基于SDN架構一種動態流量監控方法

楊 旭

（公誠管理咨詢有限公司，廣西 南寧 530000）

互聯網目前已成為人類社會最重要的信息基礎設施，隨著互聯技術不斷發展，網絡運行中所帶來的一系列問題也逐漸凸顯出來，其中突出的是由網絡流量過大所引發的網絡擁塞；同時網絡設備和應用也日益復雜化，因此人們迫切需求對網絡流量進行高效的管理和監控。但是傳統方法來對網絡流量控制，是將控制邏輯和轉發邏輯都耦合在軟件或者硬件平臺上，使得其復雜程度高、靈活性低，限制了網絡設備對數據處理的能力。針對以上情況，提供一種基于SDN架構實現流量動態監控方法，以克服現有的采用傳統的方法進行流量控制所凸顯出靈活性差、復雜程度高及數據處理效率低等問題。

1 SDN定義

SDN（Software Defined Networking，軟件定義網絡）是一種新興的基于軟件的網絡架構及技術，是由美國斯坦福大學clean slate研究組新提出的一種新型網絡創新架構。其核心思想是通過分離網絡設備的控制面和數據面以實現底層網絡設備對上層應用的透明，使網絡具有靈活的軟件編程能力，提升了網絡的自動化管理和控制能力，虛擬化支持網絡資源優化調度和高效利用，為網絡新應用和未來互聯網技術的發展提供了一種新的解決方案。

SDN的架構一共可以分為三層，最上層是應用層，有著大量的應用和軟件，具有靈活的可編程性，是網絡能夠被運營商以編程的方式來訪問，從而實現自動化管理和服務編排，目前的網絡上的創新基本上都是出自這個層次。

中間控制層主要負責維護網絡拓撲，狀態信息等，是整個SDN架構的核心，各廠商爭奪SDN市場統治地位的最激烈的戰爭也將在這里發生。控制層在本地建立了用于創建轉發流表的數據集，數據集利用轉發流表在設備的出入端口之間轉發數據流量。控制層與上層的應用層和下層的物理層之間的兩個接口被成為南向接口和北向接口，控制層與這兩個層之間的交換被稱為Openflow交換，它可以完全取代商用交換機和路由器的第二層和第三層協議的功能。Openflow是一組協議和API，本身并不是一個產品，甚至不是一個產品功能。協議可以分成三部分：一是交換流表（Flow Table），是OpenFlow交換的關鍵，負責數據包的快速查詢和轉發；二是安全通道，負責傳遞控制器與交換機之間的管理和控制信息。三是Openflow協議，安全通道傳輸的是這個協議，如圖1所示。

圖1 SDN架構

最下層的硬件（基礎設施層）負責數據的處理，包括收集和轉發。通過一系列鏈路層操作來轉發、丟棄、重標記、計數和排隊（通過光纖、線纜或者無線媒介）到來的數據分組。基礎設施層由各種物理設備組成，是IT的基礎。

2 基于netmagic平臺的網絡架構詳細設計

這是一種基于SDN架構動態流量監控的方法，其特征在于：通過控制層和轉發層分離的架構實現方便、快捷的動態流量監控；硬件采用FPGA平臺設計令牌桶算法和調度電路實現靈活的動態帶寬分配，有效應對突發流量情況

根據上面的分析，我們可以知道SDN架構的本質就是控制和轉發分離，首先，首先由上層軟件控制器通過連接在控制器和FPGA間的通信協議發送參數配置命令，FPGA平臺在接受到發送的命令后，進行識別，若是發送給自己的命令則根據通信協議進行解析，若否則做相應處理。然后提取命令中的有效信息（地址、數據和動作等），根據地址信息找到該地址空間，并將數據信息寫入指定內存單元。當檢測到對應的內存單元更新數據，則將數據讀出作為令牌桶模塊和調度模塊配置參數。根據不同端口輸入的報文，將報文標記不同類型，同時也修改為不同信息源、不同類型等報文，視實際需求而定。并存入對應的FIFO（First Input First Output，先進先出隊列）緩存中。當令牌桶中令牌數量滿足一定條件時，則允許當前報文通過，即從緩存FIFO中讀取報文轉發，并減少相應數量令牌，否則等待。當檢測到FIFO的緩存隊列長度大于設定的閾值時，則給令牌調度模塊發送調度請求。收到調度請求后，調度模塊將原先指向虛擬桶的發令牌路徑調度至該FIFO。若在設定的時間到達，檢測緩存FIFO隊列長度依然大于設定的閾值，則向控制器發送反饋信號。控制器收到反饋信號后，根據實際需要作出相應動作。第一次收到調度請求后記為1次調度，若M（M＞1）次調度則將令牌路徑由當前FIFO調度至發起調度請求FIFO。若需要大規模令牌桶組完成流量控制，則設置多個數量虛擬桶，可同時滿足多個令牌桶組調度。

2.1 控制層軟件說明

通過運行在本地主機和FPGA平臺間通信協議所提供可編程接口，實現友好的交互控制界面，便于高效、快捷訪問FPGA內部地址空間和接受底層FPGA反饋信息。在控制器向FPGA發送命令，FPGA收到命令后，則根據通信協議的格式，提取命令中有效信息存入指定地址的內存空間。然后讀取指定地址內存空間中數據信息，完成令牌桶模塊和令牌輪詢調度模塊參數配置。設計令牌桶模塊可配置參數包括令牌增加的時間間隔T（時間粒度）、T周期向令牌桶內添加的令牌個數N、令牌桶中可放置的最大令牌數（桶深）L；輪詢調度模塊計時參數Time。

2.2 轉發層硬件邏輯機制

在接收到來自輸入控制模塊的報文后，會根據不同的輸入端口，將輸入報文標記相應類型。更為方便論述后續內容，設定三個輸入端口port1、port2、port3，同時將對應報文標記為類型1（PR1）、類型2（PR2）、類型3（PR3）。將每個類型報文分別存入對應的FIFO中，并設定FIFO的閾值Thi（i=1、2、3）。其中，FIFO緩沖接口采用雙端口設計，即讀寫同時進行，提高報文處理速度，若FIFO有溢出則丟棄當前報文。緩沖隊列長度檢測模塊根據FIFO輸出信號usedw，實時檢測FIFO的隊列長度（Length）。

流量控制模塊由3個令牌桶組和1個虛擬調節桶構成，每個令牌桶組共用一個令牌信號，令牌輪詢調度模塊根據計數器CT以周期T向3個令牌桶組和1個虛擬調節桶發送令牌信號。3個令牌桶組的桶深L相同，T周期向類型為PR1、PR2、PR3令牌桶組內添加的令牌個數分別為N1、N2、N3；同時也可以設置多個虛擬桶。令牌桶組有足夠令牌時，則從對應FIFO中讀出報文并順利轉發，同時令牌桶內減少令牌數量。當第i緩沖隊列的長度大于或等于設定的閾值時，則向令牌輪詢調度模塊發送請求信號Req_i，同時啟動超時計數器Toc，將向虛擬調節桶發送令牌信號的路徑調度至相應FIFO路徑并保持令牌輪詢調度模塊發送令牌信號周期T不變。其中超時計數器每個時鐘周期計數一次，直到計數值等于終止值Sum，停止計時，并清零計數器等待下次啟動。待超時計數器停止，撤銷請求信號Req_i，同時檢測某緩沖隊列的長度，若小于設定的閾值時，表示硬件“自調整”成功，待其他隊列發起調度時，則進行二次調度，即將當前路徑調度至該緩存隊列，其后調度則以此類推。若仍然大于或等于閾值，說明“自調整”失敗，同時向上層控制器發送反饋信號。

上層控制器接收到底層FPGA發來反饋信號后，做出相應動作同時撤銷反饋信號。所謂的相應動作就是由實際需要決定控制器是修改令牌桶模塊參數或調度模塊計時參數Time，調節輸出帶寬大小；還是不作處理。

沖突解決機制：一是若某個緩存隊列正在進行“自調整”的期間，另一個緩存隊列也發送“自調整”請求信號，則由設計的調度算法，等待上一個緩存隊列“自調整”完成后處理下一個隊列發起的請求；二是若同一時刻有兩個或兩個以上（單個虛擬桶情況）緩存隊列向令牌調度模塊發起調度請求，則不進行自調整，直接向上層控制器發送反饋信號，由控制器做出相應動作處理；三是若設定多個虛擬桶，處理方式按上述類推。基于FPGA流量監控總體方案設計圖見圖2。

圖2 基于FPGA流量監控總體方案設計圖

下面以netmagic平臺為例結合圖3詳細闡述完成具體實施方式和流程（一次調度）。

圖3 基于FPGA流量監控硬件程序設計流程圖（一次調度）

首先由通信協議（NMAC協議）所提供的可編程接口實現交互界面，由控制器向硬件平臺發起建立連接的請求，通過三次握手與底層FPGA建立連接。通過控制器界面編輯命令信息發送到FPGA嵌入RAM表中（如RAM0，RAM1..RAMn），FPGA接受到控制器發來的命令，首先按相應通信協議格式和規則解析命令，提取其中有效信息，在FPGA內存空間尋址，尋址完成即將相應數據存入該地址空間（RAM0，RAM1..RAMn）。其中流量控制模塊中的3個令牌桶組和令牌輪訓調度模塊檢測到指定內存空間（RAM0，RAM1..RAMn）有數據更新，則讀取指定內存空間數據信息完成參數初始化配置，包括3個令牌桶組。在完成對流量控制模塊和令牌調度模塊的參數初始化后，開始接收報文數據。控制器對硬件參數配置示意圖見圖4。

圖4 控制器對硬件參數配置示意圖

然后，根據不同端口輸入的報文，將報文標記為類型1（PR1）、類型2（PR2）、類型3（PR3）；并寫入對應的緩存FIFO中；如3’b001表示由第一個端口輸入的報文。當檢測到FIFO非空（empty==0），對應令牌桶組將提取到的報文長度（字節）與組內令牌桶內令牌數量相比較（從第1個桶遞增向下比較），若第K個桶令牌數量滿足，則報文從第K桶發送出去，同時K桶內減少一定數量令牌；若不滿足，則等待有足夠令牌，再發送報文。

當令牌輪詢調度模塊狀態一（Current_state）計數器滿（CT==time）則向三個令牌桶組發送令牌信號Flag，同時將計數器清零（CT＜=0）令牌組接收到信號后將加令牌信號add_flag置1，桶未滿則加令牌，反之丟棄令牌；狀態二（next_state）當計數器重新計數滿（CT==time）則向虛擬調節桶發送信號Flag，下個時鐘將計數器清零（CT＜=0）同時返回狀態一（Current_state），即完成一次循環需要2T時間。

檢測到第i緩沖隊列FIFO當前隊列長度大于等于閾值（length_i≥Thi），則向令牌輪詢調度模塊發送請求信號Req_i同時啟動超時計數器（Toc＜=Toc+1）；令牌輪詢調度模塊收到請求信號后，在狀態二中等待計數器滿（CT＜=Sum），將向虛擬調節桶發送令牌信號的路徑調度至相應FIFO路徑。等待超時計數器停止（Toc==Time），撤銷Req_i，再次檢測當前緩沖FIFO隊列長度Length_i并判斷與FIFO閾值Thi大小，若Length_i≥Thi，則向控制層發送反饋信號Ret_i，控制器接收到Req_i信號，則根據需要作出相應處理動作，可向硬件指定存儲空間（RAM0、RAM1...RAMn）配置不同參數改變輸出帶寬大小（在滿足要求情況下，簡化硬件設計，配置令牌調度模塊計數器Time參數較為方便）。

3 結束語

方案主要設計構思為：一是結構上本設計采取控制和轉發分離架構，簡化硬件設計，根據SDN思想即由控制器實現動態對硬件相應參數配置靈活控制輸出流量大小，滿足設計實時性和靈活性要求；二是正常情況下令牌桶組具備相同時間粒度，也就是由調度模塊同一時刻向令牌桶組發送令牌信號，這樣不僅可以在較低時鐘頻率情況下，實現精確和大范圍的流量控制同時避免了需要在調度模塊設計多個計時邏輯的復雜情況從而使用戶更為快捷對流量調控，減少復雜參數配置。三是有突發流量時，硬件通過動態帶寬分配進行自調整，即調度模塊可在極短時間內將虛擬桶發令牌信號調度至相應令牌桶組，進而縮短發令牌時間周期，加快報文轉發速度，當有長時間流量激增情況下，通過反饋信號，用戶通過控制器做出相應動作處理；四是根據不同端口輸入報文的分類可以靈活監控指定端口流量大小，實現動態帶寬分配。