趙夢(mèng)琦 孫鵬

摘要：文章首先對(duì)時(shí)延模型、遷移調(diào)度模型進(jìn)行了說明，指出應(yīng)以延時(shí)調(diào)整系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還有流表耗時(shí)為落腳點(diǎn)，對(duì)通信代價(jià)模型進(jìn)行建立，由此確定通信代價(jià)約束以及最終目標(biāo)。其次圍繞SDN流表調(diào)度展開了討論，強(qiáng)調(diào)以通信代價(jià)模型為依托，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)遷移的前提下，結(jié)合路徑請(qǐng)求量對(duì)累計(jì)總效用、平均時(shí)延進(jìn)行計(jì)算，基于信道負(fù)載完成動(dòng)態(tài)調(diào)整工作。最后對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果進(jìn)行了討論，指出對(duì)該方法加以運(yùn)用，可將控制器數(shù)量對(duì)時(shí)延產(chǎn)生影響降至最低，確保網(wǎng)絡(luò)負(fù)載始終處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：光傳送網(wǎng);動(dòng)態(tài)遷移;SDN調(diào)度;時(shí)延優(yōu)化

一、引言

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，SDN調(diào)度在動(dòng)態(tài)性方面的表現(xiàn)更加突出，如何保證SDN性能和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)所提出需求相符，自然成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。在此背景下，有學(xué)者指出應(yīng)根據(jù)SDN特征，制定相應(yīng)的動(dòng)態(tài)遷移策略，通過對(duì)時(shí)延加以控制的方式，使SDN優(yōu)勢(shì)得到更加充分地發(fā)揮，這便是本文所討論的主要內(nèi)容，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)此有所了解。

二、研究背景

信息時(shí)代的到來，使數(shù)據(jù)量呈井噴式增長(zhǎng)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分與聚合的情況變得十分常見，加之移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)均對(duì)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)性提出了更高的要求，IP網(wǎng)絡(luò)所能發(fā)揮作用變得十分有限[1]。在此背景下，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所具有靜態(tài)特性徹底打破的SDN開始為越來越多人所熟知，作為有別于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN的特點(diǎn)是將控制器作為內(nèi)核，通過調(diào)度域內(nèi)現(xiàn)有交換機(jī)的方式，使網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)信息得到全面且準(zhǔn)確的傳遞，與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在開放性、擴(kuò)展性兩方面，現(xiàn)已逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。事實(shí)證明，對(duì)SDN加以運(yùn)用，可確保數(shù)據(jù)傳輸、控制層得到有效分離，在提高資源調(diào)度操作所具有靈活度的前提下，為先進(jìn)技術(shù)的推廣還有應(yīng)用提供支持[2]。但也要了解一點(diǎn)，即：作為全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN被提出并得到運(yùn)用的時(shí)間較短，目前，在流表部署調(diào)度、控制器部署調(diào)度等方面仍有不足存在[3]。一旦調(diào)度策略出現(xiàn)疏忽或是失誤，就會(huì)致使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大幅增加，不僅會(huì)造成擴(kuò)展性下降、負(fù)載失衡的情況，還會(huì)給網(wǎng)絡(luò)性能帶來負(fù)面影響。鑒于此，各國(guó)學(xué)者紛紛選擇將如何有效控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延作為主要課題展開研究，希望能夠憑借自身的力量，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的情況得到有效解決。

本文選擇以負(fù)載、時(shí)延為切入點(diǎn)，以目標(biāo)約束為前提，綜合考慮流表調(diào)度、SDN控制器還有交換機(jī)等因素，提出可使網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力得到顯著改善的動(dòng)態(tài)遷移策略，通過對(duì)比該方法和k-median的方式，對(duì)該方法在提升SDN性能方面的作用進(jìn)行直接展示，供相關(guān)人員參考。

三、建立相關(guān)模型

（一）時(shí)延模型

為保證SDN時(shí)延得到有力控制，相關(guān)人員決定以SDN網(wǎng)絡(luò)為落腳點(diǎn)，針對(duì)其通信代價(jià)對(duì)模型進(jìn)行建立。將模型輸入?yún)?shù)設(shè)成{G（S，L），M，V，T，λ}，上述參數(shù)所描述內(nèi)容均有所不同，其中，G（S，L）將SDN網(wǎng)絡(luò)與連通圖畫上等號(hào)，S代表網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，而L代表網(wǎng)絡(luò)鏈路。M所描述內(nèi)容為控制框架。V所描述內(nèi)容為數(shù)據(jù)實(shí)際流速。T所描述內(nèi)容為流表單位消耗時(shí)長(zhǎng)。λ所描述內(nèi)容是時(shí)延對(duì)應(yīng)調(diào)整系數(shù)。若以域分布情況為依據(jù)，可利用以下公式對(duì)控制器進(jìn)行表示：

（1）

在該公式中，mi指代元素M，可理解為i層所包含控制器實(shí)際數(shù)量。cij指代i層所包含控制器j。由此可見，可能被cij所影響的網(wǎng)絡(luò)為Gij（Sij，Lij）。以控制器j給交換機(jī)所產(chǎn)生影響為依據(jù)，對(duì)交換機(jī)實(shí)際映射情況加以確定，即sij∈{0，1}。如果cij能夠控制交換機(jī)l，則代表si1j=1，若cij無法控制交換機(jī)l，則代表si1j=0。以交換機(jī)l實(shí)際部署情況為依據(jù)，對(duì)控制器當(dāng)前映射情況加以確定，即csi1j∈{0，1}。若csi1j∈{0，1}位于l上，則說明csi1j=1，如果csi1j∈{0，1}沒有被部署在l上，則說明csi1j=1。從控制器的角度來看，數(shù)據(jù)與隊(duì)列高度相似，其中，作為隊(duì)列元素的vi，其所描述內(nèi)容為即將到來的數(shù)據(jù)i，考慮到控制器針對(duì)數(shù)據(jù)所進(jìn)行一系列操作，通常包括服務(wù)時(shí)間還有等待時(shí)間兩部分，因此，除特殊情況外，均可利用下列公式對(duì)數(shù)據(jù)流表實(shí)際操作時(shí)長(zhǎng)的平均值進(jìn)行計(jì)算：

（2）

在上述公式中，是指操作速度平均值。Ns是指總數(shù)據(jù)流。是指平均數(shù)據(jù)流，通常滿足。

由此可見，對(duì)單位數(shù)據(jù)流表對(duì)應(yīng)操作時(shí)長(zhǎng)的平均值進(jìn)行計(jì)算，可運(yùn)用以下公式：

（3）

考慮到網(wǎng)絡(luò)所累計(jì)總通信代價(jià)，通常包括數(shù)據(jù)流、控制器兩部分，因此，相關(guān)人員決定用以下公式對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行表示：

（4）

在該公式中，tik代表最優(yōu)工況下，各交換機(jī)間所存在傳遞時(shí)延。代表控制器、交換機(jī)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞所累計(jì)總時(shí)延。代表計(jì)算控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作所累積總時(shí)延，對(duì)應(yīng)調(diào)整系數(shù)的取值為0～1。而以累計(jì)通信代價(jià)視為最終目標(biāo)的關(guān)鍵是要對(duì)P最小值加以確定，在此過程中，相關(guān)人員需要注意兩點(diǎn)要求，一是限定控制器、交換器對(duì)應(yīng)映射關(guān)系，二是確保控制器數(shù)量為逐層減少。在本項(xiàng)目中，相關(guān)人員共設(shè)定了以下三個(gè)約束條件：首先是交換機(jī)l對(duì)應(yīng)cij取值不得超出層數(shù)范圍。其次是框架所包含控制器總數(shù)、各層數(shù)量均應(yīng)當(dāng)符合要求。最后是cij所對(duì)應(yīng)交換機(jī)數(shù)量為一臺(tái)。

（二）遷移調(diào)度模型

SDN網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)期間，交換機(jī)、控制器對(duì)應(yīng)映射關(guān)系會(huì)給數(shù)據(jù)時(shí)延帶來一定的影響。若網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所包含li交換機(jī)、lj交換機(jī)互為鄰域，li將數(shù)據(jù)傳遞至lj后，lj往往會(huì)以緩沖為依據(jù)驗(yàn)證數(shù)據(jù)流表，隨后，再向控制器提供相應(yīng)輸入包，而控制器的任務(wù)是以網(wǎng)絡(luò)情況、輸入包情況為依據(jù)，盡快對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行確定，與此同時(shí)，將數(shù)據(jù)封裝在對(duì)應(yīng)的流表內(nèi)。li所發(fā)出數(shù)據(jù)，通常會(huì)先到達(dá)控制器cm，由控制器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，再將封裝所得數(shù)據(jù)流表作為依據(jù)，完成規(guī)劃轉(zhuǎn)發(fā)策略的工作。若研究表明，直接將數(shù)據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)到鄰域需要付出較大代價(jià)，則可選擇現(xiàn)將數(shù)據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)給其他的域內(nèi)交換機(jī)lm，待數(shù)據(jù)流表順利通過驗(yàn)證，由該交換機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給lj，隨后，lj便可驗(yàn)證所接收數(shù)據(jù)，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)論判斷是否需要通過發(fā)送通知的方式告知控制器cn[4]。需要注意的是，只有先確定成功，控制器才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。以傳輸數(shù)據(jù)的流程為依據(jù)，用下列公式描述li對(duì)應(yīng)路徑請(qǐng)求量：

（5）

在上述公式中，L（i，j）代表li將數(shù)據(jù)傳遞給lj的過程中自身路徑請(qǐng)求量。代表cm所涉及交換機(jī)請(qǐng)求量。代表非cm所涉及交換機(jī)請(qǐng)求量。除特殊情況外，均可根據(jù)qim對(duì)cm實(shí)際負(fù)載進(jìn)行確定，在此基礎(chǔ)上，對(duì)cm處理時(shí)間的平均值加以確定，即：

（6）

在該公式中，Rm代表cm實(shí)際容量。N代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)。結(jié)合tm公式不難看出，節(jié)點(diǎn)總數(shù)、控制器處理效率均會(huì)在不同程度上影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，要想在控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的前提下，使網(wǎng)絡(luò)均衡得到增強(qiáng)，關(guān)鍵是要先確定li對(duì)cm加以利用的情況，再通過由點(diǎn)及面的方式，獲得可被用來對(duì)控制器累計(jì)總效用進(jìn)行計(jì)算的公式：

（7）

在上述公式中，Ztotal代表網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有控制器對(duì)應(yīng)累計(jì)總效用，rim代表資源利用率。該公式所傳遞信息為控制器負(fù)載和Ztotal的關(guān)系是正相關(guān)，用此可見，一般情況下，只需對(duì)動(dòng)態(tài)遷移加以運(yùn)用，便可使網(wǎng)絡(luò)累計(jì)效用得到有效調(diào)節(jié)，換言之，動(dòng)態(tài)遷移的本質(zhì)是重構(gòu)交換機(jī)、控制器，這點(diǎn)需要有所了解。

四、SDN流表調(diào)度

在下發(fā)數(shù)據(jù)流表期間，通常需要對(duì)信道負(fù)載情況引起重視，現(xiàn)階段，對(duì)負(fù)載飽和度進(jìn)行計(jì)算的方程組如下：

（8）

在該方程組中，fc代表計(jì)算所得控制信道負(fù)載值。fd代表計(jì)算所得數(shù)據(jù)信道的負(fù)載值。wc、wd均代表信道的加權(quán)值。f（·）代表飽和度。眾所周知，信道誕生并長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵是有物理鏈路提供支持，基于鏈路、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)集、鏈路集進(jìn)行構(gòu)造，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。在對(duì)特定節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)最小值加以確定后，便可著手對(duì)最短路徑進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)聚集度進(jìn)行定義，這表明，節(jié)點(diǎn)聚集度與最短路徑間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即：節(jié)點(diǎn)聚集度會(huì)隨著路徑的縮短而增大，節(jié)點(diǎn)也會(huì)變得更加集中，此時(shí)，聚集中心附近信道加權(quán)較其他信道更大。隨后，相關(guān)人員便可根據(jù)飽和度函數(shù)及其他公式，對(duì)fc和fd之比進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得比值，對(duì)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行判斷，真正做到依托動(dòng)態(tài)遷移對(duì)流表進(jìn)行及時(shí)且科學(xué)的調(diào)整[5]。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，基于多域場(chǎng)合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，前提是要先在域內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)次傳遞，再通過邊緣交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域傳遞。實(shí)際應(yīng)用情況表明，該方法所用到流表請(qǐng)求相對(duì)復(fù)雜，極易出現(xiàn)時(shí)延不必要增加的情況，鑒于此，相關(guān)人員指出可在負(fù)載相對(duì)均衡的前提下，基于控制器對(duì)流表進(jìn)行直接傳遞，待形成相應(yīng)高速鏈路后，再通過各域所安裝控制器、交換機(jī)，完成后續(xù)傳遞工作，如圖1所示：

在圖1中，虛線即為本文所提出的全新調(diào)度方法，簡(jiǎn)單來說，就是由交換機(jī)li負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)cm，順利接收數(shù)據(jù)后，cm便可著手對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將經(jīng)過封裝處理的數(shù)據(jù)分成兩部分，一部分傳送給其他的域內(nèi)交換機(jī)，另一部分傳送給cn。事實(shí)證明，用該方法替代傳統(tǒng)方法，可使下發(fā)流表的次數(shù)、運(yùn)用控制器的頻率得到控制，SDN時(shí)延自然能夠得到顯著降低，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

五、結(jié)果分析

在本項(xiàng)目中，相關(guān)人員計(jì)劃依托networkx打造仿真環(huán)境，同時(shí)對(duì)Python算法加以運(yùn)用，在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行構(gòu)建。拓?fù)涔?jié)點(diǎn)總數(shù)為100，鏈路總數(shù)為186，數(shù)據(jù)包在128B～2048B之間，節(jié)點(diǎn)度平均值為2.4，數(shù)據(jù)發(fā)送率在100M左右，流表請(qǐng)求包對(duì)應(yīng)參數(shù)為128B。在實(shí)驗(yàn)開展期間，為保證所模擬信道狀態(tài)最大程度接近真實(shí)狀態(tài)，相關(guān)人員決定隨機(jī)生成100～1000間的傳遞數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，確定源地址以及隨機(jī)地址，SDN對(duì)應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)包括底層、中間層還有頂層，其中，底層為單域，域數(shù)量是1，中間層為多域，域數(shù)量是2，頂層同樣為多域，域數(shù)量是6。

考慮到網(wǎng)絡(luò)通信代價(jià)源于數(shù)據(jù)流、控制器轉(zhuǎn)發(fā)，而時(shí)延調(diào)整系數(shù)的作用，主要是對(duì)上述時(shí)間代價(jià)所存在關(guān)系進(jìn)行平衡，相關(guān)人員決定先分析通信代價(jià)、時(shí)延調(diào)整系數(shù)的關(guān)系，通過更改調(diào)整系數(shù)的方式，使通信代價(jià)得到累計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初期通信代價(jià)、系數(shù)的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，在系數(shù)取值為0.54時(shí)，通信代價(jià)達(dá)到最小值，在此之后，二者的關(guān)系將由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)。此外，控制器、交換機(jī)均會(huì)給通信代價(jià)產(chǎn)生影響，針對(duì)以上因素，相關(guān)人員決定通過動(dòng)態(tài)遷移調(diào)度的方式，對(duì)控制器、交換機(jī)所處位置進(jìn)行改變，由此達(dá)到調(diào)整域分配的目的。

調(diào)度策略所存在差異，通常會(huì)使網(wǎng)絡(luò)控制器形成差異，系統(tǒng)時(shí)延也會(huì)受到影響。鑒于此，相關(guān)人員指出應(yīng)通過仿真的方式，深入分析控制器、時(shí)延的關(guān)系，增加控制器數(shù)量，基于k-median進(jìn)行對(duì)比分析，現(xiàn)將分析所得出結(jié)果歸納如下：隨著控制器的增加，k-median時(shí)延持續(xù)下降，控制器數(shù)量越少，時(shí)延降速越快，待控制器減少到一定數(shù)量，降速將有所放緩。若對(duì)上文所介紹方法加以使用，則控制器數(shù)量變更給時(shí)延曲線平穩(wěn)性所產(chǎn)生影響并不明顯，這主要是因?yàn)樯鲜龇椒▽⑼ㄐ艜r(shí)延單價(jià)視為最終調(diào)度目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，以動(dòng)態(tài)遷移策略為依托，真正做到結(jié)合多域場(chǎng)景負(fù)載，依托控制器對(duì)數(shù)據(jù)流表進(jìn)行直接發(fā)送，從根本上解決了邊緣節(jié)點(diǎn)發(fā)送所存在問題，在節(jié)約處理數(shù)據(jù)、傳遞數(shù)據(jù)所花費(fèi)時(shí)間的前提下，將控制器數(shù)量給SDN時(shí)延所產(chǎn)生影響降至最低。另外，該方法還要對(duì)部署控制器加以運(yùn)用，無論是運(yùn)行成本、還是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，均會(huì)得到一定程度的提高。

對(duì)系統(tǒng)時(shí)延、數(shù)據(jù)量關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證的方法，主要是更改SDN信道負(fù)載，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納如下：信道負(fù)載與數(shù)據(jù)量的關(guān)系為正相關(guān)，與此同時(shí)，系統(tǒng)時(shí)延也會(huì)出現(xiàn)一定程度的提升。本文所討論方法在增速、時(shí)延方面的表現(xiàn)更加理想，這是因?yàn)樵摲椒ň哂辛己玫呢?fù)載均衡，加之流表所依托發(fā)送方式為控制器發(fā)送，通常不會(huì)出現(xiàn)過度依賴數(shù)據(jù)信號(hào)或是類似情況。

六、結(jié)束語

綜上，出于對(duì)光傳送網(wǎng)在SDN調(diào)度方面所表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性能加以改善，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延得到有力控制的考慮，相關(guān)人員選擇將通信代價(jià)作為最終目標(biāo)，對(duì)切實(shí)可行的遷移策略進(jìn)行制定。通過仿真分析的方式，對(duì)通信代價(jià)最小時(shí)調(diào)整系數(shù)的具體數(shù)值加以確定，隨后，圍繞輸入數(shù)據(jù)量、控制器數(shù)量與系統(tǒng)時(shí)延所存在關(guān)聯(lián)展開討論，同時(shí)對(duì)負(fù)載差異、動(dòng)態(tài)遷移相關(guān)性進(jìn)行分析，最終得出以下結(jié)論：本文所討論方法，一方面可使域內(nèi)數(shù)據(jù)傳遞量、傳遞頻率得到有力控制，確保SDN時(shí)延維持在較為理想的狀態(tài)，另一方面可依托動(dòng)態(tài)遷移對(duì)網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出負(fù)載均衡度進(jìn)行提高，為日后擴(kuò)展SDN網(wǎng)絡(luò)等工作的開展奠定基礎(chǔ)。

作者單位：趙夢(mèng)琦? ? 61623部隊(duì)

孫鵬? ? 31411部隊(duì)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]唐雄燕，王海軍，楊宏博，等.面向?qū)＞€業(yè)務(wù)的光傳送網(wǎng)（OTN）關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2020，36（7）：8.

[2]李藝，唐宏，馬樞清，等.軟件定義網(wǎng)絡(luò)中基于分段路由的多路徑調(diào)度算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2021，38（5）：6.

[3]劉振鵬，任少松，李明，等.軟件定義網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)流量調(diào)度方案[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2021，51（3）：8.

[4]王濤，陳鴻昶.基于多維異構(gòu)特征與反饋感知調(diào)度的SDN內(nèi)生安全控制平面[J].電子學(xué)報(bào)，2021，49（6）：8.

[5]蘇建忠，張華宇，朱海龍，等.結(jié)合SDN控制器的TSN周期性帶寬預(yù)留值計(jì)算方法[J].通信學(xué)報(bào)，2021，42（10）：9.