SDN和ISIS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析

摘要：文章結(jié)合OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)缺陷對SDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化構(gòu)建的需求進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)提出了ISIS協(xié)議支持下的sDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化構(gòu)建思路，即主要以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模擬分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化選擇、SDN網(wǎng)絡(luò)的主要工作流程等方面入手，闡述了SD：網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建要點(diǎn)。同時(shí)，對比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與該SDN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果，結(jié)果表明該SDN網(wǎng)絡(luò)具有更高的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：SDN 網(wǎng)絡(luò);ISIS協(xié)議;冗余保護(hù)

中圖法分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Network construction analysis of SDN and ISIS

LIU Jianjun

（Southwest Air Traffic Administration of Civil Aviation of China. Chengdu 610000， China）

Abstract：This paper analyzes the needs of SDN network optimization construction in combinationwith the network defects supported by OSPF， and based on this， puts forward the idea of SDNnetwork optimization construction supported by ISIS protocol. We analyze the optimizationconstruction of network topology， network construction simulation， the optimization selection ofnetwork protocols， the main work flow of SDN network， etc.， and expounds the main points of theconstruction of the SDN network. At the same time， comparing the application effects of thetraditional network and the SDN network， the results show that the SDN network has highernetwork maintenance efficiency.

Key words： SDN network， ISIS protocol， redundant protection

1 引言

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)雖然能夠?yàn)橛脩籼峁┗ヂ?lián)網(wǎng)上網(wǎng)服務(wù)，但是其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面依然存在一定缺陷，并不利于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，更新網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以此搭建性能更優(yōu)的SDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，本文提出了ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化構(gòu)建方案。

2 SDN和ISIS的概述

2.1 SDN的邏輯體系結(jié)構(gòu)

SDN網(wǎng)絡(luò)主要可以劃分為三個(gè)層次，即基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層、應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層包含多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并結(jié)合控制數(shù)據(jù)平面與控制層實(shí)現(xiàn)連接：控制層包含SDN控制軟件，以此對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行控制，并在API的支持下與應(yīng)用層進(jìn)行連接：應(yīng)用層包含上層應(yīng)用，可以滿足用戶的上層業(yè)務(wù)需求。對于SDN網(wǎng)絡(luò)而言，其可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的門動(dòng)化部署，因此能夠獲得較高的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率。

2.2 ISIS協(xié)議的應(yīng)用優(yōu)勢

ISIS協(xié)議即中間系統(tǒng)至中間系統(tǒng)的路由協(xié)議，屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議范疇，其應(yīng)用優(yōu)勢主要如下：單一路由器只能設(shè)置在一個(gè)區(qū)域內(nèi);支持廣播網(wǎng)絡(luò)以及點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，且能夠迅速定位路由器故障：其度量值全部默認(rèn)為10[1]。

3 ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化構(gòu)建思路分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化構(gòu)建需求

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)）主要由多臺(tái)接人交換機(jī)、匯聚交換機(jī)、建筑物路由器、基于中國電信的核心路由器構(gòu)成。接人交換機(jī)與匯聚交換機(jī)直接連接，由匯聚交換機(jī)管控多臺(tái)接人交換機(jī);建筑物路由器與匯聚交換機(jī)保持一一對應(yīng)式的連接：所有建筑物路由器與基于中國聯(lián)通的核心路由器保持連接狀態(tài)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下，所有用戶均需通過核心路由器才能連接互利網(wǎng)：單層樓的接人交換機(jī)主要承擔(dān)相應(yīng)樓層用戶的VLAN劃分職責(zé)：一層樓擁有一個(gè)VLAN，其所對應(yīng)的地址數(shù)量達(dá)128個(gè)：建筑物中配置的匯聚交換機(jī)主要對來源于接入層交換機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，同時(shí)傳遞至建筑物核心層路由器;在OFPF協(xié)議的支持下，建筑物路由器完成對內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)段的宣告，以此促使網(wǎng)絡(luò)中所配置的路由器均能夠長時(shí)間維持在相互連接的狀態(tài)下：依托靜態(tài)路由器的投放與使用，核心路由器與中國電信之間能夠完成通信：通過OFPF協(xié)議的指導(dǎo)，核心路由器可以實(shí)施對默認(rèn)路由的下發(fā)，并以此為基礎(chǔ)指明互聯(lián)網(wǎng)路徑。

雖然傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橛脩籼峁┗ヂ?lián)網(wǎng)上網(wǎng)服務(wù)，但是服務(wù)質(zhì)量方面依然有待進(jìn)一步提升。具體而言，其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面存在一定缺陷，即在建筑物路由器的出口端，僅僅連接了單臺(tái)核心路由器，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞問題難以確保用戶獲取高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)欠缺冗余保護(hù)單元，導(dǎo)致熬體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平下降：在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)背景下，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作的煩瑣程度、復(fù)雜程度始終維持在偏高狀態(tài)，任意一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置均需大量人工操作，實(shí)際工作量偏高。基于上述傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，本文提出ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建思路，即主要在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)施優(yōu)化調(diào)整，以此保證在開展更少改造工作的前提下搭建起性能更優(yōu)的SDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的主要需求設(shè)定如下：在保留原有基于中國聯(lián)通的核心路由器的基礎(chǔ)上，引入基于中國電信的核心路由器，促使建筑物內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以同時(shí)由中國聯(lián)通與中國電信提供，即便某一網(wǎng)絡(luò)發(fā)生堵塞，也可以自動(dòng)、迅速切換至另一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的核心路由器，以此達(dá)到冗余保護(hù)的效果：利用ISIS協(xié)議以及相關(guān)硬件配置，促使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自動(dòng)化配置成為現(xiàn)實(shí)，以此達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)復(fù)雜程度以及實(shí)際工作量的效果，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理升級。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化構(gòu)建

ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由多臺(tái)接人交換機(jī)、匯聚交換機(jī)、建筑物路由器、基于中國聯(lián)通的核心路由器、基于中國電信的核心路由器構(gòu)成。接人交換機(jī)與匯聚交換機(jī)直接連接，由匯聚交換機(jī)管控多臺(tái)接人交換機(jī)：建筑物路由器與匯聚交換機(jī)保持一一對應(yīng)式的連接;單臺(tái)建筑物路由器與基于中國聯(lián)通的核心路由器、基于中國電信的核心路由器均保持連接狀態(tài)，以此確保為用戶提供更為暢通的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

在ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕ㄔO(shè)與優(yōu)化過程中，著重落實(shí)如下操作任務(wù)：引入新建核心路由器，數(shù)量為l臺(tái);依托中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，促使相應(yīng)新建核心路由器的出口上聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)，由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)出口，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的冗余保護(hù);提取所有建筑物路由器中的任意一條上行電路，在光纖的支持下，將這些上行電路與核心路由器A保持連接;提取所有建筑物路由器中剩余的一條上行電路，在光纖的支持下，將這些上行電路與核心路由器B保持連接，由于建筑物路由器中設(shè)定的兩條上行電路均保持負(fù)載均衡狀態(tài)，所以該設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對建筑物路由器上行的冗余保護(hù);落實(shí)SDN系統(tǒng)的新建工作，數(shù)量為2套，以“一主一備”的方式投入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，以此更好地管理網(wǎng)絡(luò)。對于匯聚層與接人層來說，其保持在與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)）對應(yīng)層網(wǎng)絡(luò)次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相一致的狀態(tài)即可。

3.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模擬分析

在Linux環(huán)境下，結(jié)合NS3軟件的應(yīng)用對ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)也完成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)）的構(gòu)建，方便對兩種網(wǎng)絡(luò)模式展開對比分析。在路由器算法的實(shí)驗(yàn)分析中主要引入Waxman隨機(jī)圖能模型，其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在符合條件的同一區(qū)域中。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b之問存在邊的概率可以使用式（1）完成確定，即有：

P（a，b）=其中，節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b之間所具備的歐拉距離為d（a，b）;節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b之問歐拉距離的最大值為L;a和β為參數(shù)，其定義域均為（0，1）。通常情況下，在a越大的條件下，可以判定距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間存在邊的概率更大;在β越大的條件下，可以判定網(wǎng)絡(luò)的稠密度更大[2]。在本次路由器算法的模擬實(shí)驗(yàn)中，選定參數(shù)a的值為0.65;選定參數(shù)β的值為0.45。同時(shí)，出于對進(jìn)一步簡化路由器協(xié)議優(yōu)越性比較操作的考量，主要設(shè)定如下條件，即傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)）中的路由協(xié)議以及ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)巾的路由協(xié)議均利用Cospf和Cisis代表轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)。

確定優(yōu)化百分比的表達(dá)式如下：

（2）式（2）中，模擬實(shí)驗(yàn)的展開次數(shù)為i。本次研究中主要設(shè)定模擬實(shí)驗(yàn)的次數(shù)為2000，即：

（3）結(jié)果表明，相比于Cospf，Cisis的應(yīng)用優(yōu)勢以及性能優(yōu)勢更為明顯，其平均優(yōu)化率達(dá)到4.53%。

3.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化選擇

在構(gòu)建ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)的過程中，主要選取傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)），并在此基礎(chǔ)上對其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行更新調(diào)整，此時(shí)主要操作步驟如下：對設(shè)定在核心路由器、建筑物路由器中的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行刪除處理，同時(shí)在其中配置ISIS協(xié)議：設(shè)定lever-12路由器為網(wǎng)絡(luò)的核心路由器，數(shù)量為2臺(tái)：設(shè)定lever-1路由器為網(wǎng)絡(luò)的建筑物路由器，數(shù)量為8臺(tái);將默認(rèn)靜態(tài)路由協(xié)議引入核心路由器A中，促使缺省路由指向中國聯(lián)通，保證在實(shí)際運(yùn)行中能夠在ISIS協(xié)議的支持下下發(fā)此靜態(tài)路由;將默認(rèn)靜態(tài)路由協(xié)議引入核心路由器B中，促使缺省路由指向中國電信，保證在實(shí)際運(yùn)行巾能夠在ISIS協(xié)議的支持下下發(fā)此靜態(tài)路由;針對所有建筑物路由器加設(shè)子接口，并于匯聚交換透傳的VLAN設(shè)定為終止點(diǎn)：在直連路由模式的支持下，促使SDN系統(tǒng)與核心路由器保持連接狀態(tài)：針對設(shè)定在匯聚層交換機(jī)、接人層交換機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以不進(jìn)行變更處理，以此完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議優(yōu)化調(diào)整，最終完成ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

3.5 SDN網(wǎng)絡(luò)的主要工作流程

SDN網(wǎng)絡(luò)的主要工作流程如下：第一，在控制器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間搭建起控制通道，一般情況下，可以利用IGP完成對該控制通道的打通處理。第二，當(dāng)控制器與轉(zhuǎn)發(fā)器基于控制協(xié)議完成連接之后，由轉(zhuǎn)發(fā)器對網(wǎng)絡(luò)資源信息進(jìn)行收集與整理，此時(shí)所采集到的信息普遍包含標(biāo)簽信息、接口信息、設(shè)備信息等：在拓?fù)涫占瘏f(xié)議的支持下，控制器可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌牟杉?。第三，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁约熬W(wǎng)絡(luò)資源信息綜合利用的支持下，控制器實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑的計(jì)算，并結(jié)合對協(xié)議、路由協(xié)議的應(yīng)用，將業(yè)務(wù)路由與內(nèi)部交換路徑轉(zhuǎn)發(fā)信息傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)器[3]。第四，轉(zhuǎn)發(fā)器主要實(shí)現(xiàn)對控制器下發(fā)信息的接收，結(jié)合對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑的應(yīng)用，完成對數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)路由轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器還承擔(dān)著轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的任務(wù)。第五，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變更的條件下，SDN控制器能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并在此基礎(chǔ)上落實(shí)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑、業(yè)務(wù)路由的重新計(jì)算，從而達(dá)到保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)始終正常提供的效果，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量水平。

4 ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成效分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率方面的結(jié)果分析

為驗(yàn)證ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案的科學(xué)性與實(shí)效性，主要對其網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率展開分析。應(yīng)用場景設(shè)置如下：選取通過兩條上行電路到核心路由器設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)的路由器結(jié)構(gòu)，結(jié)合中國電信、中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的引入以及負(fù)載分擔(dān)模式的應(yīng)用，將路由器上聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的過程中，若中國聯(lián)通所提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象，依托SDN下發(fā)網(wǎng)絡(luò)算法，管理人員可以完成對路由器上行電路ISIS COST值的調(diào)整，以此驅(qū)動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量利用中國電信提供的出口電路發(fā)揮作用，提供暢通的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

在上述應(yīng)用場景中，需要投放的路由器數(shù)量為8臺(tái)，在未使用ISIS協(xié)議支持的SDN網(wǎng)絡(luò)的情況下，單臺(tái)路由器的配置時(shí)間維持在5分鐘左右，總體消耗時(shí)間為40分鐘左右：而在使用ISIS協(xié)議支持的SDN網(wǎng)絡(luò)的情況下，路由器配置時(shí)問維持在5分鐘即可。結(jié)合該應(yīng)用場景以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用成效能夠得知，ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)效率方面有著較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)在獲取良好網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、變更網(wǎng)絡(luò)通路方面所消耗的時(shí)間更短，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率水平更加理想。

4.2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)方面的結(jié)果分析

對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（OSPF支持下的網(wǎng)絡(luò)）與lSIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)比較分析，主要選取時(shí)刻點(diǎn)為11個(gè)，對兩種網(wǎng)絡(luò)形式的抖動(dòng)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果表明，除2時(shí)刻點(diǎn)與8時(shí)刻點(diǎn)外，剩余9個(gè)時(shí)刻點(diǎn)中，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的抖動(dòng)次數(shù)均高于ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)次數(shù)[4]。進(jìn)一步對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)的訪問國外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的丟包數(shù)量進(jìn)行比較分析，主要選取時(shí)刻點(diǎn)為11個(gè)，對兩種網(wǎng)絡(luò)形式的外網(wǎng)訪問期間的丟包數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果表明，在第10 時(shí)刻點(diǎn)以前，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在訪問國外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)期間所產(chǎn)生的丟包數(shù)量低于ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)在訪問國外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)期間所產(chǎn)生的丟包數(shù)量：在第10時(shí)刻點(diǎn)以后，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在訪問國外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)期間所產(chǎn)生的丟包數(shù)量高于ISIS協(xié)議支持下的SDN網(wǎng)絡(luò)在訪問國外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)期間所產(chǎn)生的丟包數(shù)量。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的冗余保護(hù)情況不理想，且設(shè)備配置丁作餐較大，無法保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。基于此，使用ISIS協(xié)議替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的OSPF協(xié)議，并完成配套軟硬件結(jié)構(gòu)的改造更新，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷，并獲得更為理想的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率。

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作者簡介：

劉建軍（1991-），本科，主任工程師，研究方向：數(shù)據(jù)通信。