李睿

摘要：SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，OpenFlow是SDN協(xié)議之一，它能夠?qū)⒙酚煽刂坪蛿?shù)據(jù)傳輸進(jìn)行分離，進(jìn)而有效解決因為網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜問題導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備癱瘓問題，進(jìn)而提升設(shè)備的性能?；贠penFlow的終端系統(tǒng)，能實現(xiàn)終端的可編程性，有效對系統(tǒng)連接進(jìn)行管理。就此，文章對基于OpenFlow的可編程終端設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：OpenFlow；可編程終端；終端設(shè)計；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0100-02

骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，接入網(wǎng)技術(shù)也高速的發(fā)展，目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等，多種不同網(wǎng)絡(luò)同時存在增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而傳統(tǒng)終端通常是單一主機(jī)、單一網(wǎng)絡(luò)接口、單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣往往不能滿足大數(shù)據(jù)時代多種類業(yè)務(wù)對時延、帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能的要求，它更不能靈活的根據(jù)用戶需求接入網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)技術(shù)和智能終端技術(shù)都在不斷更新發(fā)展，可以實現(xiàn)利用不同的網(wǎng)絡(luò)接口接入不同類型網(wǎng)絡(luò)，同時建立多條不同類型鏈接，為用戶提供高可用、可擴(kuò)展優(yōu)質(zhì)服務(wù)。SDN技術(shù)的出現(xiàn)，它將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，能夠?qū)崿F(xiàn)對接口的有效管理，減少一些操作上的限制。OpenFlow協(xié)議是實現(xiàn)上述功能協(xié)議之一，因OpenFlow協(xié)議靈活、兼容性高，基于OpenFlow設(shè)計實現(xiàn)的終端，能對不同類型的接口進(jìn)行控制，通過編程對用戶的不同業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分類管理，能有效控制網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1 原理與問題分析

1.1 Open Flow技術(shù)

1.1.1 OpenFlow技術(shù)概述

SDN技術(shù)起源于斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)聯(lián)盟，是為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)問題提出的一種新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和模型，是未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢，也是一種非常重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，而OpenFlow是SND技術(shù)協(xié)議之一。剛開始是這的情況，研究人員為了解決服務(wù)器直接訪問交換機(jī)數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)表，將以太網(wǎng)交換機(jī)作為定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用到大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實驗中，它只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)功能，至于怎么轉(zhuǎn)發(fā)則由服務(wù)器來控制。這種模式能有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)暴露的問題，后來OpenFlow協(xié)議被有計劃地開發(fā)，最終形成一種開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。OpenFlow是SDN控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一，經(jīng)過有關(guān)人員的不斷研究和推廣，在現(xiàn)階段形成使用最為廣泛的SDN南向接口?；贠penFlow協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由交換機(jī)和控制器兩部分組成。交換機(jī)和控制器基于OpenFlow協(xié)議協(xié)同工作，共同完成對網(wǎng)絡(luò)報文的控制與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面和路由控制層面之間的分離。其中，OpenFlow交換機(jī)就是一個執(zhí)行者，主要聽命于控制器，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)，它分為三個部分，分別是流表、安全通道和協(xié)議。數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則構(gòu)成了流表項，多個流表項構(gòu)成流表，流表交由交換機(jī)的處理單元處理，其中轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則通常由匹配字段、計數(shù)器和操作來描述。

現(xiàn)階段，OpenFlow交換機(jī)通?；贚inux系統(tǒng)來部署，它分為基于用戶空間的版本系統(tǒng)和基于內(nèi)核空間的版本系統(tǒng)兩種，第一種部署方式容易操作、修改也簡單，但是自身性能不高；第二種部署方式速度快、易于虛擬化，但是操作和修改較之第一種更為復(fù)雜。因而有關(guān)人員結(jié)合這兩種版本的優(yōu)點推出了一種OpenFlow技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)硬件交換機(jī)。在這種交換機(jī)中，控制器向交換機(jī)發(fā)送控制命令，交換機(jī)接收命令并實現(xiàn)具體操作。控制器基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D運(yùn)作，實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，通過OpenFlow操作交換機(jī)流表，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的有效管控。OpenFlow控制器最典型的架構(gòu)是NOX，它由 C++ 和 python 語言實現(xiàn)，提供了一套標(biāo)準(zhǔn)接口，通過編程調(diào)用接口就能有效控制和調(diào)用組件。文章基于NOX控制器來進(jìn)行分析和探究對可編程終端的實現(xiàn)以及連接管理。

1.1.2 OpenFlow技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

首先，OpenFlow 技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制進(jìn)行分離，提升了交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的速度和效率，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。另外，在成本使用上，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有虛擬網(wǎng)絡(luò)管理功能，在很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和運(yùn)維費(fèi)用。其次，OpenFlow 技術(shù)具有應(yīng)用和測試功能。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)管理員可以根據(jù)OpenFlow軟件在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中增加新的功能，將這些功能實現(xiàn)在多平臺的同時運(yùn)作。另外，OpenFlow提供了一套開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)接口，為了發(fā)揮新系統(tǒng)的交換功能，研究人員能夠根據(jù)自己的需要調(diào)用API，添加一些具有新功能的控制軟件。再次，OpenFlow能夠?qū)?shù)據(jù)和系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。OpenFlow控制器實際上是整個網(wǎng)絡(luò)的中央控制器，它知曉整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行視圖，能精準(zhǔn)的對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，能有效保障網(wǎng)絡(luò)安全性。管理員在集中控制器下能夠?qū)θW(wǎng)的信息進(jìn)行把握和掌控，進(jìn)而對網(wǎng)絡(luò)入侵的問題有效識別。最后，OpenFlow能夠?qū)崿F(xiàn)云計算。OpenFlow交換機(jī)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和計算資源進(jìn)行有效的控制，實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的整理和優(yōu)化，充分提升數(shù)據(jù)的交換速度。

1.2 多接口終端問題分析

當(dāng)一個終端擁有多個接口，同時連接多種類型的網(wǎng)絡(luò)后，一般會產(chǎn)生以下幾個的問題：

1.2.1 關(guān)于終端可編程性的使用問題

終端系統(tǒng)通常由CPU、內(nèi)存、存儲單元、輸入輸出單元構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)固定，如果要操作其中一個鏈接、或者刪除一個鏈接、或者增加一個鏈接，都需要對其內(nèi)核的驅(qū)動進(jìn)行修改，通常修改內(nèi)核都是非常復(fù)雜和困難的。在有業(yè)務(wù)需求的情況下，如何以一種模塊化的形式來管理連接，需要有關(guān)人員進(jìn)行研究和思考。

1.2.2 關(guān)于終端多個接口并行傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)問題

可編程終端設(shè)計操作系統(tǒng)不具有對各個接口建立相關(guān)連接的管理功能和業(yè)務(wù)傳輸能力，接入網(wǎng)絡(luò)的每一個終端接口都需要對應(yīng)的IP地址。由于每一個接口對于應(yīng)用層的進(jìn)程來說都是平等的，因此應(yīng)用層進(jìn)程就不知道應(yīng)該選那一個接口來建立通信，只能隨機(jī)選擇一個接口，這樣會大大降低管理效率。

1.2.3 關(guān)于不同業(yè)務(wù)如何在多條連接上進(jìn)行分配的問題

可編程終端設(shè)計操作系統(tǒng)涉及的業(yè)務(wù)種類眾多，包括HTTP、FTP等，在多種連接的使用下，這些業(yè)務(wù)之間的分配如何實現(xiàn)傳輸?shù)膬?yōu)化和分配的優(yōu)化還有待人們的思考和研究。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 整體設(shè)計

在終端系統(tǒng)中引入OpenFlow技術(shù)就能有效解決可編程終端的鏈接問題，基于這一思想理論，通過對終端系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行修改，嵌入OpenFlow技術(shù)，同時兼容目前廣泛運(yùn)行的TCP/IP協(xié)議，最終實現(xiàn)終端系統(tǒng)可編程控制網(wǎng)絡(luò)?？梢詫penFlow設(shè)計為一個插件，能靈活的安裝到終端系統(tǒng)上，這樣便于終端系統(tǒng)升級。[1]同時，通過虛擬交換器和虛擬接口的配置，能夠在現(xiàn)有的連接管理控制程序運(yùn)作下，實現(xiàn)對終端多條連接的管控。

2.1.1 控制層

控制層的主要功能是向轉(zhuǎn)發(fā)層下發(fā)控制策略，其使用的主要方法是增加、修改和刪除流表，通過對流表的處理來實現(xiàn)具體的控制策略，處理完成后才下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)層。那么控制策略是如何在控制層與傳輸層之間傳輸?shù)哪?？轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層的OpenvSwitch在Loopback口處會建立一條通道，通過該通道對OpenFlow的有關(guān)控制信息進(jìn)行傳輸。另外，轉(zhuǎn)發(fā)層OpenvSwitch上面有緩存，用于存儲來自控制器流表，流表由流表項構(gòu)成，流表項一般是根據(jù)控制層的策略進(jìn)行設(shè)定，上層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包能夠和流表項進(jìn)行匹配。

2.1.2 轉(zhuǎn)發(fā)層

轉(zhuǎn)發(fā)層主要是對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文的控制與轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)層由物接口和OpenvSwitch構(gòu)成。其中接口又分為物理接口和虛擬接口，物理接口主要是指終端的多個無線接口和有線接口，虛擬接口主要指由軟件虛擬出來的接口。OpenvSwitch是一種交換機(jī)控制軟件，能夠執(zhí)行每條流的動態(tài)傳輸過程進(jìn)行改變，并為OpenFlow提供接口，在控制層的作用下實現(xiàn)對控制器的集中管控。

2.2 可編程終端對多個接口連接管理設(shè)計

2.2.1 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控接口狀態(tài)，統(tǒng)計流表信息和流信息。通過監(jiān)測模塊實現(xiàn)對間隔時間段內(nèi)信息的靈活配置，符合系統(tǒng)設(shè)計的實時性需求。

2.2.2 分析模塊

分析模塊主要負(fù)責(zé)對監(jiān)控模塊采集到的信息進(jìn)行分析，比如接口帶寬、異常錯誤、延遲等進(jìn)行分析，它還包括對流表項的數(shù)量是否達(dá)到上限值進(jìn)行分析，對表的老化時間進(jìn)行正確處理，以及對業(yè)務(wù)的有關(guān)需求進(jìn)行分析。

2.2.3 決策模塊

根據(jù)分析模塊分析結(jié)果，通過一定的策略算法，以及當(dāng)前的連接狀態(tài)做出決策，決策的結(jié)果可以是對不同種類的業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，并在不同接口情況下進(jìn)行傳輸。

2.2.4 執(zhí)行模塊

數(shù)據(jù)包指定要從某連接進(jìn)行發(fā)出時，需要有關(guān)人員對數(shù)據(jù)包進(jìn)行翻譯處理。當(dāng)A和B進(jìn)行通信時，二者之間會形成多條連接，通過通信的建立來實現(xiàn)對連接的執(zhí)行。數(shù)據(jù)包在A從網(wǎng)絡(luò)棧經(jīng)過虛擬接口到達(dá)OpenvSwitch時，應(yīng)用的源地址是IP_a0，應(yīng)用的目的地址是IP_b0。在經(jīng)過接口發(fā)出時，源地址會被修改為接口對應(yīng)的地址，比如從port2出發(fā)，源地址就被改為IP_a2。[2]

3 測試與驗證

文章提到的基于 OpenFlow 的可編程終端設(shè)計與實現(xiàn)是在Linux上進(jìn)行的，并在多個有線接口的作用下進(jìn)行試驗?；诠δ軠y試的對象是針對中端，因此網(wǎng)路的設(shè)置一般采用簡單的一跳完成。兩個終端使用的操作系統(tǒng)均是配有三個有線接口的Linux系統(tǒng)，具體測試的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。[3]在試驗中分別對視頻流業(yè)務(wù)、FTP業(yè)務(wù)、HTTP訪問業(yè)務(wù)和PING業(yè)務(wù)進(jìn)行了測試，具體的連接管理策略為將視頻業(yè)務(wù)流由連接1進(jìn)行傳輸，將FTP業(yè)務(wù)流由連接2傳輸，將HTTP和PING由連接3進(jìn)行傳輸。CLient和Server的通信系統(tǒng)采用的是IP_a1和IP_b1，三個不同的接口對應(yīng)三種不同的IP地址，為了減少地址的數(shù)量，可以將一些配置默認(rèn)為相同，具體安排如表1所示，功能試驗如圖2所示。

4 結(jié)束語

新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生，尤其是OpenFlow技術(shù)的誕生，有效解決了網(wǎng)絡(luò)管控問題，特別是多接口終端網(wǎng)絡(luò)通信連接管控問題，通過嵌入OpenFlow插件，很方便的對多接口終端進(jìn)行升級，實現(xiàn)多接口終端的可編程性。這種終端特別適用于網(wǎng)絡(luò)資源類型多樣化的環(huán)境，能夠為接口的配置與調(diào)用帶來便利，同時也為開發(fā)具有多連接管理需求的控制軟件提供便利，能有效的為多種網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理的開發(fā)和利用。除此之外，可編程終端的設(shè)計與實現(xiàn)研究，為有關(guān)研究人員提供了開發(fā)平臺，并在對可編程終端拓展發(fā)展空間的同時，實現(xiàn)其與SDN網(wǎng)絡(luò)的融合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李文俊.基于OpenFlow的可編程終端設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2013（11）：27-30.

[2] 劉輝. OpenFlow無線路由器及組網(wǎng)技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[3] 代游. SDN控制架構(gòu)及應(yīng)用開發(fā)的研究和設(shè)計[D].杭州：浙江工商大學(xué)，2014.