基于電力數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的SDN控制器優(yōu)化部署

李志偉++王易文

摘 要：隨著SG-186工程及隨后的SG-EPR的提出，智能通信信息平臺(tái)的建設(shè)和發(fā)展，電力數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有的電力數(shù)據(jù)中心處理龐大數(shù)據(jù)的效率不高，無(wú)法滿(mǎn)足電力用戶(hù)的需求即服務(wù)質(zhì)量（QoS）得不到保障。通過(guò)對(duì)電力數(shù)據(jù)中心的分析及對(duì)SDN的研究，闡釋了SDN對(duì)電力數(shù)據(jù)中心的實(shí)用性，將SDN合理的運(yùn)用于電力數(shù)據(jù)中心，并在此基礎(chǔ)上提出一種優(yōu)化方案，最后在mininet實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真測(cè)試。

關(guān)鍵詞：電力數(shù)據(jù)中心；SDN；控制器

引言

電力數(shù)據(jù)中心作為電力行業(yè)信息化的載體，主要是提供信息的分析處理及存儲(chǔ)的能力，是電力信息技術(shù)服務(wù)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，保證電力信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)連續(xù)、可靠、安全地運(yùn)行。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的到來(lái)，電力數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)大，體系愈發(fā)復(fù)雜，這使得電力數(shù)據(jù)中心涉及到的光纖交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、安全設(shè)備、接入交換及匯聚交換設(shè)備等軟硬件設(shè)備數(shù)目越來(lái)越大，同時(shí)SG-EPR業(yè)務(wù)在電力數(shù)據(jù)中心的部署讓業(yè)務(wù)的種類(lèi)及數(shù)量增加，信息系統(tǒng)災(zāi)備業(yè)務(wù)的龐大數(shù)據(jù)量會(huì)占用較大的帶寬，最后從近幾年的數(shù)據(jù)看來(lái)，電力數(shù)據(jù)中心由于要具備較高的穩(wěn)定性并且要保證供電可靠性，能耗也普遍提高。

針對(duì)傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的這些問(wèn)題，很多學(xué)者和專(zhuān)家都在思考解決的方案，特別是最近幾年大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的出現(xiàn)，都可以對(duì)電力數(shù)據(jù)中心的體系有所改善。而軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）自2009年入圍十大前沿技術(shù)后就一直備受關(guān)注，SDN網(wǎng)絡(luò)的部署是通過(guò)軟件來(lái)定義來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其本質(zhì)屬性是控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離、具有開(kāi)放的編程接口和集中化的網(wǎng)絡(luò)控制。SDN使網(wǎng)絡(luò)的管理變得更加便捷和靈活，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的自動(dòng)化部署，提高了資源的利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)成本，推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。SDN的思想符合網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單、開(kāi)放、可編程和易擴(kuò)展的要求，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大力支持，被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，成為近年來(lái)業(yè)界的熱門(mén)技術(shù)。

1 基于SDN的電力數(shù)據(jù)中心體系架構(gòu)

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它將傳輸網(wǎng)絡(luò)中的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，并推送到集中式的控制器中。SDN集中控制方式屏蔽了物理設(shè)備的差異性，并通過(guò)南北向接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程化控制。將SDN技術(shù)應(yīng)用到電力數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建軟件定義電力數(shù)據(jù)中心體系，主要的功能優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：（1）集中高效的管理和運(yùn)維數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；（2）多路徑轉(zhuǎn)發(fā)功能；（3）智能的虛擬機(jī)部署和遷移；（4）高效的資源優(yōu)化配置和彈性調(diào)度。

經(jīng)典的三層架構(gòu)如圖1所示，SDN基本架構(gòu)如圖2所示。

電力數(shù)據(jù)中心SDN系統(tǒng)架構(gòu)借鑒了業(yè)界流行的三層架構(gòu)。底層采用通用轉(zhuǎn)發(fā)平面構(gòu)建物理承載網(wǎng)絡(luò)，南向采用支持異構(gòu)設(shè)備接入的、面向演進(jìn)的適配接口，目前支持主流的OpenFlow南向接口協(xié)議網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分散資源的統(tǒng)一控制，承載層實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)快速感知與對(duì)接，北向支撐電力應(yīng)用層平臺(tái)，為管理者提供簡(jiǎn)單、靈活的用戶(hù)界面。電力數(shù)據(jù)中心SDN系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

2 SDN控制器組部署優(yōu)化

SDN控制器在SDN架構(gòu)中處于核心地位，是SDN體系的控制中心，它的功能性直接會(huì)影響到整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)，也是決定SDN能大規(guī)模應(yīng)用的前提。

我們把控制器分為不同的層次：最下面我們稱(chēng)之為南向接口層，有OpenFlow、NetConf/XMPP、BGP等不同的數(shù)據(jù)協(xié)議，因?yàn)榭刂破魍乱芾聿煌墓?jié)點(diǎn)，這些不同的vSwitch或者物理交換機(jī)使用的協(xié)議不一樣。第二層是SAL適配層，這一層屏蔽了不同的廠(chǎng)商或者不同的設(shè)備對(duì)南向提供接口的差別，讓上層的模塊運(yùn)行起來(lái)可以?xún)H僅針對(duì)他關(guān)心的業(yè)務(wù)處理，而不用關(guān)心不同廠(chǎng)商的API有什么差別。再往上就是基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)功能模塊和內(nèi)置應(yīng)用，其中最關(guān)鍵的計(jì)算都是由Overlay模塊完成的。接著往上就是北向接口層了，就是可編程的控制器要對(duì)外提供一個(gè)良好的編程接口。最后還有一部分就是管理層，其中有軟件的管理、軟件自身的升級(jí)、增加模塊、生命周期管理、集群的管理及一些UI的界面。控制器邏輯層次如圖4所示。

在SDN體系架構(gòu)中都有一個(gè)SDN控制器，但是如果將SDN應(yīng)用到電力數(shù)據(jù)中心中去處理龐大的數(shù)據(jù)的時(shí)候，單節(jié)點(diǎn)的控制器肯定效率比較低，或者如果真的有這樣一臺(tái)控制器，那造就的成本一定很高，而且可靠性差，一旦受到攻擊會(huì)影響整個(gè)體系運(yùn)轉(zhuǎn)。單個(gè)控制器控制基本型架構(gòu)如圖5所示。

針對(duì)單一控制器的弊端，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，采用控制器組的方式進(jìn)行部署，將一臺(tái)變成多臺(tái)，其中一部分是主控制器一部分是副控制器，主控制器對(duì)上提供北向的訪(fǎng)問(wèn)接口，負(fù)責(zé)對(duì)這個(gè)控制器組進(jìn)行管理，副控制器就負(fù)責(zé)管理控制交換機(jī)，連接交換機(jī)的方式即南向接口。把所有的主控制器放在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，作為主控制器組，其他的作為備份，這就保持這個(gè)控制器組有一個(gè)持續(xù)的不間斷的對(duì)外提供北向接口的能力。下面的一些副控制器分到一個(gè)一個(gè)的區(qū)域內(nèi)，一個(gè)區(qū)域不止一臺(tái)副控制器，交換機(jī)會(huì)連接到一個(gè)區(qū)域所有的副控制器上，在一個(gè)區(qū)域的的副控制器中選取一個(gè)作為主，這樣一個(gè)交換機(jī)有多個(gè)副控制器，如果主的那個(gè)宕掉了，這個(gè)交換機(jī)發(fā)現(xiàn)以后就可以從剩余的里面選擇一個(gè)新的，備變成主，這樣就可以提供一個(gè)不間斷的服務(wù)能力，提高了可靠性。如圖6所示。

在這些控制器之間都是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的，也包含實(shí)時(shí)備份的功能，當(dāng)某臺(tái)控制器業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)變化時(shí)，其數(shù)據(jù)會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)SDN單一控制器的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化部署之后可以大大提高其安全性能，提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心的可靠性，可以預(yù)防對(duì)主控制器進(jìn)行攻擊的安全性問(wèn)題，同時(shí)多個(gè)控制器也能提高數(shù)據(jù)中心的工作效率而且多個(gè)控制器是對(duì)單一控制器的簡(jiǎn)化后的控制器組，相對(duì)而言成本也有所降低。

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