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。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)概述

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。

2 SDN的特點(diǎn)

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。

3 面向GISCloud的SDN

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。

4 基于SDN的測(cè)繪成果共享系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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

5 結(jié) 語(yǔ)

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。