基于SDN的網(wǎng)絡流量分配機制研究

彭財靜

（陜西國際商貿(mào)學院信息工程學院 陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著4G網(wǎng)絡的飛速發(fā)展和5G時代的到來，我國網(wǎng)絡用戶規(guī)模截至2021年12月已經(jīng)達到了10.32億。網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)承載量達到了海量級別，而傳統(tǒng)的蜂窩式網(wǎng)絡架構下有限的帶寬資源和存儲容量已經(jīng)很難滿足此量級下的資源管理需求[1]，網(wǎng)絡擁塞、負載不均衡、資源分配不合理、傳輸延時等問題成了限制第五代移動通信技術（5th generation mobile communication technology，5G）[2]網(wǎng)絡發(fā)展的主要原因。由于傳統(tǒng)的蜂窩式網(wǎng)絡架構采用的是封閉式網(wǎng)絡設備部署，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，基于封閉式網(wǎng)絡設備的協(xié)議部署愈加復雜，這使得網(wǎng)絡優(yōu)化變得極為困難，新的改進技術很難在真實環(huán)境中進行實踐和驗證，也導致上述問題得不到有效解決，因此采用新型的軟件定義網(wǎng)絡（software defined network，SDN）架構，以網(wǎng)絡虛擬技術為核心，將網(wǎng)絡設備與數(shù)據(jù)傳輸進行分層式控制，能夠有效解決原有網(wǎng)絡架構下的性能優(yōu)化受限問題，同時將SDN架構與5G網(wǎng)絡的切片技術相結合，構建更為靈活的基于5G網(wǎng)絡的流量資源分配機制，以提高網(wǎng)絡資源的調(diào)度效率、促進網(wǎng)絡資源的合理化分配。

1 核心技術及架構概述

1.1 5G網(wǎng)絡切片技術

5G網(wǎng)絡切片技術是通過網(wǎng)絡虛擬技術以特定的網(wǎng)絡性能或功能為標準對網(wǎng)絡進行的邏輯分割，構建邏輯上功能獨立、性能也符合用戶特定需求的獨立網(wǎng)絡。借助網(wǎng)絡切片技術能夠為網(wǎng)絡用戶提供差異化網(wǎng)絡服務，滿足運營商的個性化網(wǎng)絡部署需求。網(wǎng)絡切片技術主要應用于3類基礎網(wǎng)絡的切分，包括：接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)[3]。

接入網(wǎng)切片主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡接入所需協(xié)議標準和視頻資源的個性化定制，通過協(xié)議棧切分將基帶處理單元（building base band unit，BBU）拆分為集中單元和分布單元[4]兩個部分，集中單元用于非實時性業(yè)務的接入處理，分布單元用于實時性業(yè)務的接入處理。

傳輸網(wǎng)切片用于實現(xiàn)不同業(yè)務需求下的網(wǎng)絡傳輸個性化服務，通過網(wǎng)絡虛擬技術對網(wǎng)絡的鏈路節(jié)點、傳輸端口等資源進行虛擬化分割，在物理層上構建多個獨立的邏輯傳輸子網(wǎng)，各子網(wǎng)之間相互隔離，互不干擾。采用了SDN架構的傳輸網(wǎng)絡切片網(wǎng)絡流量控制模式可以分為基于數(shù)據(jù)平面的通道硬隔離和基于控制平面的網(wǎng)絡拓撲資源隔離，前者用于實現(xiàn)網(wǎng)絡切片內(nèi)端到端的通道隔離，并匹配有相應的調(diào)度策略；后者用于實現(xiàn)網(wǎng)絡切片內(nèi)的通道控制，包括切面控制、鏈路控制、端口和協(xié)議棧控制等。

核心網(wǎng)切片用于提供具體業(yè)務場景下的個性化服務，相較于4G網(wǎng)絡的網(wǎng)元集中控制模式，核心網(wǎng)切片將網(wǎng)元功能進行解耦合模塊化，并按照具體業(yè)務需求以組件的形式進行靈活整合。各組件之間可以通過開放接口進行通信，也可以根據(jù)業(yè)務需求變化動態(tài)擴展與裁剪。

1.2 SDN架構

SDN架構采用網(wǎng)絡虛擬技術基于邏輯層面將網(wǎng)絡劃分為3層，自底向上包括數(shù)據(jù)層、控制層和應用層[5]，見圖1。

數(shù)據(jù)層為最底層，由網(wǎng)絡硬件設備構成，該層的網(wǎng)絡設備通過控制層動態(tài)生成的數(shù)據(jù)流表進行數(shù)據(jù)的交換與轉(zhuǎn)發(fā)，本身不再兼具協(xié)議控制、網(wǎng)絡資源調(diào)度等控制職能，大大簡化了硬件設備的協(xié)議部署、功能配置等工作。

控制層由可編程的SDN控制器構成，通過軟件編程方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)層設備的通信控制、對應用層數(shù)據(jù)的格式處理以及網(wǎng)絡資源的動態(tài)調(diào)度，并提供了南向與北向兩個通信接口，南向接口負責與數(shù)據(jù)層通信，北向接口負責與服務層通信[6]。

應用層由多個SDN應用構成，提供面向用戶的各類應用程序服務，并以數(shù)據(jù)請求的形式向控制層傳遞相關的數(shù)據(jù)信息，由控制層完成具體的業(yè)務處理。

由各層的功能劃分可知，SDN架構的主要目的是將物理網(wǎng)絡的網(wǎng)絡鏈路進行軟控制和硬通信的邏輯解耦，通過核心控制層對網(wǎng)絡流量進行可編程的靈活控制，大大提高了網(wǎng)絡功能部署的靈活性與擴展性。

2 網(wǎng)絡流量分配機制

為了實現(xiàn)端到端的全方位網(wǎng)絡服務，網(wǎng)絡服務供應商會依據(jù)各類行業(yè)的個性化服務需求進行網(wǎng)絡切片的劃分。單個切片可以面向單一特定行業(yè)為多個租戶提供垂直服務，租戶網(wǎng)絡之間的業(yè)務相近，但分配的網(wǎng)絡資源是相互隔離、互不干擾的。網(wǎng)絡流量的資源分配指的是兩方面的資源調(diào)度，一是租戶網(wǎng)絡切片之間的資源分配，二是租戶網(wǎng)絡的片內(nèi)資源分配。根據(jù)資源分配對象不同，切片網(wǎng)絡流量分配機制主要可以分為靜態(tài)分配與動態(tài)分配兩大類。靜態(tài)分配機制是指網(wǎng)絡路由的分配和選擇由網(wǎng)絡管理員手動完成，網(wǎng)絡管理員需要依據(jù)當前的業(yè)務需求與網(wǎng)絡拓撲分析手動配置路由表，可以用于租戶網(wǎng)絡片間的資源分配；動態(tài)分配機制則是依據(jù)動態(tài)路由算法自動生成并能夠?qū)崟r更新路由表的一種的分配機制，可以用于租戶網(wǎng)絡片內(nèi)的資源分配。這里僅針對租戶網(wǎng)絡片內(nèi)的動態(tài)資源分配展開討論。

動態(tài)流量分配機制的傳統(tǒng)路由算法主要有3類：距離收斂路由、鏈路狀態(tài)路由和路由算法[7]。

距離收斂路由算法是一種實現(xiàn)簡單且高效的算法，主要應用于自治系統(tǒng)的內(nèi)部流量分配，例如內(nèi)部路由選擇（routing information protocol，RIP）協(xié)議、內(nèi)部網(wǎng)關路由選擇（interior gateway routing protocol，IGRP）協(xié)議等都采用的是距離收斂路由算法來構建動態(tài)路由表。該算法依據(jù)相鄰路由器的信息交換匯總生成路由表，以數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點數(shù)量最少的路徑為最優(yōu)路徑選擇。

鏈路狀態(tài)路由算法是大型網(wǎng)絡中應用最為廣泛的一種算法，該算法在網(wǎng)絡切片內(nèi)通過路由節(jié)點的信息交換收集所有節(jié)點的鏈路信息，以此對當前網(wǎng)絡切片的全局鏈路狀態(tài)進行描繪，切片內(nèi)路由節(jié)點就可以依據(jù)一致的鏈路狀態(tài)信息創(chuàng)建和維護路由表。對于每個路由器節(jié)點需要完成的工作包括：與相鄰的節(jié)點交互路由地址；計算與相鄰節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)距離和流量開銷；將獲取和計算的信息封裝為鏈路狀態(tài)信息包并轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰路由；計算最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑并生成路由表。

路由算法是自組網(wǎng)中較常應用的一種算法，自組網(wǎng)切片的移動終端既要負責應用功能的實現(xiàn)，例如瀏覽器程序，又要負責主機功能的實現(xiàn)，例如路由、數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)等，采用源路由算法可以有效緩解自組網(wǎng)切片移動終端用戶的路由負載。該算法主要通過數(shù)據(jù)源主機提供完整的路由選擇策略，并將路徑信息封裝在數(shù)據(jù)分組的報頭，轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點無需維護路由表，也不需要再進行路由選擇的計算，直接按照源主機提供的路由分組序列進行轉(zhuǎn)發(fā)即可，大大減輕了中間節(jié)點路由開銷，也避免了路由環(huán)路。

以上3種傳統(tǒng)的動態(tài)路由算法都是基于鏈路權重的算法。鏈路權重是傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構下各類路由協(xié)議中非常重要的組成部分，鏈路權重的計算對網(wǎng)絡硬件依賴度非常高，這使得鏈路權重的計算普遍具有一定的靜態(tài)性和片面性，也大大限制了網(wǎng)絡的彈性擴展和資源的有效利用，而SDN架構的引入可以有效解決上述問題，進一步提高鏈路權重的計算效率和動態(tài)路由分配的靈活性。

3 基于SDN的鏈路權重算法

鏈路權重是網(wǎng)絡流量分配的重要依據(jù)，也是SDN架構流量分配機制的熱點研究問題，基于SDN架構的鏈路權重計算可以分為靜態(tài)權重計算與動態(tài)權重計算兩類。

3.1 靜態(tài)鏈路權重計算

靜態(tài)鏈路權重的計算，首先需要通過SDN器控制獲取傳輸網(wǎng)絡切片內(nèi)的網(wǎng)絡拓撲信息，然后為每條鏈路計算權重值，主要的計算方法包括鏈路的節(jié)點跳數(shù)計算法、距離矢量計算法和帶寬倒數(shù)法，不同的算法所依據(jù)的參數(shù)指標也不相同，鏈路的節(jié)點跳數(shù)計算法是最小標準；距離矢量計算法的路徑距離最小標準；帶寬倒數(shù)法是最大帶寬標準。由于上述算法都不能對3個重要參數(shù)指標全部兼顧，因此存在一定的片面性。

靜態(tài)鏈路權重計算忽略了時間因素對鏈路狀態(tài)的影響，因此是一種靜態(tài)的計算方法，當數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)分組到達邊緣交換機后，交換機會依據(jù)預先設定好的鏈路權重進行路由的選擇計算。該算法下SDN控制器無需頻繁輪詢網(wǎng)元設備，減少了控制平面與數(shù)據(jù)平面的通信開銷和路由計算的開銷，在網(wǎng)絡資源空閑的情況下，算法效率高且易實現(xiàn)，但在網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，該算法不會動態(tài)適應和調(diào)整分配策略，反而會加劇網(wǎng)絡的擁塞和負載不均衡。

3.2 動態(tài)鏈路權重計算

動態(tài)鏈路權重計算加入了時間維度的可變參數(shù)，SDN控制器需要定時輪詢數(shù)據(jù)層的網(wǎng)元設備，動態(tài)獲取片內(nèi)的網(wǎng)絡拓撲信息，依據(jù)鏈路狀態(tài)變化更新片內(nèi)的鏈路權重。動態(tài)鏈路權重的算法設計需要解決的關鍵問題涉及以下3個方面。

（1）網(wǎng)絡業(yè)務需求預測的敏感性問題。網(wǎng)絡流量分配策略的設計通常要參考網(wǎng)絡業(yè)務的具體需求，而這種參考是預測性質(zhì)的，預測結果越精確，資源分配策略的匹配度就越高，資源利用的也就更充分。因此算法設計還需要具有較好的業(yè)務需求敏感性，能夠進行更加精確和細粒度的需求預測。

（2）鏈路權重計算的片面性問題。影響鏈路權重的參數(shù)指標有很多，例如鏈路的路徑距離、帶寬、時延、丟包率等，單一的指標評價無法準確、客觀反映當前的網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)，因此算法設計應考慮到參數(shù)指標評價的全面性以及各指標間的動態(tài)均衡。

（3）鏈路權重計算的動態(tài)更新頻次問題。網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)的變化是十分頻繁的，鏈路權重計算如果要完全匹配到網(wǎng)絡鏈路的變化情況，就需要頻繁進行通信和計算，這本身也增加了網(wǎng)絡資源的開銷，反而會延長權重值計算的收斂速度。如果按照固定的時間間隔進行權重值的計算和更新，又無法充分發(fā)揮算法的動態(tài)優(yōu)勢，實現(xiàn)資源分配的最優(yōu)化。因此算法設計還應充分考慮鏈路權重計算頻次的時間與控制。

在傳統(tǒng)的蜂窩式網(wǎng)絡架構中，上述問題一直沒有得到良好的解決，而網(wǎng)絡切片技術的引入為問題的解決提供了可能。網(wǎng)絡切片技術面向的是垂直用戶，通過網(wǎng)絡切片為垂直用戶提供更加精確和細化的網(wǎng)絡服務，因此切片資源分配本身就對租戶網(wǎng)絡的業(yè)務需求高度適配，業(yè)務需求預測也更加精準；其次網(wǎng)絡切片具有網(wǎng)絡資源的隔離特性，各個租戶網(wǎng)絡之間的流量分配是互不干擾的，鏈路權重的計算局限于租戶網(wǎng)絡切片之內(nèi)，綜合參數(shù)指標對權重值的估量與均衡更易于實現(xiàn)。針對最后一個問題，鏈路權重計算的頻次控制可以結合信息熵算法，利用信息熵的數(shù)據(jù)集反差特性實現(xiàn)對計算頻次的動態(tài)調(diào)整。

4 鏈路權重計算的優(yōu)化機制解決方案

4.1 網(wǎng)絡業(yè)務需求預測的敏感性問題解決

網(wǎng)絡業(yè)務需求預測屬于不確定性問題，常用的解決方法有隨機優(yōu)化法和魯棒法。隨機優(yōu)化法首先要進行隨機參數(shù)的概率預設，隨機參數(shù)由決策者根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、同類業(yè)務需求情況、先驗推導進行設定，然后由優(yōu)化函數(shù)通過隨機參數(shù)的概率分布情況構建業(yè)務的敏感性屬性偏好向量，形成最終的選擇方案矩陣。方案矩陣羅列出了每條可選鏈路的業(yè)務預測權重，并作為鏈路權重計算的重要參數(shù)之一，使其進一步匹配到細粒度的業(yè)務需求。魯棒法對隨機參數(shù)的概率設定通過不確定集的方法來實現(xiàn)，具有更高的計算效率和準確度。不確定提供的是隨機參數(shù)的概率波動范圍，波動范圍設置越精細，求解過程越復雜，最優(yōu)解預測結果越準確，但計算開銷也越大，因此不確定集的構建還需要兼顧到計算效率與結果準確度之間的資源均衡。

4.2 鏈路權重計算的片面性問題解決

鏈路權重的評估參數(shù)有很多，其中很多參數(shù)還存在負相關關系，因此鏈路權重計算的片面性問題解決的目的不在于要使得各個參數(shù)指標都達到最優(yōu)解，而是在各個參數(shù)之間尋找均衡的最優(yōu)解。采用分布式魯棒法可以有效解決這一問題，將影響鏈路權重的多個屬性指標視為隨機參數(shù)，并為其構建了概率分布模糊集，通過不斷對分布模糊集中的概率分布最壞結果的迭代優(yōu)化使其盡量接近一個理想的鏈路狀態(tài)。

4.3 鏈路權重計算的頻次控制

鏈路權重的計算頻次應與網(wǎng)絡鏈路的狀態(tài)變化密切相關，如鏈路處于一個相對穩(wěn)定或空閑的狀態(tài)，鏈路權重的更新就不必過于頻繁，反之則需要對當前的網(wǎng)絡做出及時反應和調(diào)整，以預防網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生。采用信息熵方式可以對網(wǎng)絡鏈路多維屬性的不確定性因素進行干擾排除，并最終實現(xiàn)精確的鏈路權重動態(tài)更新的控制。信息熵是度量復雜事物一種方法，可以簡單表述為事物屬性越復雜，不確定性越大，那么這些屬性的狀態(tài)變化概率就越小，其所構成的數(shù)據(jù)集就越穩(wěn)定。根據(jù)信息熵的數(shù)據(jù)集反差特性，數(shù)據(jù)集不變的前提下，信息熵也不會變化，也就不具備觸發(fā)鏈路權重更新的條件；反之則認為事物的不確定性越大，屬性狀態(tài)的變化也越大，當數(shù)據(jù)集的波動超過信息熵的閾值設定后，就會觸發(fā)鏈路權重的計算更新。

5 結語

5G網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片技術為個性化的網(wǎng)絡服務定制提供了全面的技術支持，其所承載的用戶流量也越來越大，為了能夠有效提高傳輸網(wǎng)切片的資源利用率，本研究結合SDN架構，對傳輸網(wǎng)切片的流量分配機制展開了全面研究，針對傳輸網(wǎng)內(nèi)多個租戶網(wǎng)絡的片間資源分配和片內(nèi)資源分配機制進行了探討，并在此基礎上提出了租戶網(wǎng)絡片內(nèi)鏈路權重計算的完整解決方案，為之后的5G網(wǎng)絡資源分配機制優(yōu)化提供了一定的研究思路和參考依據(jù)。