基于SDN的網絡流量分配機制研究

彭財靜

（陜西國際商貿學院信息工程學院 陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著4G網絡的飛速發展和5G時代的到來，我國網絡用戶規模截至2021年12月已經達到了10.32億。網絡的數據承載量達到了海量級別，而傳統的蜂窩式網絡架構下有限的帶寬資源和存儲容量已經很難滿足此量級下的資源管理需求[1]，網絡擁塞、負載不均衡、資源分配不合理、傳輸延時等問題成了限制第五代移動通信技術（5th generation mobile communication technology，5G）[2]網絡發展的主要原因。由于傳統的蜂窩式網絡架構采用的是封閉式網絡設備部署，隨著網絡規模的不斷擴大，基于封閉式網絡設備的協議部署愈加復雜，這使得網絡優化變得極為困難，新的改進技術很難在真實環境中進行實踐和驗證，也導致上述問題得不到有效解決，因此采用新型的軟件定義網絡（software defined network，SDN）架構，以網絡虛擬技術為核心，將網絡設備與數據傳輸進行分層式控制，能夠有效解決原有網絡架構下的性能優化受限問題，同時將SDN架構與5G網絡的切片技術相結合，構建更為靈活的基于5G網絡的流量資源分配機制，以提高網絡資源的調度效率、促進網絡資源的合理化分配。

1 核心技術及架構概述

1.1 5G網絡切片技術

5G網絡切片技術是通過網絡虛擬技術以特定的網絡性能或功能為標準對網絡進行的邏輯分割，構建邏輯上功能獨立、性能也符合用戶特定需求的獨立網絡。借助網絡切片技術能夠為網絡用戶提供差異化網絡服務，滿足運營商的個性化網絡部署需求。網絡切片技術主要應用于3類基礎網絡的切分，包括：接入網、傳輸網和核心網[3]。

接入網切片主要用于實現網絡接入所需協議標準和視頻資源的個性化定制，通過協議棧切分將基帶處理單元（building base band unit，BBU）拆分為集中單元和分布單元[4]兩個部分，集中單元用于非實時性業務的接入處理，分布單元用于實時性業務的接入處理。

傳輸網切片用于實現不同業務需求下的網絡傳輸個性化服務，通過網絡虛擬技術對網絡的鏈路節點、傳輸端口等資源進行虛擬化分割，在物理層上構建多個獨立的邏輯傳輸子網，各子網之間相互隔離，互不干擾。采用了SDN架構的傳輸網絡切片網絡流量控制模式可以分為基于數據平面的通道硬隔離和基于控制平面的網絡拓撲資源隔離，前者用于實現網絡切片內端到端的通道隔離，并匹配有相應的調度策略；后者用于實現網絡切片內的通道控制，包括切面控制、鏈路控制、端口和協議棧控制等。

核心網切片用于提供具體業務場景下的個性化服務，相較于4G網絡的網元集中控制模式，核心網切片將網元功能進行解耦合模塊化，并按照具體業務需求以組件的形式進行靈活整合。各組件之間可以通過開放接口進行通信，也可以根據業務需求變化動態擴展與裁剪。

1.2 SDN架構

SDN架構采用網絡虛擬技術基于邏輯層面將網絡劃分為3層，自底向上包括數據層、控制層和應用層[5]，見圖1。

數據層為最底層，由網絡硬件設備構成，該層的網絡設備通過控制層動態生成的數據流表進行數據的交換與轉發，本身不再兼具協議控制、網絡資源調度等控制職能，大大簡化了硬件設備的協議部署、功能配置等工作。

控制層由可編程的SDN控制器構成，通過軟件編程方式實現對數據層設備的通信控制、對應用層數據的格式處理以及網絡資源的動態調度，并提供了南向與北向兩個通信接口，南向接口負責與數據層通信，北向接口負責與服務層通信[6]。

應用層由多個SDN應用構成，提供面向用戶的各類應用程序服務，并以數據請求的形式向控制層傳遞相關的數據信息，由控制層完成具體的業務處理。

由各層的功能劃分可知，SDN架構的主要目的是將物理網絡的網絡鏈路進行軟控制和硬通信的邏輯解耦，通過核心控制層對網絡流量進行可編程的靈活控制，大大提高了網絡功能部署的靈活性與擴展性。

2 網絡流量分配機制

為了實現端到端的全方位網絡服務，網絡服務供應商會依據各類行業的個性化服務需求進行網絡切片的劃分。單個切片可以面向單一特定行業為多個租戶提供垂直服務，租戶網絡之間的業務相近，但分配的網絡資源是相互隔離、互不干擾的。網絡流量的資源分配指的是兩方面的資源調度，一是租戶網絡切片之間的資源分配，二是租戶網絡的片內資源分配。根據資源分配對象不同，切片網絡流量分配機制主要可以分為靜態分配與動態分配兩大類。靜態分配機制是指網絡路由的分配和選擇由網絡管理員手動完成，網絡管理員需要依據當前的業務需求與網絡拓撲分析手動配置路由表，可以用于租戶網絡片間的資源分配；動態分配機制則是依據動態路由算法自動生成并能夠實時更新路由表的一種的分配機制，可以用于租戶網絡片內的資源分配。這里僅針對租戶網絡片內的動態資源分配展開討論。

動態流量分配機制的傳統路由算法主要有3類：距離收斂路由、鏈路狀態路由和路由算法[7]。

距離收斂路由算法是一種實現簡單且高效的算法，主要應用于自治系統的內部流量分配，例如內部路由選擇（routing information protocol，RIP）協議、內部網關路由選擇（interior gateway routing protocol，IGRP）協議等都采用的是距離收斂路由算法來構建動態路由表。該算法依據相鄰路由器的信息交換匯總生成路由表，以數據報轉發路由節點數量最少的路徑為最優路徑選擇。

鏈路狀態路由算法是大型網絡中應用最為廣泛的一種算法，該算法在網絡切片內通過路由節點的信息交換收集所有節點的鏈路信息，以此對當前網絡切片的全局鏈路狀態進行描繪，切片內路由節點就可以依據一致的鏈路狀態信息創建和維護路由表。對于每個路由器節點需要完成的工作包括：與相鄰的節點交互路由地址；計算與相鄰節點的轉發距離和流量開銷；將獲取和計算的信息封裝為鏈路狀態信息包并轉發給相鄰路由；計算最優的轉發路徑并生成路由表。

路由算法是自組網中較常應用的一種算法，自組網切片的移動終端既要負責應用功能的實現，例如瀏覽器程序，又要負責主機功能的實現，例如路由、數據分組、數據報轉發等，采用源路由算法可以有效緩解自組網切片移動終端用戶的路由負載。該算法主要通過數據源主機提供完整的路由選擇策略，并將路徑信息封裝在數據分組的報頭，轉發的中間節點無需維護路由表，也不需要再進行路由選擇的計算，直接按照源主機提供的路由分組序列進行轉發即可，大大減輕了中間節點路由開銷，也避免了路由環路。

以上3種傳統的動態路由算法都是基于鏈路權重的算法。鏈路權重是傳統網絡架構下各類路由協議中非常重要的組成部分，鏈路權重的計算對網絡硬件依賴度非常高，這使得鏈路權重的計算普遍具有一定的靜態性和片面性，也大大限制了網絡的彈性擴展和資源的有效利用，而SDN架構的引入可以有效解決上述問題，進一步提高鏈路權重的計算效率和動態路由分配的靈活性。

3 基于SDN的鏈路權重算法

鏈路權重是網絡流量分配的重要依據，也是SDN架構流量分配機制的熱點研究問題，基于SDN架構的鏈路權重計算可以分為靜態權重計算與動態權重計算兩類。

3.1 靜態鏈路權重計算

靜態鏈路權重的計算，首先需要通過SDN器控制獲取傳輸網絡切片內的網絡拓撲信息，然后為每條鏈路計算權重值，主要的計算方法包括鏈路的節點跳數計算法、距離矢量計算法和帶寬倒數法，不同的算法所依據的參數指標也不相同，鏈路的節點跳數計算法是最小標準；距離矢量計算法的路徑距離最小標準；帶寬倒數法是最大帶寬標準。由于上述算法都不能對3個重要參數指標全部兼顧，因此存在一定的片面性。

靜態鏈路權重計算忽略了時間因素對鏈路狀態的影響，因此是一種靜態的計算方法，當數據源或數據分組到達邊緣交換機后，交換機會依據預先設定好的鏈路權重進行路由的選擇計算。該算法下SDN控制器無需頻繁輪詢網元設備，減少了控制平面與數據平面的通信開銷和路由計算的開銷，在網絡資源空閑的情況下，算法效率高且易實現，但在網絡出現擁塞時，該算法不會動態適應和調整分配策略，反而會加劇網絡的擁塞和負載不均衡。

3.2 動態鏈路權重計算

動態鏈路權重計算加入了時間維度的可變參數，SDN控制器需要定時輪詢數據層的網元設備，動態獲取片內的網絡拓撲信息，依據鏈路狀態變化更新片內的鏈路權重。動態鏈路權重的算法設計需要解決的關鍵問題涉及以下3個方面。

（1）網絡業務需求預測的敏感性問題。網絡流量分配策略的設計通常要參考網絡業務的具體需求，而這種參考是預測性質的，預測結果越精確，資源分配策略的匹配度就越高，資源利用的也就更充分。因此算法設計還需要具有較好的業務需求敏感性，能夠進行更加精確和細粒度的需求預測。

（2）鏈路權重計算的片面性問題。影響鏈路權重的參數指標有很多，例如鏈路的路徑距離、帶寬、時延、丟包率等，單一的指標評價無法準確、客觀反映當前的網絡鏈路狀態，因此算法設計應考慮到參數指標評價的全面性以及各指標間的動態均衡。

（3）鏈路權重計算的動態更新頻次問題。網絡鏈路狀態的變化是十分頻繁的，鏈路權重計算如果要完全匹配到網絡鏈路的變化情況，就需要頻繁進行通信和計算，這本身也增加了網絡資源的開銷，反而會延長權重值計算的收斂速度。如果按照固定的時間間隔進行權重值的計算和更新，又無法充分發揮算法的動態優勢，實現資源分配的最優化。因此算法設計還應充分考慮鏈路權重計算頻次的時間與控制。

在傳統的蜂窩式網絡架構中，上述問題一直沒有得到良好的解決，而網絡切片技術的引入為問題的解決提供了可能。網絡切片技術面向的是垂直用戶，通過網絡切片為垂直用戶提供更加精確和細化的網絡服務，因此切片資源分配本身就對租戶網絡的業務需求高度適配，業務需求預測也更加精準；其次網絡切片具有網絡資源的隔離特性，各個租戶網絡之間的流量分配是互不干擾的，鏈路權重的計算局限于租戶網絡切片之內，綜合參數指標對權重值的估量與均衡更易于實現。針對最后一個問題，鏈路權重計算的頻次控制可以結合信息熵算法，利用信息熵的數據集反差特性實現對計算頻次的動態調整。

4 鏈路權重計算的優化機制解決方案

4.1 網絡業務需求預測的敏感性問題解決

網絡業務需求預測屬于不確定性問題，常用的解決方法有隨機優化法和魯棒法。隨機優化法首先要進行隨機參數的概率預設，隨機參數由決策者根據歷史數據、同類業務需求情況、先驗推導進行設定，然后由優化函數通過隨機參數的概率分布情況構建業務的敏感性屬性偏好向量，形成最終的選擇方案矩陣。方案矩陣羅列出了每條可選鏈路的業務預測權重，并作為鏈路權重計算的重要參數之一，使其進一步匹配到細粒度的業務需求。魯棒法對隨機參數的概率設定通過不確定集的方法來實現，具有更高的計算效率和準確度。不確定提供的是隨機參數的概率波動范圍，波動范圍設置越精細，求解過程越復雜，最優解預測結果越準確，但計算開銷也越大，因此不確定集的構建還需要兼顧到計算效率與結果準確度之間的資源均衡。

4.2 鏈路權重計算的片面性問題解決

鏈路權重的評估參數有很多，其中很多參數還存在負相關關系，因此鏈路權重計算的片面性問題解決的目的不在于要使得各個參數指標都達到最優解，而是在各個參數之間尋找均衡的最優解。采用分布式魯棒法可以有效解決這一問題，將影響鏈路權重的多個屬性指標視為隨機參數，并為其構建了概率分布模糊集，通過不斷對分布模糊集中的概率分布最壞結果的迭代優化使其盡量接近一個理想的鏈路狀態。

4.3 鏈路權重計算的頻次控制

鏈路權重的計算頻次應與網絡鏈路的狀態變化密切相關，如鏈路處于一個相對穩定或空閑的狀態，鏈路權重的更新就不必過于頻繁，反之則需要對當前的網絡做出及時反應和調整，以預防網絡擁塞的發生。采用信息熵方式可以對網絡鏈路多維屬性的不確定性因素進行干擾排除，并最終實現精確的鏈路權重動態更新的控制。信息熵是度量復雜事物一種方法，可以簡單表述為事物屬性越復雜，不確定性越大，那么這些屬性的狀態變化概率就越小，其所構成的數據集就越穩定。根據信息熵的數據集反差特性，數據集不變的前提下，信息熵也不會變化，也就不具備觸發鏈路權重更新的條件；反之則認為事物的不確定性越大，屬性狀態的變化也越大，當數據集的波動超過信息熵的閾值設定后，就會觸發鏈路權重的計算更新。

5 結語

5G網絡的網絡切片技術為個性化的網絡服務定制提供了全面的技術支持，其所承載的用戶流量也越來越大，為了能夠有效提高傳輸網切片的資源利用率，本研究結合SDN架構，對傳輸網切片的流量分配機制展開了全面研究，針對傳輸網內多個租戶網絡的片間資源分配和片內資源分配機制進行了探討，并在此基礎上提出了租戶網絡片內鏈路權重計算的完整解決方案，為之后的5G網絡資源分配機制優化提供了一定的研究思路和參考依據。