張衛(wèi)東

（北京航天動力研究所， 北京 100076）

網(wǎng)絡(luò)拓撲管理技術(shù)作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)核心管理技術(shù)之一， 能夠根據(jù)用戶需求， 以多維度的呈現(xiàn)方式， 為用戶提供網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[1]。 由于軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲分布的區(qū)域較廣泛， 網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點規(guī)模龐大， 且節(jié)點之間業(yè)務(wù)承載關(guān)系雜亂， 具有異構(gòu)化與復(fù)雜化的特點， 對其進行管理具有較大的難度[2]。為了改善這一問題， 本文在傳統(tǒng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理技術(shù)的基礎(chǔ)上， 做出了優(yōu)化升級， 針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲異構(gòu)化與復(fù)雜化的特點， 提出了一種全新的管理關(guān)鍵技術(shù)。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理關(guān)鍵技術(shù)

1.1 建立基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理模型

本文設(shè)計的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理關(guān)鍵技術(shù)中， 先對軟件定義網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)做出全方位的分析， 獲取其架構(gòu)特征以及網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點之間連接的關(guān)系[3]。

基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization， NFV） 技術(shù)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)之間存在的關(guān)系， 設(shè)計基于NFV 的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。 其中，包括3 個部分： 轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、 控制模式與NFV 平臺，以O(shè)penFlow 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通信的標準化接口， 進行網(wǎng)絡(luò)流的轉(zhuǎn)發(fā)[5]。 采用分層構(gòu)建的方式，構(gòu)建基于NFV 的軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理模型， 見圖1。

圖1 基于NFV 的軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理模型

由圖1 可知， 本文構(gòu)建的管理模型主要包括3個不同的分層結(jié)構(gòu)， 通過基礎(chǔ)設(shè)施層的計算虛擬化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)， 對軟件定義網(wǎng)絡(luò)資源進行統(tǒng)一管理， 獲取適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的資源視圖， 并為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層提供匹配度較高的虛擬化資源。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層主要由軟件定義網(wǎng)絡(luò)防火墻、 網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點負載均衡、 網(wǎng)絡(luò)路由等多項功能組成， 以基礎(chǔ)設(shè)施層作為資源依托， 通過NFV 功能， 將網(wǎng)絡(luò)功能軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相對較抽象的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通道， 利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)傳輸能力， 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能組合。 在此基礎(chǔ)上， 基于網(wǎng)絡(luò)租戶層的需求， 為其提供需求動態(tài)組合， 全面管理軟件定義網(wǎng)絡(luò)資源負載的水平擴展能力。

1.2 構(gòu)建對等模式的服務(wù)功能鏈

在上述基于NFV 的軟件定義網(wǎng)絡(luò)管理模型建立完畢后， 接下來， 根據(jù)管理模型運行的實際情況， 對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鏈資源分配做出分析， 構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)功能動態(tài)組合的對等模式的服務(wù)功能鏈。

基于管理模型的迭代運行情況與特征， 分配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鏈的資源， 獲取軟件定義網(wǎng)絡(luò)的資源需求表達式為

式中： nqfri為軟件定義網(wǎng)絡(luò)的一個服務(wù)功能鏈； yi為軟件定義網(wǎng)絡(luò)中任一服務(wù)功能鏈的優(yōu)先級； m 為任一服務(wù)功能鏈的資源分配函數(shù)。 通過式（1）， 得出軟件定義網(wǎng)絡(luò)任一服務(wù)功能鏈的資源分配函數(shù)。在此基礎(chǔ)上， 引入對等模式理念， 構(gòu)建基于對等模式的軟件定義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能鏈， 其體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基于對等模式的軟件定義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能鏈的體系結(jié)構(gòu)

由圖2 可知， 在基于對等模式的服務(wù)功能鏈體系中， 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)容器之間采用屬性與粒度統(tǒng)一的輸入接口、 輸出接口， 實時接收前續(xù)軟件定義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)容器的節(jié)點屬性輸出事件信息， 對其進行本地網(wǎng)絡(luò)功能處理， 傳輸給后續(xù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)容器， 形成交互網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通道。

1.3 時限流的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償與管理

基于對等模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能鏈構(gòu)建結(jié)束后，提高了軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點部署的效率， 接下來， 引入時限流要求， 補償與管理軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益。

本文認為， 應(yīng)當(dāng)先對時限流轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)耐ǖ肋M行優(yōu)化， 提高軟件定義網(wǎng)絡(luò)的吞吐量， 進而減少時限流轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)臅r延。 在此基礎(chǔ)上， 對時限流進行置換處理， 將其置換到交換機的快通道。 為了保證快通道時限流轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)男逝c質(zhì)量， 采用補償與管理的方法， 對時限流的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益進行全方位、 多角度地補償與管理， 建立基于時限流的網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償與管理模型， 見圖3。

圖3 基于時限流的網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償與管理模型

由圖3 可知， 以減少資源調(diào)度時限流的收益損失為網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償與管理的核心目標， 找出軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理中的流量最小的流， 將其設(shè)置為資源收益補償與管理的置換流， 計算軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償額， 公式為

式中： ?R 為軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償額；δa表示網(wǎng)絡(luò)拓撲鏈路價格； ?q 為時限流之間的流量差額。 通過計算， 獲取時限流的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲資源收益補償額， 優(yōu)化顯式網(wǎng)絡(luò)資源與隱式網(wǎng)絡(luò)資源， 全方位抵消軟件定義網(wǎng)絡(luò)調(diào)度時限流的收益損失， 快速調(diào)度與轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓撲資源， 進而實現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理的目標。

2 實證分析

綜合上述內(nèi)容， 為本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓撲管理關(guān)鍵技術(shù)的整體流程。 在此基礎(chǔ)上， 為了進一步客觀地驗證本文提出的管理技術(shù)的可行性與適用性， 進行了以下實證分析。

選取某實驗室中兩組網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)， 作為本次實驗的依托。 將上述本文提出的管理技術(shù)應(yīng)用其中， 基于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的作用特征， 限制軟件定義網(wǎng)絡(luò)的對流表容量。 在此基礎(chǔ)上， 測定不同網(wǎng)絡(luò)拓撲迭代次數(shù)下， 軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理接入節(jié)點的流速率變化， 見圖4。

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)拓撲迭代次數(shù)下的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理接入節(jié)點的流速率變化

由圖4 可知， 在網(wǎng)絡(luò)拓撲迭代次數(shù)逐漸增加的情況下， 軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理接入節(jié)點的流速率呈現(xiàn)平穩(wěn)變化， 收斂性能較高， 符合網(wǎng)絡(luò)拓撲管理的需求。 在此基礎(chǔ)上， 為了更加直觀地驗證本文提出的管理技術(shù)的有效性， 采用對比分析的實驗方法。 將本文提出的軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理關(guān)鍵技術(shù)， 與傳統(tǒng)的管理技術(shù)進行對比。 分別設(shè)定軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理流數(shù)為2 000 條、 4 000 條、 6 000條、 8 000 條、 10 000 條、 12 000 條， 對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行管理， 利用MATLAB 分析軟件， 測定拓撲管理流數(shù)增加時的網(wǎng)絡(luò)拓撲流表缺失率， 得出流表轉(zhuǎn)發(fā)的動態(tài)變化， 見第93 頁表1。

表1 兩種管理技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲流表缺失率的對比結(jié)果

由表1 的對比結(jié)果可知， 在兩種軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理技術(shù)中， 本文提出的管理技術(shù)應(yīng)用后， 在拓撲管理流數(shù)不斷增加的條件下， 軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲流表缺失率較低， 均在2.02%以下， 與傳統(tǒng)的管理技術(shù)相比， 網(wǎng)絡(luò)拓撲管理性能較好， 完整性較高， 優(yōu)勢顯著。

3 結(jié)束語

通過上述研究， 能夠得出以下2 個方面的結(jié)論。

1） 由圖4 的接入節(jié)點流速率變化可知， 通過本文提出的管理技術(shù)進行軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲管理，管理的收斂性能較好， 在迭代次數(shù)增加的情況下，接入節(jié)點的流速率呈現(xiàn)平穩(wěn)變化。

2） 由表1 的對比結(jié)果可知， 本文提出的管理技術(shù)， 在拓撲管理流數(shù)不斷增加的條件下， 軟件定義網(wǎng)絡(luò)拓撲流表缺失率較低， 網(wǎng)絡(luò)拓撲資源完整性較高， 優(yōu)勢顯著。