特性綜合考慮，不能滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的需要。 本文針對(duì)基于SDN的數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化問題，提出一種綜合的網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)化技術(shù)。

整體方案設(shè)計(jì)中將分層次對(duì)層進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)方案分為三個(gè)層次，最上層是應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)用戶具體業(yè)務(wù)的開發(fā)，在這一層中利用北向接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行獲取。中間的網(wǎng)絡(luò)控制層實(shí)現(xiàn)本文的基于SDN流量的優(yōu)化。通過控制器發(fā)出OpenFlow消息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的調(diào)度。最下面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層接收到OpenFlow消息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。這時(shí)大象流和老鼠流通過最優(yōu)路徑傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。本文提出的基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化技術(shù)主要是基于中間的控制層的研究。基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 整體方案

此方案中在網(wǎng)絡(luò)控制器的基礎(chǔ)上添加了流量統(tǒng)計(jì)、流量監(jiān)測(cè)、流量調(diào)度和序列與反序列，能夠根據(jù)流量?jī)?yōu)化的需要進(jìn)行處理。其中流量統(tǒng)計(jì)是使用改進(jìn)的Statistics函數(shù)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。流量監(jiān)測(cè)根基統(tǒng)計(jì)所傳輸?shù)膮?shù)設(shè)置閾值，對(duì)大象流和老鼠流進(jìn)行識(shí)別。流量調(diào)度時(shí)通過大象流和老鼠流的調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)。

首先獲取網(wǎng)絡(luò)信息，將消息傳給網(wǎng)絡(luò)控制器，此消息通過反序列后傳遞給流量統(tǒng)計(jì)模塊處理。流量統(tǒng)計(jì)模塊將端口速率傳遞給流量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)部分設(shè)置閾值，識(shí)別大象流和老鼠流。然后流量統(tǒng)計(jì)部分將當(dāng)前的可用帶寬、鏈路時(shí)延和丟包率等傳遞給流量調(diào)度部分，流量調(diào)度部分根據(jù)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)部分傳遞的信息，制定調(diào)度策略。最后經(jīng)序列和反序列的消息傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層來(lái)控制流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

4 基于SDN數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化流程

在數(shù)據(jù)中心中，老鼠流較為均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中，能夠充分利用數(shù)據(jù)中心的多路徑進(jìn)行傳輸。然而對(duì)于大象流，應(yīng)該能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的鏈路資源?；赟DN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)化中，控制器時(shí)刻掌握網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載信息。對(duì)于大象流應(yīng)能夠識(shí)別，并在控制器中進(jìn)行路徑的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

在基于SDN的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)大象流實(shí)現(xiàn)集中調(diào)度需要的流程有大象流的檢測(cè)、預(yù)測(cè)大象流的帶寬需求、計(jì)算大象流的路徑、控制器下發(fā)流表項(xiàng)到OpenFlow交換機(jī)。具體流程如下：

①大象流檢測(cè)

在網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)流進(jìn)入時(shí)是不能夠立即判斷出是否為大象流的，而是根據(jù)靜態(tài)哈希機(jī)制為其隨機(jī)分配一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。OpenFlow交換機(jī)的流表項(xiàng)中的計(jì)數(shù)器可以統(tǒng)計(jì)流量，根據(jù)流量信息判斷傳輸速率，根據(jù)流量速率的閾值判斷是否為大象流，如果某條數(shù)據(jù)被判斷為大象流，將進(jìn)入下一步驟。

②大象流的帶寬需求預(yù)測(cè)

當(dāng)檢測(cè)出大象流后，對(duì)此數(shù)據(jù)的流量帶寬進(jìn)行預(yù)測(cè)，TCP自身的擁塞控制機(jī)制不能夠代表實(shí)際的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，需要在后面的算法進(jìn)行大象流的流量調(diào)度。

③大象流路徑計(jì)算

大象流的調(diào)度算法分為靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的。靜態(tài)調(diào)度算法是檢測(cè)到大象流并計(jì)算出帶寬后計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，充分考慮實(shí)時(shí)流量分布，根據(jù)流量帶寬計(jì)算優(yōu)化方案。當(dāng)有新的大象流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)需要重新計(jì)算路徑，需要經(jīng)常改變路徑。這種方式適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小和單控制器的數(shù)據(jù)中心。動(dòng)態(tài)調(diào)度算法通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)載為新大象流計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑。動(dòng)態(tài)調(diào)度算法對(duì)新的大象流的進(jìn)入不影響以前的大象流的轉(zhuǎn)發(fā)，效率較高。但是流量調(diào)度有可能不是最優(yōu)。這種方式可以用在多控制器的數(shù)據(jù)中心和大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中。

④下發(fā)流表項(xiàng)到OpenFlow交換機(jī)

在上一步驟中，通過靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的調(diào)度算法得到大象流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑之后，需要將結(jié)果轉(zhuǎn)為OpenFlow交換機(jī)的流表項(xiàng)，下發(fā)到OpenFlow交換機(jī)，OpenFlow交換機(jī)接收到大象流的數(shù)據(jù)包后，根據(jù)流表將大象流轉(zhuǎn)發(fā)到需要的出口，使得大象流能夠按照調(diào)度算法的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文研究了基于SDN的數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)，文中首先從數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量控制技術(shù)的應(yīng)用背景出發(fā)，提出基于SDN的數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)研究的必要性。然后對(duì)SDN技術(shù)進(jìn)行了概述，提出基于SDN數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化整體方案設(shè)計(jì)和基于SDN數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化流程。詳細(xì)給出基于SDN數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化的整體層次結(jié)構(gòu)，對(duì)流量?jī)?yōu)化流程的四個(gè)方面進(jìn)行了闡述。本文所研究的基于SDN的數(shù)據(jù)中心流量?jī)?yōu)化技術(shù)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，為此方面的進(jìn)一步的研究提供了很好的參考。