余 庚 陳宏意

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州350007）

近年來隨著云端概念和大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，DCN 部署在廣域網(wǎng)中的應(yīng)用潛力得到了進(jìn)一步挖掘。該網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)生產(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域中的實(shí)施成效充分滿足了復(fù)雜用戶終端對(duì)各類綜合性復(fù)雜業(yè)務(wù)的客戶體驗(yàn)（QoE）需求。然而目前業(yè)界對(duì)于此類復(fù)雜DCN 數(shù)據(jù)平面結(jié)構(gòu)的內(nèi)在管理方面卻較關(guān)注甚少。譬如，傳統(tǒng)架構(gòu)下的DCN 在承載全業(yè)務(wù)時(shí)會(huì)過多地偏好于節(jié)點(diǎn)自身而導(dǎo)致在對(duì)全局多業(yè)務(wù)實(shí)施布局時(shí)耗費(fèi)大量開銷。換言之，DCN 在應(yīng)對(duì)多業(yè)務(wù)布局作業(yè)時(shí)往往以開銷為代價(jià)來獲得QoS[1]。但在建構(gòu)資源有限的復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)中，總是通過持續(xù)消耗開銷的方式來評(píng)估多業(yè)務(wù)布局承載度，并非一個(gè)良好的長(zhǎng)期解決方案。

針對(duì)此現(xiàn)狀，雖有部分觀點(diǎn)試圖通過借鑒迪杰斯特拉算法原理，舍棄已計(jì)算出來的路徑收斂值，進(jìn)一步開展后續(xù)延伸搜索，尋找更優(yōu)收斂度。依此來最大程度降低DCN 在承載多業(yè)務(wù)時(shí)面臨的布局問題。但此種方法應(yīng)用在規(guī)模較大的全局網(wǎng)絡(luò)中，收斂結(jié)果依舊呈現(xiàn)出不同程度的多樣性。這意味著在開展極優(yōu)甄選計(jì)算時(shí)又再次耗費(fèi)了復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)開銷資源。無疑該方法的適應(yīng)性較弱。基于此，本文構(gòu)思在復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)中融入交換和控制功能分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上討論該復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜用戶終端對(duì)多業(yè)務(wù)承載布局的適應(yīng)性算法。

1 方案評(píng)估

軟件定義網(wǎng)絡(luò)邏輯層次從下到上依次是轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)、控制架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)。其中由大量交換機(jī)組成的轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)中主要執(zhí)行多業(yè)務(wù)多路由作業(yè)，控制架構(gòu)中的控制器主要為全局網(wǎng)絡(luò)在部署全業(yè)務(wù)時(shí)提供綜合性調(diào)度策略的計(jì)算，該計(jì)算過程通過啟用全局網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)單元和感知單元來實(shí)施。該控制計(jì)算過程也正是直接改善全局網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)全業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，布局良好與否的決定性環(huán)節(jié)。結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)中交換機(jī)功能，使得整個(gè)數(shù)據(jù)平面在承載全業(yè)務(wù)時(shí)的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)均可被采集至控制架構(gòu)中。以便良好地實(shí)施全網(wǎng)多業(yè)務(wù)載荷布局。經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)和控制架構(gòu)的優(yōu)化布局下的多業(yè)務(wù)為應(yīng)用架構(gòu)中的各項(xiàng)服務(wù)個(gè)提供了QoS 保證。

對(duì)于將復(fù)雜終端用戶對(duì)業(yè)務(wù)QoS 要求作為服務(wù)宗旨的DCN 而言，相對(duì)于傳統(tǒng)的城域傳送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了內(nèi)部拓?fù)?。所采用的胖樹交叉型架?gòu)可為用戶對(duì)多業(yè)務(wù)的要求提供分布式多路由機(jī)制，這在一定程度上減輕了各級(jí)網(wǎng)元資源代價(jià)。尤其對(duì)于那些對(duì)網(wǎng)元自身硬件資源偏好度較高的復(fù)雜業(yè)務(wù)而言，更有利于網(wǎng)元響應(yīng)資源和鏈路承載資源的優(yōu)化布局。經(jīng)上所述，將傳輸和控制解耦的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)嵌入到復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)中，為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)提供多業(yè)務(wù)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

2 多業(yè)務(wù)布局優(yōu)化思想

為了使全網(wǎng)應(yīng)對(duì)多業(yè)務(wù)時(shí)能夠有良好的布局以更好的為復(fù)雜DCN 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層提供客戶體驗(yàn)，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)將核心控制單元映射成等候路由的多業(yè)務(wù)載荷，并將等候被實(shí)施的任務(wù)映射成多業(yè)務(wù)載荷相關(guān)的多路由通道。經(jīng)過這樣的1：N 配比關(guān)系來重構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中多業(yè)務(wù)承載的布局狀況。實(shí)施多業(yè)務(wù)布局優(yōu)化時(shí)要求核心控制單元在特定的時(shí)間長(zhǎng)度后向待用路由廣播偵聽數(shù)據(jù)包。待用多路由將接受到的偵聽數(shù)據(jù)包映射成信息域提交至控制架構(gòu)中的核心控制單元。此時(shí)控制單元開始計(jì)算從偵聽數(shù)據(jù)包的發(fā)起至收到每個(gè)路由響應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。若遍歷出某條待用路由的時(shí)間長(zhǎng)度間隔最低，則定義此條待用路由為多業(yè)務(wù)布局優(yōu)化的最佳選項(xiàng)，同時(shí)終止偵聽數(shù)據(jù)包的廣播業(yè)務(wù)并將多業(yè)務(wù)導(dǎo)入到最佳選項(xiàng)的待用路由實(shí)施承載作業(yè)。基于上述多業(yè)務(wù)布局思想，形成如下一套計(jì)算機(jī)制：首先，初始化復(fù)雜DCN全網(wǎng)并調(diào)用控制架構(gòu)中的在線監(jiān)測(cè)[2]單元定義一個(gè)時(shí)長(zhǎng)間距T，然后在計(jì)時(shí)器監(jiān)視下遵照該時(shí)長(zhǎng)間距向待用路由集合WL={WL1，WL2，…，WLn}廣播偵聽數(shù)據(jù)包。其次，集合WL 的信宿交換網(wǎng)元S={S1，S2，…，Sn}將偵聽數(shù)據(jù)包映射成信息域提交至控制架構(gòu)中策略響應(yīng)單元接受計(jì)算分析。當(dāng)控制單元在初始化隨定義的時(shí)長(zhǎng)間距內(nèi)接收到了首個(gè)由待用路由WL1st響應(yīng)的信息域后，便終止了偵聽作業(yè)。反之，控制單元需再等候下一個(gè)時(shí)長(zhǎng)間距。如果控制單元在等候下一個(gè)時(shí)長(zhǎng)間距之后接受到了信息域[3]則開始更新轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)中交換單元內(nèi)的流表資源，然后交換機(jī)將等候發(fā)送的多業(yè)務(wù)載荷經(jīng)由WL1st傳輸；如果連續(xù)兩個(gè)時(shí)長(zhǎng)間距后仍未收到信息域的應(yīng)重新在計(jì)時(shí)器的監(jiān)視下遵照時(shí)長(zhǎng)間距向待用路由集合WL={WL1，WL2，…WLn}廣播偵聽數(shù)據(jù)包。但是如若控制單元在一個(gè)時(shí)長(zhǎng)間隔內(nèi)收到了兩個(gè)以上的信息域，則可從中任意選擇一個(gè)待用WL 對(duì)多業(yè)務(wù)進(jìn)行承載。在對(duì)多業(yè)務(wù)重新執(zhí)行承載后控制架構(gòu)中的在線監(jiān)測(cè)單元重新定義一個(gè)時(shí)長(zhǎng)間距，然后按照上述步驟循環(huán)執(zhí)行直至全局布局均衡為止。

3 方案測(cè)試

本次測(cè)試在Mininet 2.2.1 環(huán)境來開展。在該環(huán)境下建立的胖樹結(jié)構(gòu)是由核心層的4 個(gè)控制單元和匯聚層的32 個(gè)交換機(jī)組成。每個(gè)交換機(jī)連向不同的主機(jī)。多業(yè)務(wù)流量由灌包軟件代為發(fā)起，服從10Mb/s 到107Mb/s]的規(guī)模部署。每10 秒對(duì)交換機(jī)接口的業(yè)務(wù)承載參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全網(wǎng)帶寬峰值置為102Mbit/s。同時(shí)將任意兩個(gè)路由間時(shí)延差記為0.1，多業(yè)務(wù)布局門限初始為0.7。若當(dāng)前多業(yè)務(wù)載荷布局突破門限，則每隔1 秒鐘廣播一次偵聽數(shù)據(jù)包并開始計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)從發(fā)送偵聽數(shù)據(jù)包到收到響應(yīng)的信息域所產(chǎn)生的時(shí)長(zhǎng)間距。

傳統(tǒng)算法在多業(yè)務(wù)均衡過程中發(fā)揮的效能有限，主要是由于傳統(tǒng)算法的計(jì)算體系未能從宏觀角度來良好規(guī)劃全業(yè)務(wù)的部署，僅適用于局部網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度。與此相反，本文構(gòu)思的優(yōu)化算法在調(diào)度全網(wǎng)多業(yè)務(wù)布局方面具有良好的靈活性。主要通過路由承重度[4]、多業(yè)務(wù)失效率和多業(yè)務(wù)時(shí)間代價(jià)指標(biāo)的測(cè)試得以驗(yàn)證。

如圖1 所示，描述了本文設(shè)計(jì)的多業(yè)務(wù)布局優(yōu)化算法在全網(wǎng)實(shí)施過程中所表現(xiàn)出的路由承重度。和傳統(tǒng)算法一樣，由于在實(shí)施前期全網(wǎng)業(yè)務(wù)流量暫未達(dá)到初始門限而使得本文設(shè)計(jì)的算法并未表現(xiàn)出明顯的差異性。但是隨著時(shí)間的推移，多業(yè)務(wù)承載規(guī)模進(jìn)一步增加直至突破門限0.6 后，此時(shí)兩種算法逐漸表現(xiàn)出差異性，且這種差異伴隨著時(shí)長(zhǎng)愈加顯著。以本文布局優(yōu)化算法為例，由于該算法將響應(yīng)度最高的待用路由及時(shí)地分配給了多業(yè)務(wù)流量，故對(duì)全局路由而言，承載度相對(duì)較輕，終于0.65 左右，起到優(yōu)化效果。

圖1 承重度比較

隨著全網(wǎng)承重度從輕度向重度演變，算法計(jì)算的時(shí)效性無法及時(shí)跟上吞吐量[5]爆發(fā)所帶來的多業(yè)務(wù)流量擁塞，因此多業(yè)務(wù)流量擁塞導(dǎo)致的多業(yè)務(wù)失效率必然逐漸增加。這樣的大勢(shì)在所有算法不可避免。如圖2 所示，兩種算法下的多業(yè)務(wù)失效率曲線也客觀地說明了這個(gè)規(guī)律。傳統(tǒng)算法雖然能在較短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出極佳待用路由供多業(yè)務(wù)實(shí)施承載，但隨時(shí)間增加該條極佳待用路由必然遭遇承重度過高情形，于是不可避免地陷入業(yè)務(wù)失效風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，布局優(yōu)化算法的實(shí)施是在調(diào)用控制架構(gòu)中的在線監(jiān)測(cè)單元來進(jìn)行的，所制定的策略具有統(tǒng)籌規(guī)劃性。故業(yè)務(wù)失效率相對(duì)較低。

圖2 失效率比較

在全網(wǎng)多業(yè)務(wù)承重度總體增加的前提下，端到端的業(yè)務(wù)承載時(shí)間成本也將增加。兩種算法部署在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中對(duì)全業(yè)務(wù)實(shí)施承載作業(yè)的時(shí)間代價(jià)從圖3 所示的延遲時(shí)間曲線走勢(shì)圖中得以說明。相對(duì)而言，傳統(tǒng)算法在多業(yè)務(wù)承載路由選取思想上具有局部性，而布局優(yōu)化算法篩選極佳路由的思想是在獲取全網(wǎng)參數(shù)的前提下，通過分析響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)來辨析待選路由的可用性。由于辨析策略是在動(dòng)態(tài)獲取網(wǎng)絡(luò)端口參量的前提下制定的，故在不同承重度的環(huán)境中始終具有有效性。高效的路由是保持端到端流量承載時(shí)間的保證。因此，本文的布局優(yōu)化算法相對(duì)傳統(tǒng)算法付出了較低的時(shí)間代價(jià)。

圖3 時(shí)間代價(jià)比較

4 結(jié)論

本文探討的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)布局算法設(shè)計(jì)思想是控制架構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)提交的偵聽數(shù)據(jù)包做出響應(yīng)，并比較分析響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)來確定實(shí)施布局優(yōu)化的待用路由通道。將所設(shè)計(jì)的算法部署在模擬環(huán)境中，通過對(duì)比傳統(tǒng)算法在布局中的局限性驗(yàn)證了本文所提算法的優(yōu)化性。