基于SDN及NFV的電力數據中心網絡資源調度架構研究

黃 輝， 王易文， 沈衛康

(1. 國網智能電網研究院， 南京 210003; 2. 南京工程學院 通信工程學院， 南京 211167)

基于SDN及NFV的電力數據中心網絡資源調度架構研究

黃 輝1， 王易文1， 沈衛康*2

(1. 國網智能電網研究院， 南京 210003; 2. 南京工程學院 通信工程學院， 南京 211167)

電力信息系統數據中心面臨著網絡資源的有效及高效利用的問題，軟件定義網絡(Software-defined networking, SDN)從架構上看很適合做資源調度，網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)又提供了上層應用的靈活性。結合電力系統業務的特殊性，對數據中心的SDN及NFV應用場景進行分析，結合電力數據中心網絡資源調度提出相應的技術部署方案。

軟件定義網絡(SDN)； 網絡功能虛擬化(NFV)； 數據中心； 資源調度； 智能電網

0 引言

在網絡技術和服務需求的快速發展年代，電力企業的數據中心網絡面臨新的變革與機遇[1,2]。首先，分散的小型數據中心面臨著繁瑣的設備、復雜的布線以及數據中心間鏈路的的利用；其次，服務器虛擬化、網絡虛擬化技術更便于適應用戶的多種需求；以服務為驅動的新型模式，讓數據中心的架構需求更趨于動態、復雜。近年來軟件定義網絡(Software-defined networking, SDN)技術成為了繼云計算、大數據后，學術界和產業界都普遍關注的課題，作為被Gartner列為IT領域未來五年內十大關鍵技術之一[3,4]。Google數據中心在使用基于OpenFlow的SDN技術后，便迅速成為SDN應用場景的標桿之作[5-7]。網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)在虛擬化領域廣泛的應用前景，使數據中心的應用更為彈性[8-10]。

1 數據中心與SDN

電力系統能量管理數據和用電管理數據之間有著許多共享信息，為保證各種應用系統能夠快速安全工作，電力系統設置幾個工作區，如圖1所示。

圖1 電力數據中心網絡資源調度框圖

本方案主要以軟件定義網絡為基礎設置數據中心，利用軟件定義網絡的特性制定流量調度的相關算法，進行數據中心管理。流量調度系統作為整個網絡的核心，用軟件定義網絡的統籌安排的特性，當交換機把流量信息通過PacketIn消息上傳給流量調度系統，系統會對其進行流量類型識別控制。將已經識別的流量進行針對性的流量疏導策略制定，策略確定后將其貫徹到相關的轉發設備上(基于軟件定義網絡的交換機)。

本文方案在保證網絡正常通信的情況下，具有如下特點：

1) 通過深度包解析協議匹配算法實現對流量的精確匹配；

2) 并根據流量特征對流量進行優先級分類；

3) 通過可行路徑分析算法實現端到端可行路徑的全面掌握；

4) 對鏈路狀態信息進行實時更新，利用鏈路信息分析算法計算全網鏈路的擁塞狀況；

5) 以可行路徑、鏈路狀態信息等為參數，通過最優路徑算法實現最優路徑的確立；

6) 最后通過調度決策算法實現策略下發，確保制定的轉發策略符合實時鏈路狀態情況下的最優路徑。

2 中心網絡資源調度系統軟件架構

電力中心網絡資源調度系統軟件架構基礎控制層，如圖2所示。

圖2 電力數據中心網絡資源調度系統軟件架構

基礎控制層的功能是提供一些基礎的管理服務，保證網絡的正常通信。該層主要包括協議插件管理器、設備管理、拓撲管理、統計管理。協議插件管理通過插件機制來支持多種不同的網絡協議，通過協議插件向上層提供鏈路控制和數據包控制功能。該模塊用于在啟動后載入注冊的各個協議插件，在收到或發送消息時根據協議類型使用不同的協議插件對消息進行解碼或編碼。設備管理對接入SDN網絡中的交換機、主機等終端設備進行管理，在控制器中為每一個交換機創建一個交換機實例，記錄交換機的狀態信息，端口(類型，狀態，工作模式，帶寬大小等)，并維持此交換機實例與物理交換機之間的狀態連接，對出現的各種影響網絡拓撲事件(如交換機下線，端口down等)快速及時響應。拓撲管理主要用于管控整個網絡中所有物理交換機之間的鏈路信息。交換機連接到控制器之后，向物理交換機管理模塊上報其所有包含的端口信息。物理網絡拓撲管理遍歷交換機的所有端口，并發送BGP探測包，用于探測物理交換機網絡的拓撲鏈路結構。當有新交換機加入到網絡中時，可以將其加入到交換機隊列中，并立即觸發發送BGP報文，測量其和其他交換機的連接關系。另外，就是周期性的遍歷所有交換機發送BGP報文，以即使將物理網絡的拓撲變化，反映到流量調度系統中。另外，當物理交換機和控制器斷開連接時，需要對物理網絡拓撲進行相應的修改。統計管理啟動該模塊后需要初始化統計模塊需要的如存儲和采集需要的資源，向其他模塊提供統計服務。核心管理該模塊是基礎控制模塊和調度策略層的核心，將協議管理插件的OF消息轉化其他模塊用于監聽的事件，作為流量調度系統的事件轉換中樞。

策略調度層本系統的核心部分，承擔著整個資源調度解決方案的策略制定。該層主要包括流量智能識別分級、可行路徑計算、鏈路狀態分析、最優路徑計算、調度策略制定、最優策略監控。由于網絡中有著協議類型豐富的流量，不同類型的流量用戶的使用頻率也不同。本課題根據網絡數據的分析結果，對流量類型按用戶使用頻率進行分類，并且制定相關優先級，對協議插件管理模塊解析的數據包進行深度解析，確定其類型，并映射為相應的優先級，為上層模塊提供服務。流量優先級確定后，獲取流量的端到端具體信息，根據確定的源端和目的端信息進行可行路徑計算，使用路徑計算算法得出該流量在網絡中的可行路徑結果。鏈路狀態分析對流量的可行路徑對路徑中鏈路的狀態進行逐條分析，包括鏈路帶寬、鏈路吞吐量、鏈路利用率等信息，并依照狀態分析算法計算出鏈路傳輸質量。以可行路徑和鏈路狀態為基礎，進行路徑最優化選擇，按照最優路徑算法對到達目的地的可行路徑逐條對比，計算出最優路徑。根據最優路徑結果向網絡物理設備進行映射，與基礎控制層進行映射鏈接，對流量進行調度決策。對流量調度策略進行實時監控，并將制定的流量調度策略與最新鏈路狀況進行比對，保證流量最優路徑的實時性和有效性的策略監控。

接口層層為外界訪問流量調度系統的接口，可以通過本地方法調用、RPC等面向過程的訪問工具，也可通過符合REST架構風格的面向對象的訪問工具。目前業界比較通用的接口是REST API，該接口是Roy Fielding在他的博士畢業論文中提出來的一種軟件架構風格，該論文對多種現有的多種架構風格進行了橫向比較，經多角度權衡制定了該架構風格。使用符合REST的架構風格，能有效的利用HTTP協議規定的URL通用接口，便于網絡緩存、本地緩存、代理服務器等技術的復用。REST的重點是以資源為核心，而URL完全可以勝任這項工作，所有的網絡資源的定位工作均由URL承擔。作為整個資源的中樞，URL的定義和協調顯得尤為重要，不僅需要結構簡單，而且層次還要分明。從用戶的角度出發，URL的定義可以預測，實現快速操作的目的。

3 總結

本文首先對SDN及NFV的架構進行介紹，并對電力系統數據中心網絡資源調度提出相應的技術及部署應用方案。采用基于SDN技術的網絡資源調度架構，能夠實時的獲取網絡狀態，并能根據狀態信息對網元進行實時管理和控制。相比傳統網絡靜態部署的靈活性差、復雜度高、可操作性弱的特征，該架構具備了高靈活性、可編程、便于部署的優點。該部署方案對數據中心間的網絡資源調度具有較強的實施價值。

[1] Mendonca M, Nunes B A A, Nguyen X N, et al. A survey of software-defined networking: Past, present, and future of programmable networks[J]. IEEE Communications Society, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2014, 16(3).

[2] Mckeown N, Anderson T, Balakrishnan H, et al. Open-flow: Enabling innovation in campus networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2008, 38(2):69-74.

[3] 邢寧哲，吳舜，萬瑩 等. SDN技術在電力企業數據中心應用的探索與研究[J]. 電信科學，2015(5): 128.

[4] 吳鵬，吳軍民，劉川，等. 軟件定義網絡在電力數據通信網中的應用研究[J]. 信息技術，2014(1): 52-55.

[5] Li Qiang, Wang Hong, Wang Lechun. Research of P2P based distributed network management[J]. Computer Engineering, 2006, 32(13).

[6] ONF. OpenFlow Switch Specification Version 1.3.1, 2012.

[7] ONF. SDN Architecture Overview Version 1.0.

[8] Yoon C, Park T, Lee S, et al. Enabling security functions with SDN: A feasibility study[J]. Computer Network, 2015(85): 19-35.

[9] Wang Yang, Yu Yiming, Li Xin, et al. Using SDN in centralized data centers in power communication networks for data and network reliability[C]. Asia Communications and Photonics Conference, ACP 2014.

[10] Xiao Peng, Qu Wenyu, Qi Heng, et al. The SDN controller placement problem for WAN[C]. 2014 IEEE/CIC International Conference on Communications in China, ICCC 2014.

Research on Power Data Center Network Resource Scheduling Architecture Based on SDN and NFV

Huang Hui1, Wang Yiwen1, Shen Weikang2

(1. The Smart Grid Research Institute of National Grid, Nanjing 210003, China; 2. College of Communication Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

The data center of power information system is faced with the problem of effective and efficient use of network resources. SDN is very suitable for resource scheduling, and NFV provides the flexibility of application. In this paper, the SDN and NFV application scenarios of the power system are analyzed, and the corresponding technology deployment scheme is proposed.

Software defined networking (SDN); Network functions virtualization (NFV); Data center; Resources scheduling; Smart power grids

國家電網公司2014年科技項目(5455HT150017); 江蘇省未來網絡創新研究院未來網絡前瞻性研究項目(BY2013095-4-07)

黃 輝(1978-)，男，無錫人，高級工程師，碩士，研究方向：電力通信、下一代網絡等 王易文(1992-)，男，張家港人，碩士研究生，研究：電力通信等 沈衛康(1961-)，男，教授，研究方向：電力通信、無線電通信等

1007-757X(2017)03-0053-02

TP393

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2016.12.12)