代文軍

（中國移動集團設計院有限公司四川分公司 四川成都 610045）

分析SDN技術的異構網絡切換技術

代文軍

（中國移動集團設計院有限公司四川分公司 四川成都 610045）

目前隨著SDN技術的快速發(fā)展和進一步深入的學習研究，再結合對異構網絡中常見的切換技術，總結現(xiàn)網中異構網絡的方案以及對異構網絡切換技術的研究現(xiàn)狀和性能指標。并且在此探討的基礎上，分析結合SDN技術，從網絡結構的角度出發(fā)，對未來異構網絡的切換提出了一種新的切換方案。

異構網絡；SDN技術；切換技術

引言

現(xiàn)今網絡持續(xù)快速發(fā)展，用戶需求量不斷增加，多種網絡共同組合在一起為用戶提供服務是未來的必然趨勢。隨著業(yè)務需求以及用戶數(shù)量的不斷增加，未來將會形成越來越復雜、越來龐大的網絡系統(tǒng)。面對如此龐大的系統(tǒng)，我們該如何靈活的組網，如何有效的調度所有資源來適應新業(yè)務的增長和需求，這都是需要重點所關注地問題。研究者們已經開始在為了解決這些問題，不斷摸索新的突破點。而SDN技術產生恰恰是具有潛力地突破點之一。SDN技術為上層應用和控制器提供了軟件編程接口，因而可以通過調用接口，達到資源的擴展、靈活調度以及新業(yè)務的迅速部署。所以，SDN技術引起了眾多的相關人員的興趣，并試圖將之應用到各種網絡中。本文就其在異構網絡融合過程中地切換技術進行了分析和探討。

1 SDN技術簡介

軟件定義網絡（SDN，Software Defined Network），是一種新型網絡創(chuàng)新架構，其核心技術就是通過將路由器和交換機中的控制平面分離出數(shù)據平面，這個控制平面是開放的，并受到集中控制，從而實現(xiàn)了網絡流量的靈活控制，為核心網絡應用創(chuàng)新提供了很好的平臺[1]。

軟件定義網絡（SDN）目的是將網絡控制與物理網絡拓撲分離，從而擺脫硬件對網絡架構的限制。這樣企業(yè)就可以通過軟件對網絡架構修改，獲得企業(yè)對網絡的需求，達到底層路由器和交換機等硬件無需替換，節(jié)省企業(yè)的成本。軟件定義網絡能夠從交換機和路由器中的控制平面里面把數(shù)據平面分離出來。而在SDN中，控制平面將是受到集中控制且開放的，同時將邏輯和命令發(fā)送回硬件的數(shù)據平面。

2 理論分析

2.1 網絡發(fā)展與面臨的問題

面對未來網絡的諸多挑戰(zhàn)，將SDN技術應用于網絡被認為是一個很好的解決方案。在網絡切換技術的基礎上，提出了基于SDN技術地異構網絡切換技術，目的是為了提高在今后異構網絡中切換技術的性能。如今網絡的不斷猛速發(fā)展，使客戶端“隨時隨地連接”已經現(xiàn)實了。但是，雖然業(yè)務需求完成了，但同時也使數(shù)據量呈現(xiàn)指數(shù)增長，因此我們迫切希望硬件設備發(fā)揮出更大的能力來承受數(shù)據量和業(yè)務需量的增長性能問題。而當前的一種解決方法是對網絡基礎設施升級處理，如部署多個接入點?？梢栽诨A設施上的升級必然要面臨成本過高的問題，如果網絡基礎設施地增加與業(yè)務需求量的同步的話。所以，在面對未來網絡時，一個重要的挑戰(zhàn)就是要提供一個能夠提供無處不在的、可擴展的有效的網絡連接方式。這些問題已經極大地引起了來自學術界和工業(yè)界的關注。

2.2 SDN技術的提出

由于SDN技術能解耦硬件設備的數(shù)據平面和控制層面，通過開放的接口使硬件成為“可編程”的，且利用集中控制器這一設備來控制網絡基礎設施地網絡行為。而SDN的這種獨有特性，能夠使網絡資源網絡的可擴展性和管理得到有效的解決，這正是目前網絡系統(tǒng)所面臨的龐大問題之一。關于SDN技術在網絡上的應用，已經有些研究者們進行了研究。如第一次將SDN技術應用于網絡，分析探討了如何開發(fā)適合于網絡的設施以及給網絡帶來的機遇，這提出了一種基于SDN技術的新網絡架構，并且初步的設計了協(xié)議的架構。雖然這個實施細則仍有需要改進和進一步研究的地方，但這已經給我們處理現(xiàn)有的網絡問題給出了一個新思路。還有的研究者在基于架構的基礎上，引出了兩個自適應解碼和編碼的算法，雖然此算法的性能現(xiàn)在還無法在實際網絡中得到驗證，但在架構上地實現(xiàn)表明，我們可以在基于架構上來實現(xiàn)算法的功能是可行的方案。

2.3 SDN技術的優(yōu)勢

通過在媒體獨立接入控制協(xié)議（MIH）的基礎上，使用SDN技術來實現(xiàn)異構網絡的切換手段。而這一架構的實現(xiàn)，就需要數(shù)據路徑和所有配置的MCN、MMT都能支持SDN的協(xié)議[2]。在切換過程中，首先通過這些協(xié)議來收集服務所需要地特性，然后通過SDN編程的接口來利用這些特性，使集中控制網絡地目的得以實現(xiàn)。然而，在切換過程中，一旦采用某些協(xié)議，如MIH，就會造成通信中斷，因此MIH協(xié)議不受大部分研究者的青睞。但是，我們仍然可以將SDN技術應用于異構網絡切換過程中的強大信息管理功能以及在信息接口調用時的方便性。前文所述的這一新架構是基于SDN技術的，通過使用網絡靈活的、可編程的以及開放的接口來實現(xiàn)新業(yè)務和提供強大地QoE功能，這使得移動性管理和資源管理更加簡單。經過上述的討論，表明SDN技術在異構網絡中應用的巨大優(yōu)勢。

3 基于SDN技術的異構網絡切換技術

3.1 基本原理

從網路架構的角度，本文提出一種異構網絡切換控制技術。此架構能夠提供高效的資源管理能力和可編程地網絡接口，使網絡對新業(yè)務的部署方便性和可擴展能力得到提高，此外，還提供了更高效地網絡切換性能。本文所提出來的異構網絡切換控制示意圖如圖1。

圖1 網絡拓撲圖

此架構中的技術涵蓋了NGW（network gateway）網絡網關、MN（mobile node）移動節(jié)點、ER（eage router）邊界網關、AP（access point）接入點、SDN Controller控制器。

NGW：提供網絡網關服務，一種支持SDN功能的設備。用戶通過它聯(lián)接到網絡地基礎設施。它可以是一個支持接入點，如路由器，也可以是一個愿意共享用戶的終端設備。還能作為SDN交換設備，運行某些服務和協(xié)議。

SDN Controller：上層是開發(fā)地各種在控制器上應用的服務，中間層運行控制器地操作系統(tǒng)，而底層是一個基于云的控制實體。

在新架構中轉發(fā)平面和控制層面分離，它包含了可編程的基于云的控制器和數(shù)據平面。而在底層轉發(fā)設備中控制器相連接的是南向接口，應用服務與控制器進行通信通過北向接口。因此控制器成為了整個網絡的中心，它隨時感知整個網絡的運行狀態(tài)，并將此狀態(tài)的信息傳給應用層，然后據此做出相應的指令和判斷。

3.2 主要技術介紹

下面分析介紹了幾種關于上述架構的主要技術：

（1）移動性管理和切換，隨著更多地移動終端接入到網絡中，必須保證必要的網絡服務不間斷，同時還要保證服務的質量，因此要加強對移動性的可擴展性和高效性進行管理。NGW的選擇在移動性管理過程中至關重要，切換管理的關鍵就是要選擇一個最佳的NGW設備。控制器能夠提供所有可用地信息，并且感知全網絡的運行狀態(tài)。在SDN上設置切換算法，通過計算后，就能及時做出相應的切換決策。此外，控制器向用戶提供接口，使用戶可以從所有候選者中選擇。但要注意的是在控制器切換算法的選取時，應盡量防止兵兵效應的產生，避免不必要地切換。最后在算法選擇時，應盡量選擇掉話率低、時延相對較小的算法，提高用戶體驗。

（2）資源發(fā)現(xiàn)和管理，由于業(yè)務需求量的快速發(fā)展，多種異構網絡已成為一種趨勢，而單一的網絡無法滿足用戶的需求，為用戶提供可靠的業(yè)務。這些網絡在鏈路、設備構造、協(xié)議實現(xiàn)上都有存在極大的差異，關鍵是都互不兼容。因此，NGW設備要及時收集當前網絡運行狀態(tài)的信息以及各個端口隊列的信息，并提供給SDN控制器，然后SDN再根據這些信息做出質量管理、節(jié)點接入控制決策以及移動性管理等指令?？刂破鳙@取相關網絡信息方式是通過北向接口周期性的詢問NGW來實現(xiàn)的。

（3）安全保障方面，首先為了提供安全可靠的服務，必須使用加密技術，如機密性、相互驗證和完整性。而在選擇加密算法時，還要充分考慮加密算法的抵抗攻擊的能力和效率等。本文中的架構，使用基于標識的密碼體系（IBC）[3]，因為IBC是在傳統(tǒng)的PKI基礎上演化而來的，特別適合要求高效并且簡單的SDN管理域。因為IBC技術在應用中，不需要使用許多交換數(shù)字證書，這樣安全應用就易于部署。IBC技術采用非對稱密碼體系，將每個人的公鑰作為身份標識，在加密和解密時，采用兩套不同的密鑰。

（4）容錯，在數(shù)據平面，容錯的目標是檢測整個鏈路的失敗并使用回復措施。容錯的實現(xiàn)就是在集中式控制的SDN控制器中存有一個專門用于轉發(fā)路徑的數(shù)據庫，一旦有節(jié)點轉發(fā)失敗時，就能夠根據控制器通過對轉發(fā)設備獲取的信息進行分析而及時的設置重定向。最后就是在設置服務器時要注意必須有一個主服務器和若干個從服務器，防止主服務器連接斷開時，從服務器還可以繼續(xù)工作，從而保證服務的提供無間斷。

（5）負載平衡，在保證網絡的性能時，負載平衡技術是十分重要的。在本文的架構中，SDN集中控制器能實時感知全網的負載情況，并且還可以部署負載平衡算法，動態(tài)調整網絡的負載，使網絡的性能達到最優(yōu)。

4 結束語

隨著用戶需求的迅速增長和不斷改變，目前關于異構網絡的切換技術還不是特別成熟，這需要我們的研究者們進一步對該項技術進行完善和研究。此外，網絡的發(fā)展的結果就是產生龐大的網絡系統(tǒng)，這也給異構網絡的切換技術帶來了不少的挑戰(zhàn)，尤其在資源的調度、新切換策略的部署等方面。而本文中SDN技術在異構網絡上的應用為切換技術面臨的眾多挑戰(zhàn)，提供了一種切實可行的方法。

[1]殷旗.軟件定義網絡SDN進入智能寬帶接入網[J].消費電子，2014（22）.

[2]張青峰，李士寧，李君偉.基于MIH的異構網絡垂直切換技術研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（4）：148～152.

[3]顏世佳，劉曉潔.基于身份密碼體制的電子招投標方案[J].計算機工程，2011，37（19）：114～116.

TN929.5

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1004-7344（2016）13-0285-02

2016-4-2

代文軍（1979-），男，工程師，碩士，主要從事傳輸網絡咨詢規(guī)劃工作。