基于SDN架構的數據中心網絡路由算法需求分析

董希杰++尚智婕++李雨泰

摘 要：軟件定義網絡是一種新型化的網絡架構形式，是促成網絡實現自動化部署安排的重要手段。對軟件定義網絡技術的應用能夠實現數據與控制平面的分隔，進而達到對網絡流量的精準化控制。文章在軟件定義網絡架構的基礎上對數據中心網絡路由算法展開具體分析，以期能夠通過更低的網絡成本與最短安全路徑來實現對網絡路由效率與資源的充分應用。

關鍵詞：軟件定義網絡架構；數據中心網絡；路由算法

隨著當前網絡信息技術的快速化發展，網絡架構形式也愈發趨向于復雜化。為了能夠積極適應新型網絡技術與架構研究所提出的新要求，滿足更加多樣化、個性化的業務需求，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術也隨之產生[1]。通過對于此項技術的應用能夠實現轉發層和控制層的分離，使之達到更加靈活化的資源調度，并可減小網絡管理及運維成本，現已成為網絡研究的一項主要課題內容。對此，就針對基于SDN架構的數據中心網絡路由算法需求展開相關的研究工作有著一定的現實意義。

1 SDN概述

SND是基于Emulex網絡結構基礎之上所發展衍生出的一種新型化網絡架構形式，是實現網絡虛擬化最為重要的手段之一[2]，其中最為關鍵的技術手段OpenFlow主要是借助于對網絡設備數據面與控制面的互相分隔，來達到對網絡數據流量的精準化控制，從而促使網絡作為一種通信管道達到更高的智能化程度[3-4]。

數據中心網絡拓撲十分復雜，單個網絡系統常常會同時包括有多項子網系統，并且每一個子網還存在著多項數據轉發設備，例如較為常見的路由器、交換機等，對于個人用戶而言均要途經最少一條數據轉發途徑才能夠實現對目標主機的訪問。為了防范木馬病毒、黑客攻擊等意外情況的影響，用戶還需借助于一些安全服務來保證所獲取的數據信息不會受到安全威脅。針對用戶個體的網絡應用途徑與范圍不同，相應其所需要的安全服務也將有所差異，如果每一名用戶都要配備安全設施，所需應用到的網絡資源將成倍增加，而且很大一部分網絡資源也無法發揮出應有的作用價值而被無端浪費。為了能夠切實提升對設備資源的利用率，便可應用虛擬化網絡功能技術，來把預先安裝于子網內的安全設備抑或是中間件盒子來合并成為安全資源中心，應用SDN技術來實現對安全資源中心的管理與控制，合理配置網絡資源，依據用戶的實際需求來選取調出相應的安全功能，以便為廣大用戶提供以更具針對性的安全服務。

2 數據中心網絡路由技術

多路徑數據傳輸是數據中心網絡所必須要能夠滿足的要求，數據中信網絡拓撲結構的多樣化特征能夠給予鏈路多路徑輸送帶來更加便利性的條件，實施多路徑數據傳輸能夠有效減小丟包率，降低網絡服務延遲并促進網絡吞吐量的全面提升，以使得對網絡資源的利用率能夠達到更加合理化的程度。當前對于不同路徑流量分隔，提升網絡性能均已成為新路由研究的重點內容，具體的研究內容包括以下幾個方面。

2.1 單一靜態轉發

依據源頭抑或是目的地址來把數據流映射于固定化的鏈路之上，單一靜態轉發方式可以更為簡便、高效化地實現網絡流處置，然而卻不能從根本上保證每一鏈路間的流量均等，而且也無法依據網絡內各主機交互的頻繁性與鏈路承載能力來針對路由路徑制定動態化的調整策略，并以此來適應于網絡流量及鏈路變化[5]。

2.2 隨機等價分發

隨機等價分發（Equal Cost Mutipath，ECMP）算法是利用隨機等價的形式對于網絡結構內的流量進行分發，可依據網絡之中的流關鍵字來將不同的流配置于多條路徑之上，隨機等價分發最為突出的一項特征即為基于各條鏈路價值完全相同的基礎上來確保多路徑的負載均衡和流量備份目的，隨機等級分發路由的一個重要基礎便是假定每一條鏈路在帶寬和輸送能力上均完全一致。然而在網絡系統的實際運行過程中數據中心當中所接入的每一條鏈路其帶寬、延時、穩定性均有明顯差異，一旦各路徑間的差異較為明顯之時，再采用隨機等級分發便很難獲得較為滿意的效果。

2.3 智能啟發算法

這一算法形式是處理服務質量（Quality of Service，QoS）路由問題最常用到的一種算法形式，其中主要就包括了較為常見的蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法等，通過對智能啟發算法的應用可以十分有效地實現對網絡性能的優化改進。例如研究人員在流量工程內采用了蟻群算法來進行路由優化改進，將路由器內緩沖隊列的利用率作為接電選擇標準，鏈路利用率可充當蟻群算法當中全局更新信息素，選取多條鏈路來開展數據輸送。盡管智能啟發式算法可以對與整體網絡性能起到十分顯著的改進、優化效果，然而每一種算法間還存在著十分明顯的缺陷性，例如遺傳算法編碼及解碼均十分繁復，進行計算處理所耗費的時間相對較常，而模擬退火算法則會對于原始參數信息產生出更加明顯依賴性，路徑搜尋效率極為低下。對于算法內目標函數的創建和算法迭代次數的設定是未來在啟發式算法研究領域內的一個主要研究方向。

3 基于SDN的數據中心路由算法

3.1 QoS路由機制

3.1.1 路由模型

隨著當前網絡技術的高速化發展，網絡業務對于傳輸延時、帶寬容量、吞吐量等也提出了更高的要求，由此也便需要網絡能夠提供QoS保障。為了解決傳統網絡轉發形式所存在著的缺陷問題，研究人員提出了IntServ與DiffServ兩種QoS網絡架構，但是因為原有缺陷仍然存在，其均無法得到大規模的推廣普及。InServ可借助于資源預留來提供以端與端之間的連接QoS保障，系統在發出請求信息后經由傳統的路由協議來發送至最短路徑之上，若此路徑已嚴重阻塞，則請求將會返回，所要到達的目的地一致，其余路徑依然具備充足帶寬資源。DiffServ所采用的方法有所不同，其并非為所有流均預先留置資源，DiffServ是基于網絡入口位置標識出數據包，同時對其開展有限分類，盡管采取此種方案相較于InServ在拓展性上有所加強，然而其結構內網絡和端系統并不具備信令通信，既能夠做到對性能的保障，無法對端到端做出QoS保證。endprint

綜上，在本次研究中將通過對IntServ與DiffServ的合并應用來實現對端到端的QoS保證。在整個SND架構體系內，實現對數據與控制兩平面的分隔，轉發平面僅完成數據包互換，以及針對各項和QoS有關的數據包處置。

3.1.2 約束條件

考慮到本次研究所針對的是數據中心網絡，從絕大多數的數據中心網絡方面來看，網絡流將會體現出十分顯著的大象流與老鼠流特征，若流較小則會對延時性有著更高的要求，而對帶寬要求則相對較低；大象流則需時常進行大規模數據信息的傳輸，對于延時性的要求相對較低，然而在帶寬要求上則相對更高，一旦不能夠達到帶寬要求時便會造成延時增多，諸如備份與后置操作，從這一方面來思考，本文將對QoS的約束條件主要從延時和帶寬兩個方面來展開分析。依據路由過程之內網絡當中有可能會發生的阻塞情況，需針對后續新流實施調度處置，以免擴大目前鏈路的阻塞。

可選用圖論形式來表述網絡節點拓撲結構，網絡加權可表述為：G（V，E）。

在此之中V={v1，v2，…，vn}表示網絡內的節點集合，E={e1，e2，…，en}表示網絡當中的鏈路集合。

多路徑路由問題即為在G當中找出不少于一條發源于源點，直至目的地節點d的最短路徑。路徑p即為符合以上條件當中的一條路徑，其中主要就包括了所有參與路徑傳輸的交換機節點，對于網絡加權圖G設置標記變量λij，相應的若λij={1，0}，那么λij=1則代表鏈路ij位于路徑P之上。λij=0代表鏈路ij位于路徑P之外。

3.2 QoS路由算法

3.2.1 流量監控模塊

此模塊采用Flow_request向交換機發出流量請求信息，交換機在接收到信息以后回復信息，控制器解析以后便可獲得交換機的端口信息，并且在模塊內定義Storage，以用作對所獲得的交換機信息進行存儲，且為之后的路由計算模塊及阻塞調度模塊應用提供便利。還需注意的是，控制器和交換機的交互行為過于頻繁會導致通信壓力驟增，但若交互間隔時間過長又難以體現端口的流量變化情況。因此，根據實際測算，將時間間隔確定為5秒較為合理。

3.2.2 路由計算模塊

依據現已掌握的昂羅拓撲結構與鏈路負載信息應用多約束QoS路由算法來求出符合于約束條件的最短路徑，而后再調取應用pushRoute方式來發出Flow-mod消息并對交換機發送流表，并同時使流表被裝設于各交換機匹配規則當中，以完成數據包轉發功能[6]。

路由計算模塊主要方法包括：（1）Protected與QoSpath Routing，其參數為簇、源、目的和延時約束，返回類型為QoSpath，計算符合于QoS約束條件的所有路徑；（2）protect rpule getRoutes，其參數為源ID以及目的ID號，返回值為route，返回制定節點的相對路徑；（3）protected與QosPath delayADB，其參數與Routing方法總的參數基本一致，主要區別是帶寬約束條件不同，這一方法可被Routing調用，以實現對兩個約束條件的路徑計算。

4 結語

總而言之，基于SDN架構之下的數據中心網絡路由算法，可以在極度復雜的網絡模型、安全設備綜合化布置情形下來獲得個性化的安全服務支持，能創建出一種經過優化處理后的安全設備路由算法，在全面提升設備應用率基礎上降低對有限網絡資源的占用率[7]。網絡功能虛擬化程度的不斷加劇使得路由管理所面臨著的復雜性大大加劇，未經過優化改進的路由算法，必將會對其未來的發展產生不利影響。而通過將SDN技術運用到網絡設備管理及路由優化方面，必將會成為未來網絡技術研究領域內的一項重點內容。

[參考文獻]

[1]楊洋，楊家海，溫皓森，等.基于SDN流量測量的數據中心多路徑傳輸研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016（11）：53-58.

[2]孫三山，汪帥，樊自甫，等.軟件定義網絡架構下基于流調度代價的數據中心網絡擁塞控制路由算法[J].計算機應用，2016（7）：1784-1788.

[3]吳舜，邢寧哲，張輝，等.基于OpenFlow的數據中心名址分離及其路由算法研究[C].北京：中國電機工程學會電力通信專業委員會第十屆學術年會論文集，2015.

[4]董宏成，鄭飛毅.基于OpenFlow的數據中心網絡負載均衡算法[J].電子技術應用，2016（5）：120-123.

[5]王昌平，蔡岳平.數據中心網絡流量分類路由機制研究[J].小型微型計算機系統，2016（11）：2488-2492.

[6]王冰，趙書宜，張丹，等.基于Qos的SDN數據中心網絡控制架構的研究和分析[J].信息通信，2016（2）：32-33.

[7]賴香武，彭大芹，黃德玲，等.基于SDN的數據中心網絡路由算法研究[J].無線互聯科技，2016（24）：38-40.endprint