董希杰++尚智婕++李雨泰

摘 要：軟件定義網(wǎng)絡是一種新型化的網(wǎng)絡架構(gòu)形式，是促成網(wǎng)絡實現(xiàn)自動化部署安排的重要手段。對軟件定義網(wǎng)絡技術(shù)的應用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)與控制平面的分隔，進而達到對網(wǎng)絡流量的精準化控制。文章在軟件定義網(wǎng)絡架構(gòu)的基礎上對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由算法展開具體分析，以期能夠通過更低的網(wǎng)絡成本與最短安全路徑來實現(xiàn)對網(wǎng)絡路由效率與資源的充分應用。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡架構(gòu)；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡；路由算法

隨著當前網(wǎng)絡信息技術(shù)的快速化發(fā)展，網(wǎng)絡架構(gòu)形式也愈發(fā)趨向于復雜化。為了能夠積極適應新型網(wǎng)絡技術(shù)與架構(gòu)研究所提出的新要求，滿足更加多樣化、個性化的業(yè)務需求，軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）技術(shù)也隨之產(chǎn)生[1]。通過對于此項技術(shù)的應用能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層的分離，使之達到更加靈活化的資源調(diào)度，并可減小網(wǎng)絡管理及運維成本，現(xiàn)已成為網(wǎng)絡研究的一項主要課題內(nèi)容。對此，就針對基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由算法需求展開相關(guān)的研究工作有著一定的現(xiàn)實意義。

1 SDN概述

SND是基于Emulex網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)基礎之上所發(fā)展衍生出的一種新型化網(wǎng)絡架構(gòu)形式，是實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化最為重要的手段之一[2]，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)手段OpenFlow主要是借助于對網(wǎng)絡設備數(shù)據(jù)面與控制面的互相分隔，來達到對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量的精準化控制，從而促使網(wǎng)絡作為一種通信管道達到更高的智能化程度[3-4]。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲十分復雜，單個網(wǎng)絡系統(tǒng)常常會同時包括有多項子網(wǎng)系統(tǒng)，并且每一個子網(wǎng)還存在著多項數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設備，例如較為常見的路由器、交換機等，對于個人用戶而言均要途經(jīng)最少一條數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)途徑才能夠?qū)崿F(xiàn)對目標主機的訪問。為了防范木馬病毒、黑客攻擊等意外情況的影響，用戶還需借助于一些安全服務來保證所獲取的數(shù)據(jù)信息不會受到安全威脅。針對用戶個體的網(wǎng)絡應用途徑與范圍不同，相應其所需要的安全服務也將有所差異，如果每一名用戶都要配備安全設施，所需應用到的網(wǎng)絡資源將成倍增加，而且很大一部分網(wǎng)絡資源也無法發(fā)揮出應有的作用價值而被無端浪費。為了能夠切實提升對設備資源的利用率，便可應用虛擬化網(wǎng)絡功能技術(shù)，來把預先安裝于子網(wǎng)內(nèi)的安全設備抑或是中間件盒子來合并成為安全資源中心，應用SDN技術(shù)來實現(xiàn)對安全資源中心的管理與控制，合理配置網(wǎng)絡資源，依據(jù)用戶的實際需求來選取調(diào)出相應的安全功能，以便為廣大用戶提供以更具針對性的安全服務。

2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由技術(shù)

多路徑數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡所必須要能夠滿足的要求，數(shù)據(jù)中信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的多樣化特征能夠給予鏈路多路徑輸送帶來更加便利性的條件，實施多路徑數(shù)據(jù)傳輸能夠有效減小丟包率，降低網(wǎng)絡服務延遲并促進網(wǎng)絡吞吐量的全面提升，以使得對網(wǎng)絡資源的利用率能夠達到更加合理化的程度。當前對于不同路徑流量分隔，提升網(wǎng)絡性能均已成為新路由研究的重點內(nèi)容，具體的研究內(nèi)容包括以下幾個方面。

2.1 單一靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)

依據(jù)源頭抑或是目的地址來把數(shù)據(jù)流映射于固定化的鏈路之上，單一靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)方式可以更為簡便、高效化地實現(xiàn)網(wǎng)絡流處置，然而卻不能從根本上保證每一鏈路間的流量均等，而且也無法依據(jù)網(wǎng)絡內(nèi)各主機交互的頻繁性與鏈路承載能力來針對路由路徑制定動態(tài)化的調(diào)整策略，并以此來適應于網(wǎng)絡流量及鏈路變化[5]。

2.2 隨機等價分發(fā)

隨機等價分發(fā)（Equal Cost Mutipath，ECMP）算法是利用隨機等價的形式對于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)內(nèi)的流量進行分發(fā)，可依據(jù)網(wǎng)絡之中的流關(guān)鍵字來將不同的流配置于多條路徑之上，隨機等價分發(fā)最為突出的一項特征即為基于各條鏈路價值完全相同的基礎上來確保多路徑的負載均衡和流量備份目的，隨機等級分發(fā)路由的一個重要基礎便是假定每一條鏈路在帶寬和輸送能力上均完全一致。然而在網(wǎng)絡系統(tǒng)的實際運行過程中數(shù)據(jù)中心當中所接入的每一條鏈路其帶寬、延時、穩(wěn)定性均有明顯差異，一旦各路徑間的差異較為明顯之時，再采用隨機等級分發(fā)便很難獲得較為滿意的效果。

2.3 智能啟發(fā)算法

這一算法形式是處理服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）路由問題最常用到的一種算法形式，其中主要就包括了較為常見的蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法等，通過對智能啟發(fā)算法的應用可以十分有效地實現(xiàn)對網(wǎng)絡性能的優(yōu)化改進。例如研究人員在流量工程內(nèi)采用了蟻群算法來進行路由優(yōu)化改進，將路由器內(nèi)緩沖隊列的利用率作為接電選擇標準，鏈路利用率可充當蟻群算法當中全局更新信息素，選取多條鏈路來開展數(shù)據(jù)輸送。盡管智能啟發(fā)式算法可以對與整體網(wǎng)絡性能起到十分顯著的改進、優(yōu)化效果，然而每一種算法間還存在著十分明顯的缺陷性，例如遺傳算法編碼及解碼均十分繁復，進行計算處理所耗費的時間相對較常，而模擬退火算法則會對于原始參數(shù)信息產(chǎn)生出更加明顯依賴性，路徑搜尋效率極為低下。對于算法內(nèi)目標函數(shù)的創(chuàng)建和算法迭代次數(shù)的設定是未來在啟發(fā)式算法研究領(lǐng)域內(nèi)的一個主要研究方向。

3 基于SDN的數(shù)據(jù)中心路由算法

3.1 QoS路由機制

3.1.1 路由模型

隨著當前網(wǎng)絡技術(shù)的高速化發(fā)展，網(wǎng)絡業(yè)務對于傳輸延時、帶寬容量、吞吐量等也提出了更高的要求，由此也便需要網(wǎng)絡能夠提供QoS保障。為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)形式所存在著的缺陷問題，研究人員提出了IntServ與DiffServ兩種QoS網(wǎng)絡架構(gòu)，但是因為原有缺陷仍然存在，其均無法得到大規(guī)模的推廣普及。InServ可借助于資源預留來提供以端與端之間的連接QoS保障，系統(tǒng)在發(fā)出請求信息后經(jīng)由傳統(tǒng)的路由協(xié)議來發(fā)送至最短路徑之上，若此路徑已嚴重阻塞，則請求將會返回，所要到達的目的地一致，其余路徑依然具備充足帶寬資源。DiffServ所采用的方法有所不同，其并非為所有流均預先留置資源，DiffServ是基于網(wǎng)絡入口位置標識出數(shù)據(jù)包，同時對其開展有限分類，盡管采取此種方案相較于InServ在拓展性上有所加強，然而其結(jié)構(gòu)內(nèi)網(wǎng)絡和端系統(tǒng)并不具備信令通信，既能夠做到對性能的保障，無法對端到端做出QoS保證。endprint

綜上，在本次研究中將通過對IntServ與DiffServ的合并應用來實現(xiàn)對端到端的QoS保證。在整個SND架構(gòu)體系內(nèi)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)與控制兩平面的分隔，轉(zhuǎn)發(fā)平面僅完成數(shù)據(jù)包互換，以及針對各項和QoS有關(guān)的數(shù)據(jù)包處置。

3.1.2 約束條件

考慮到本次研究所針對的是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，從絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡方面來看，網(wǎng)絡流將會體現(xiàn)出十分顯著的大象流與老鼠流特征，若流較小則會對延時性有著更高的要求，而對帶寬要求則相對較低；大象流則需時常進行大規(guī)模數(shù)據(jù)信息的傳輸，對于延時性的要求相對較低，然而在帶寬要求上則相對更高，一旦不能夠達到帶寬要求時便會造成延時增多，諸如備份與后置操作，從這一方面來思考，本文將對QoS的約束條件主要從延時和帶寬兩個方面來展開分析。依據(jù)路由過程之內(nèi)網(wǎng)絡當中有可能會發(fā)生的阻塞情況，需針對后續(xù)新流實施調(diào)度處置，以免擴大目前鏈路的阻塞。

可選用圖論形式來表述網(wǎng)絡節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡加權(quán)可表述為：G（V，E）。

在此之中V={v1，v2，…，vn}表示網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點集合，E={e1，e2，…，en}表示網(wǎng)絡當中的鏈路集合。

多路徑路由問題即為在G當中找出不少于一條發(fā)源于源點，直至目的地節(jié)點d的最短路徑。路徑p即為符合以上條件當中的一條路徑，其中主要就包括了所有參與路徑傳輸?shù)慕粨Q機節(jié)點，對于網(wǎng)絡加權(quán)圖G設置標記變量λij，相應的若λij={1，0}，那么λij=1則代表鏈路ij位于路徑P之上。λij=0代表鏈路ij位于路徑P之外。

3.2 QoS路由算法

3.2.1 流量監(jiān)控模塊

此模塊采用Flow_request向交換機發(fā)出流量請求信息，交換機在接收到信息以后回復信息，控制器解析以后便可獲得交換機的端口信息，并且在模塊內(nèi)定義Storage，以用作對所獲得的交換機信息進行存儲，且為之后的路由計算模塊及阻塞調(diào)度模塊應用提供便利。還需注意的是，控制器和交換機的交互行為過于頻繁會導致通信壓力驟增，但若交互間隔時間過長又難以體現(xiàn)端口的流量變化情況。因此，根據(jù)實際測算，將時間間隔確定為5秒較為合理。

3.2.2 路由計算模塊

依據(jù)現(xiàn)已掌握的昂羅拓撲結(jié)構(gòu)與鏈路負載信息應用多約束QoS路由算法來求出符合于約束條件的最短路徑，而后再調(diào)取應用pushRoute方式來發(fā)出Flow-mod消息并對交換機發(fā)送流表，并同時使流表被裝設于各交換機匹配規(guī)則當中，以完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能[6]。

路由計算模塊主要方法包括：（1）Protected與QoSpath Routing，其參數(shù)為簇、源、目的和延時約束，返回類型為QoSpath，計算符合于QoS約束條件的所有路徑；（2）protect rpule getRoutes，其參數(shù)為源ID以及目的ID號，返回值為route，返回制定節(jié)點的相對路徑；（3）protected與QosPath delayADB，其參數(shù)與Routing方法總的參數(shù)基本一致，主要區(qū)別是帶寬約束條件不同，這一方法可被Routing調(diào)用，以實現(xiàn)對兩個約束條件的路徑計算。

4 結(jié)語

總而言之，基于SDN架構(gòu)之下的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由算法，可以在極度復雜的網(wǎng)絡模型、安全設備綜合化布置情形下來獲得個性化的安全服務支持，能創(chuàng)建出一種經(jīng)過優(yōu)化處理后的安全設備路由算法，在全面提升設備應用率基礎上降低對有限網(wǎng)絡資源的占用率[7]。網(wǎng)絡功能虛擬化程度的不斷加劇使得路由管理所面臨著的復雜性大大加劇，未經(jīng)過優(yōu)化改進的路由算法，必將會對其未來的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。而通過將SDN技術(shù)運用到網(wǎng)絡設備管理及路由優(yōu)化方面，必將會成為未來網(wǎng)絡技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)的一項重點內(nèi)容。

[參考文獻]

[1]楊洋，楊家海，溫皓森，等.基于SDN流量測量的數(shù)據(jù)中心多路徑傳輸研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016（11）：53-58.

[2]孫三山，汪帥，樊自甫，等.軟件定義網(wǎng)絡架構(gòu)下基于流調(diào)度代價的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡擁塞控制路由算法[J].計算機應用，2016（7）：1784-1788.

[3]吳舜，邢寧哲，張輝，等.基于OpenFlow的數(shù)據(jù)中心名址分離及其路由算法研究[C].北京：中國電機工程學會電力通信專業(yè)委員會第十屆學術(shù)年會論文集，2015.

[4]董宏成，鄭飛毅.基于OpenFlow的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡負載均衡算法[J].電子技術(shù)應用，2016（5）：120-123.

[5]王昌平，蔡岳平.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡流量分類路由機制研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2016（11）：2488-2492.

[6]王冰，趙書宜，張丹，等.基于Qos的SDN數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡控制架構(gòu)的研究和分析[J].信息通信，2016（2）：32-33.

[7]賴香武，彭大芹，黃德玲，等.基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由算法研究[J].無線互聯(lián)科技，2016（24）：38-40.endprint