李 艷， 林 娟， 王 娜

(福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程學(xué)院， 福建 福清 350300)

一種混合式SDN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾韰f(xié)議

李 艷， 林 娟， 王 娜*

(福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程學(xué)院， 福建 福清 350300)

研究了混合式SDN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾韰f(xié)議ARLP。ARLP可自動生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并下發(fā)路由信息。當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時，ARLP可自動檢測到并下發(fā)更新的路由信息。仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)可切換到更新后的路由上，ARLP可提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，保證數(shù)據(jù)無縫傳輸。

混合式SDN； ARLP； 拓?fù)涔芾恚?自動檢測

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的快速增長，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在可擴(kuò)展性、安全性、移動性、服務(wù)質(zhì)量等方面呈現(xiàn)出的問題愈加嚴(yán)重。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-defined Networking, SDN)技術(shù)[1]為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一種全新的解決方案。SDN技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，通過集中式的控制器以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理與配置，最終達(dá)到對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自由控制的目的[2]。

近年來，SDN技術(shù)已成為全球備受矚目的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一[3]。但由于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)或運營商并不愿意投資過大的預(yù)算重新建設(shè)大量的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，使得SDN的實際部署及應(yīng)用受到限制。因此，業(yè)界提出了一種新的解決方案，在保留大量的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上，通過增量SDN設(shè)備的方式取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的部分功能，即混合式SDN技術(shù)[4]。

1 SDN拓?fù)涔芾韰f(xié)議的研究現(xiàn)狀

Veriflow[5]是一種實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓募夹g(shù)。通過實時監(jiān)測到的拓?fù)渥兓闆r，可避免環(huán)路或路徑不通等情況的發(fā)生。此技術(shù)主要通過3個步驟來實現(xiàn):

1)將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個等價類集合(EC)，每個EC代表了具有相同轉(zhuǎn)發(fā)行為的網(wǎng)絡(luò)。

2)通過EC構(gòu)建出整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D。

3)根據(jù)拓?fù)鋱D設(shè)置每個轉(zhuǎn)發(fā)表。但Veriflow技術(shù)只適用于純SDN的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并不能用于混合式SDN網(wǎng)絡(luò)。

HSA[6]是一種幫助網(wǎng)絡(luò)管理員靜態(tài)地分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的技術(shù)。HSA利用多維幾何空間的方法對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。HSA將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的組,每個組由一系列主機(jī)、用戶及通信流所組成，不同組間的數(shù)據(jù)不可達(dá)。HSA可以監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路、設(shè)備間可達(dá)性等情況。但HSA不能處理混合式SDN中拓?fù)渥兓瘯r的網(wǎng)絡(luò)情況。

HybNET[7]是一種應(yīng)用于混合式SDN的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。HybNET利用虛擬化整網(wǎng)來對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中地管理和控制。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)管理和控制的任務(wù)，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。HybNET的最大缺點在于不能檢測到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?/p>

Telekinesis[8]是一種混合式SDN網(wǎng)絡(luò)中較有效的拓?fù)涔芾砑夹g(shù)。它提出了一種LegacyFlowMod的方法來控制傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由行為。Telekinesis允許由OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下發(fā)路由表。Telekinesis的最大缺點在于無法及時監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，且無法更新相應(yīng)的路由表項。

綜上所述，現(xiàn)有的拓?fù)涔芾韰f(xié)議無法在混合式SDN網(wǎng)絡(luò)中及時感知到拓?fù)涞淖兓瑥亩档土藬?shù)據(jù)通信的效率，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)被傳送到非法的網(wǎng)絡(luò)中，引發(fā)安全性問題。

2 一種新的拓?fù)涔芾韰f(xié)議ARLP

文中提出了一種新的拓?fù)涔芾韰f(xié)議，稱為自動路由學(xué)習(xí)協(xié)議(Automatic Routing Learning Protocol， ARLP)。目的在于實現(xiàn)如下目標(biāo)：

1)在混合式SDN網(wǎng)絡(luò)中自動學(xué)習(xí)到各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及接口情況，從而構(gòu)造出整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

2)可以及時檢測到拓?fù)涞淖兓闆r。

3)拓?fù)渥兓瘯r，可以及時更新并下發(fā)變更后的路由表項。

自動路由學(xué)習(xí)協(xié)議ARLP的方案詳細(xì)描述如下：

1)各節(jié)點(包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)周期性學(xué)習(xí)鄰居信息并廣播消息出去(消息包含序列號SN，鏈路代價Metric，源節(jié)點地址，鄰居節(jié)點地址等)。

2)中央控制器將接收到各節(jié)點及節(jié)點間鄰居關(guān)系信息。各節(jié)點構(gòu)成集合V，節(jié)點間鄰居關(guān)系及路徑代價構(gòu)成集合E。如節(jié)點V1(V1∈V)與節(jié)點V2(V2∈V)是鄰居且代價為Metric1，表示為(V1,V2,Metric1)∈E。

3)中央控制器將收集到的各節(jié)點信息使用拓?fù)鋱D生成算法。

計算出整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G。

拓?fù)鋱D生成算法如下:

輸入：V表示各個節(jié)點。E表示節(jié)點間關(guān)系信息。

輸出：

U={u0} (u0是中央控制器)

TE={ }//TE初始化為空集

while(U≠V∪{u0})

{

存在vk∈U，wk∈V-U，邊(vk, wk, Metirck)∈E

取得代價Metirc最小的邊MinCost(vi, wi, Metirci)∈E，

則U=wi∪U；TE=TE∪{(vi,wi,Metrici)}；E=E-{(vi,wi,Metrici)}

}

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG構(gòu)造完成

4)中央控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG生成各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的路由表項，并下發(fā)給各節(jié)點。

5)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r，必定存在新的V1≠V，E1≠E。中央控制器根據(jù)新的節(jié)點信息及鄰居信息計算出變化后的新拓?fù)鋱DG1={V1,E1}。

6)中央控制器根據(jù)新的拓?fù)鋱DG1生成各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的路由表項，并將更新后的路由表項下發(fā)給相應(yīng)節(jié)點。

圖1 混合式SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

以圖 1所示的混合式SDN網(wǎng)絡(luò)來說明ARLP 路由學(xué)習(xí)的實施過程：

1)各節(jié)點(R1～R8，F(xiàn)1～F2)周期性發(fā)布個人及鄰居信息，每發(fā)布一次消息，序列號SN加1。

2)節(jié)點收集到其它節(jié)點消息時，提取序列號SN及源節(jié)點信息保存在緩沖區(qū)內(nèi)，并將消息廣播出去。

3)節(jié)點收集到與緩沖區(qū)內(nèi)相同源節(jié)點但序列號SN相同或更小的消息時，丟棄。當(dāng)節(jié)點收集到相同源節(jié)點但SN更大的消息時，更新緩沖區(qū)，并將消息廣播出去。

4)中央控制器將收集到各節(jié)點信息及節(jié)點間鄰居信息。中央控制器根據(jù)消息中的序列號SN判斷是否為最新消息，序列號SN最大的為最新消息。

5)中央控制器使用文中拓?fù)鋱D生成算法，并計算出整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G,如圖2所示。

圖2 生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG

6)中央控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG生成各節(jié)點的路由表項，并下發(fā)給各節(jié)點。

7)節(jié)點的個人及鄰居信息發(fā)生變化時(如圖1中R2～R3，R3～R4鏈路斷開)，立即廣播消息出去。中央控制器將收集到最新的節(jié)點信息，并重新計算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG1,如圖3所示。

圖3 更新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG1

3 仿真與性能分析

文中采用Mininet2.1.0仿真器對Telekinesis、ARLP進(jìn)行實驗對比。在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)有20個傳統(tǒng)路由器，3個OpenFlow路由設(shè)備，100個主機(jī)，1個中央控制器，所有鏈路的帶寬為100 Mbps，源主機(jī)和目的主機(jī)都是隨機(jī)選取。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中收包率(Successful Packet Delivery ratio， SPD)會隨著負(fù)載的變化而發(fā)生相應(yīng)變化，如圖4所示。

圖4 速率變化時的收包率

隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的增加，收包率隨之減小，當(dāng)數(shù)據(jù)流接近吞吐量限值時，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包易沖突，路徑易擁堵，并導(dǎo)致收包率下降。由圖4可以看出，ARLP協(xié)議的收包率優(yōu)于Telekinesis協(xié)議。這是因為當(dāng)ARLP協(xié)議發(fā)現(xiàn)某條路徑過度擁堵時，此條路徑的代價為Metirc會增大，ARLP會更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，選擇更優(yōu)的路徑，從而減少某些過度擁堵的路徑再繼續(xù)使用的現(xiàn)象發(fā)生，這也使得系統(tǒng)的收包率隨之增加。

實驗過程中，人為切斷或者連接某些鏈路，收包率會隨之發(fā)生變化，如圖5所示。

在鏈路發(fā)生變化時，ARLP協(xié)議的收包率始終優(yōu)于Telekinesis協(xié)議。這是因為當(dāng)ARLP協(xié)議檢測到某條鏈路變化時，及時更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，重新選擇出最優(yōu)的路徑。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)包端到端的時延會隨著數(shù)據(jù)流的變化而發(fā)生相應(yīng)變化，如圖6所示。

圖5 鏈路變化時的收包率

圖6 速率變化時的時延

隨著數(shù)據(jù)流的增加，數(shù)據(jù)包端到端的時延也會隨之增加，這是因為網(wǎng)絡(luò)中通信量增大時,易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包沖突。由圖6可以看出，ARLP協(xié)議的端到端時延優(yōu)于Telekinesis協(xié)議。這是因為當(dāng)ARLP協(xié)議發(fā)現(xiàn)某條路徑斷開或者過度擁堵時，ARLP會及時更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，選擇更優(yōu)的路徑，從而使得主機(jī)間的通信更加通暢，數(shù)據(jù)包的端到端時延更小，因此,ARLP協(xié)議優(yōu)于Telekinesis協(xié)議。

4 結(jié) 語

SDN作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最熱門和最具前途的技術(shù)之一，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。文中提出了一種應(yīng)用于混合式SDN網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)涔芾韰f(xié)議ARLP。ARLP可以自動學(xué)習(xí)且計算出整網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、生成路由信息并下發(fā)給各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，ARLP亦可自動檢測到并更新路由信息。仿真結(jié)果表明，ARLP協(xié)議比Telekinesis協(xié)議的數(shù)據(jù)收包率更高，端到端時延更小。因此，文中提出的ARLP協(xié)議有更快的網(wǎng)絡(luò)收斂性及更好的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力，網(wǎng)絡(luò)的整體性能較好。

未來計劃使用真實網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載進(jìn)行實驗驗證。

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AtopologymanagementprotocolinhybridSDNnetwork

LI Yan, LIN Juan, WANG Na*

(Fuqing Branch of Fujian Normal University, Fuqing 350300, China)

A topology management protocol ARLP is studied based on the hybrid SDN network. The ARLP can automatically generate network topology graph and send out routing information. When network topology changes, ARLP automatically detects and updates routing information. Simulation results indicate that the data can be switched to the updated routing as network topology changes, and ARLP can improve the convergence rate of the network and ensure the data seamless transmission.

hybrid SDN; ARLP; topology management; automatically detect.

TP 393

A

1674-1374(2017)04-0340-06

2017-06-12

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2015J05146)

李 艷(1985-)，女，漢族，貴州遵義人，福建師范大學(xué)福清分校助教，碩士，主要從事協(xié)議分析、無線網(wǎng)絡(luò)方向研究,E-mail:19335966@qq.com. *通訊作者：王 娜(1978-)，女，漢族，河北保定人，福建師范大學(xué)福清分校副教授，碩士，主要從事計算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實方向研究,E-mail:ly_lin@126.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.4.05