耿 晴,張 莉
(1.湖北省測(cè)繪成果檔案館,湖北 武漢430074)
面向時(shí)空信息數(shù)據(jù)中心的SDN特征研究
耿 晴1,張 莉1
(1.湖北省測(cè)繪成果檔案館,湖北 武漢430074)
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software defined network,SDN)將網(wǎng)絡(luò)的控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面解耦。面向云計(jì)算的GIS服務(wù)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向,將SDN運(yùn)用于GIS云,能有效提高服務(wù)效率和質(zhì)量。針對(duì)基于云計(jì)算的GIS系統(tǒng)GISCloud,提出在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中引入SDN,設(shè)計(jì)了四層SDN架構(gòu),實(shí)現(xiàn)控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面的分離;設(shè)計(jì)了面向GIS的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化方法,提高網(wǎng)絡(luò)效率;設(shè)計(jì)了SDN對(duì)GISCloud的虛擬化支持,滿足定制化的服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)SDN在面向時(shí)空信息數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用和發(fā)展。
軟件定義網(wǎng)絡(luò);地理信息系統(tǒng);云計(jì)算;數(shù)據(jù)中心
地理信息系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)是不同形式的地理空間數(shù)據(jù)[1]。隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展,GIS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用深度都在不斷擴(kuò)展。云計(jì)算技術(shù)為GIS提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)訪問和計(jì)算服務(wù)的解決方案,而面向智能移動(dòng)終端的GIS服務(wù)則提供了更為靈活的GIS定制化服務(wù)[2,3]。在大規(guī)模甚至超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與資源利用中,需要更為強(qiáng)大的資源整合能力。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)是將網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離,構(gòu)建邏輯集中的控制平面,從而為控制與應(yīng)用提供可編程接口[4,5]。已有研究表明,SDN作為一種新穎的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、可管理性和高效率具有重要的作用[6]。本文以地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心為基本對(duì)象,進(jìn)行軟件定義網(wǎng)絡(luò)特征的研究,提出構(gòu)建面向時(shí)空信息數(shù)據(jù)中心開發(fā)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的方法。
隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起與發(fā)展,以大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、虛擬化和面向服務(wù)的計(jì)算為支撐,形成新的計(jì)算模式,并構(gòu)建出數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心通過集群系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲(chǔ)功能的分離,并通過網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的協(xié)調(diào);這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制提出了新的要求,即網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)提供更為靈活的功能,實(shí)現(xiàn)開放的接口,能夠以模塊化的形式提供定制性和可擴(kuò)展性。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)中的路由控制集成在一起,構(gòu)成耦合的網(wǎng)絡(luò)控制方式。云計(jì)算環(huán)境下轉(zhuǎn)發(fā)與控制的緊耦合使得數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建受到多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響,增加了構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的難度。SDN就是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制問題所提出的一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[7]。SDN將網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離,并提供可編程的接口以及更為靈活高效的網(wǎng)絡(luò)控制方式。
數(shù)據(jù)中心集中了大量的硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)資源,需要進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控和管理,同時(shí)也為應(yīng)用提供良好的支撐。SDN將網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離開來(lái),構(gòu)建出應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)的三層分離式結(jié)構(gòu),同時(shí)提供了良好的編程接口。其主要特點(diǎn)如下:
1)轉(zhuǎn)發(fā)與控制的分離。同樣的物理網(wǎng)絡(luò)上仍然存在轉(zhuǎn)發(fā)和控制,但數(shù)據(jù)面和控制面在邏輯上分離,通過不同的協(xié)議來(lái)進(jìn)行具體信息的承載。控制面可通過軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),部署后達(dá)到集中控制和管理的目標(biāo);數(shù)據(jù)面中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備只完成轉(zhuǎn)發(fā)功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的抽象,使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與具體的硬件實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)。
2)集中控制。控制面從邏輯上集中了對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的控制,具有整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的視圖,通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備和狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理。通過集中控制從全局的角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的管理,實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)。
3)可編程接口。SDN提供了良好的可編程接口,可以在控制面的支撐下,以軟件的方式實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)功能,不關(guān)注底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)問題。開發(fā)人員可以利用可編程接口編寫和實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,包括防火墻和路由協(xié)議等。
通過SDN所提供的支持,數(shù)據(jù)中心將能夠解決其基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施管理的效率問題,為虛擬化提供更為廣闊的范圍,并提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。
GISCloud是以云計(jì)算為基礎(chǔ)模型的GIS系統(tǒng)[2],根本目標(biāo)是以GIS服務(wù)為中心,以“云”的方式將地理空間數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、訪問和應(yīng)用等關(guān)鍵內(nèi)容組織起來(lái),以虛擬化來(lái)構(gòu)建面向用戶的服務(wù)。“主網(wǎng)+子網(wǎng)”的形式構(gòu)成了GISCloud的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8],通過區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)支撐;通過虛擬抽象層屏蔽底層的細(xì)節(jié);通過核心系統(tǒng)層來(lái)提供系統(tǒng)級(jí)別的服務(wù);通過支撐層來(lái)提供基本的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯支持;通過服務(wù)層面向用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定制化處理并提供良好的交互,以協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性并提供高效率的GIS服務(wù)。
3.1 面向GIS的SDN架構(gòu)
GISCloud網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的分布式計(jì)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器之間需要協(xié)同工作來(lái)完成計(jì)算任務(wù),“東西向”的數(shù)據(jù)流模式越發(fā)突出,需要進(jìn)行“東西向”的數(shù)據(jù)調(diào)度。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制屬于緊耦合,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)路徑的有效管理,降低了網(wǎng)絡(luò)的效率,浪費(fèi)了大量的帶寬,也降低了數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)服務(wù)能力。GISCloud采用SDN來(lái)作為基礎(chǔ)支撐,從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制層面為流量?jī)?yōu)化、網(wǎng)絡(luò)管理和虛擬化提供支持。
GISCloud中的SDN架構(gòu)如圖1所示,分為4層。第1層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層,建立在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之上,所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由本層來(lái)實(shí)現(xiàn)。第2層為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來(lái)建立統(tǒng)一的全局網(wǎng)絡(luò)視圖。第3層是虛擬化,使網(wǎng)絡(luò)資源在邏輯上成為可分割的對(duì)象,并能夠?qū)ξ锢砭W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)按需的邏輯網(wǎng)絡(luò)切分,建立抽象的網(wǎng)絡(luò)視圖。第4層是控制程序,此時(shí),控制程序與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)已完全分離開,可根據(jù)管理需要來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同功能的控制程序。SDN可以實(shí)現(xiàn)GISCloud不同方向上的數(shù)據(jù)流向,即“南北向”和“東西向”。通過南向接口,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)器之間東西向的數(shù)據(jù)流向;通過北向接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的編程,構(gòu)建出多種功能的控制程序。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制的分離,通過控制面對(duì)數(shù)據(jù)流向進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在服務(wù)器之間的高效流轉(zhuǎn),即東西向的數(shù)據(jù)流。
圖1 GISCloud的SDN架構(gòu)
3.2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化
SDN中控制面與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間采用的是OpenFlow協(xié)議。當(dāng)更多的網(wǎng)絡(luò)功能被加入到OpenFlow協(xié)議當(dāng)中后,協(xié)議變得越來(lái)越復(fù)雜,又增加了網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜度,因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化,提高效率。
首先根據(jù)地理空間信息數(shù)據(jù)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。GISCloud的網(wǎng)絡(luò)由主網(wǎng)和子網(wǎng)構(gòu)成,子網(wǎng)還可以進(jìn)行擴(kuò)展。子網(wǎng)內(nèi)的GIS數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)特征進(jìn)行聚集和分類,能夠以更高的效率進(jìn)行存儲(chǔ),構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分布;在主網(wǎng)上通過SDN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的東西向流動(dòng),以提高網(wǎng)絡(luò)性能。其次是以數(shù)據(jù)流量為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化。在網(wǎng)絡(luò)中既存在大量數(shù)據(jù)量較少的數(shù)據(jù)流,也存在數(shù)量較大的數(shù)據(jù)流。前者的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包較少,數(shù)據(jù)流到達(dá)和離開速度都很快。在現(xiàn)有協(xié)議條件下對(duì)每個(gè)這樣的數(shù)據(jù)流去進(jìn)行復(fù)雜的控制決策處理,會(huì)產(chǎn)生很大的延遲和處理開銷。因此,將二者分開??刂泼鏋榇髷?shù)據(jù)量數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)量小而頻發(fā)的數(shù)據(jù)流建立優(yōu)化的路由轉(zhuǎn)發(fā)和控制策略;對(duì)于偶發(fā)的數(shù)據(jù)量少的數(shù)據(jù)流,不采用OpenFlow協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā),不進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)和控制策略的制定,以此減少控制面需要完成的工作,提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率。
3.3 面向多用戶的虛擬化
通過SDN為GISCloud提供專門的虛擬化。通過虛擬化,GISCloud的物理設(shè)備被轉(zhuǎn)化為可用的資源池,GISCloud的主網(wǎng)可以從邏輯上來(lái)進(jìn)行使用,子網(wǎng)本身也可以按照業(yè)務(wù)邏輯來(lái)進(jìn)行切分。在使用時(shí),由控制面進(jìn)行統(tǒng)一的分配。虛擬化之后所形成的服務(wù)器、存儲(chǔ)和其他資源之間形成了隔離,并可以使用定制化的控制程序來(lái)進(jìn)行管理。GISCloud可以為用戶建立起虛擬網(wǎng)絡(luò)并提供其上的各種虛擬資源。用戶與用戶之間不產(chǎn)生干擾,具有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址,并可以采用各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。通過SDN的可編程特性,控制面可以定制實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用戶的使用情況的跟蹤;在底層進(jìn)行流量的控制,從而實(shí)現(xiàn)資源的安全使用和高效使用。
測(cè)繪成果共享交換系統(tǒng)是以測(cè)繪成果為基礎(chǔ),通過相應(yīng)的基本支撐環(huán)境,來(lái)提供各類地理空間信息資源的管理與應(yīng)用服務(wù),框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。運(yùn)行支撐層是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保障,主要包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、運(yùn)行環(huán)境、安全體系等。數(shù)據(jù)層由系列地理空間信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)組成。系統(tǒng)層由平臺(tái)匯展系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)與目錄服務(wù)系統(tǒng)、相關(guān)管理和維護(hù)系統(tǒng)等組成。服務(wù)層由系統(tǒng)提供的各類業(yè)務(wù)功能接口和數(shù)據(jù)接口組成。門戶網(wǎng)站是地理空間信息資源的政府門戶網(wǎng)站,是用戶登錄平臺(tái)、訪問數(shù)據(jù)和調(diào)用功能的入口,通過調(diào)用服務(wù)層提供的接口和服務(wù)實(shí)現(xiàn)。
圖2 測(cè)繪成果共享交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架
為滿足海量地理信息數(shù)據(jù)的分享,必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的有效管理。在測(cè)繪成果共享交換系統(tǒng)中,存在3個(gè)數(shù)據(jù)流程:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程、產(chǎn)品數(shù)據(jù)生產(chǎn)管理流程、數(shù)據(jù)共享交換流程。除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程中的數(shù)據(jù)源外,其底層數(shù)據(jù)均通過SDN進(jìn)行管理,該基本架構(gòu)如圖3所示。通過GISCloud SDN的數(shù)據(jù)控制與轉(zhuǎn)發(fā)管理,使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)資源的分割實(shí)現(xiàn)有效的控制。從數(shù)據(jù)訪問的角度來(lái)看,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)控制,同時(shí)為不同的服務(wù)層次構(gòu)建出不同功能的控制程序,從而實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)訪問與安全支持。
圖3 基于SDN的系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理
在GISCloud中 引 入SDN, 設(shè) 計(jì) 了4層 的GISCloud SDN架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面的分離;通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及其支撐協(xié)議的優(yōu)化,提高網(wǎng)絡(luò)的性能,并為虛擬化提供良好的支持。SDN技術(shù)提高了數(shù)據(jù)中心的靈活性,降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)的成本,實(shí)現(xiàn)了新業(yè)務(wù)的快速部署,提升了數(shù)據(jù)中心的服務(wù)能力。GISCloud中的SDN設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)繪成果共享交換系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的整體性能。
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(本刊編輯部)
P208
B
1672-4623(2016)04-0007-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.003
耿晴,高級(jí)工程師,主要從事測(cè)繪地理信息技術(shù),測(cè)繪資料檔案管理、信息 化服務(wù)等相關(guān)方面的工作和研究。
2015-03-03。