基于SDN的應急融合通信網絡設計與實現

雙家赟，羅 濤

（中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段，上海 200434）

1 概述

近些年，自然災害與突發事件在世界范圍內頻繁發生[1]，使應急通信受到社會各界的廣泛關注。由于自然災害、戰爭等突發事件本身的隨機性，應急通信與常規通信不同，應用場景眾多、環境復雜多變。因此為了快速恢復網絡通信，應急通信對網絡以及設備提出了一些更嚴格的要求，例如組網靈活、快速部署以及設備小型化等。

由于應急通信網絡應用場景多[2]，所以從業務類型角度分析，包括語音、短消息、數據、圖像等多種業務在應急通信網絡中都有涉及。從技術角度分析，應急通信網絡是對多種通信技術的綜合應用，包括但不限于光纖、Wi-Fi、衛星和短波技術等。在災后救援中，應急通信網絡可以通過救援人員隨身攜帶或者背負的應急通信裝備（應急通信動靜圖專用設備、便攜式衛星站和無人機等）組建自組織網絡[3]（Mpbile Ad-hoc NETworks，MANET）來實現應急通信功能。不同的業務對于帶寬、時延等要求各不相同，想要同時滿足多種業務的不同需求，需要將多種技術手段加以組合和應用。而且由于設備小型化、能量受限、傳輸距離有限和設備移動性等特點，使整個通信網絡的集中化管理變得復雜，在面對不同業務時，需要頻繁的進行配置。而且由于通信設備的不穩定，容易導致網絡性能的不穩定，進而影響網絡的通信服務質量。

軟件定義網絡（Software Defined Networking，SDN）技術的出現為解決現有網絡體系存在的管理復雜、靈活性低和可擴展性能差等問題提供了新的思路[4]。集中控制是SDN 的核心理念之一，其對于掌握整個網絡資源、改善網絡資源分配都起到了十分重要的作用。利用SDN 技術將數據轉發層與控制層解耦，網絡節點的控制平面被單獨抽離出來，取而代之的是集中化的SDN 控制器。通過這種結構，不僅可以提高網絡結合的可擴展性能、提高網絡的容災能力，還可以實現網絡的集中控制與靈活配置，在了解掌握網絡狀態的同時實現相關業務的按需路由，提高整個網絡服務的穩定性與效率。

2 基于SDN的網絡架構和功能設計

SDN 是一種不允許網絡設備設置其路由表的技術[5]，是一種有前途的新技術，更具靈活性、交互性、可控和可擴展性[6]，是一種開放的網絡架構，旨在徹底改變通信網絡的構建和運行方式[7]。自誕生以來，得到了廣泛的關注，不斷得到發展與完善。SDN 起源于斯坦福大學的Clean Slate 項目，該項目的目標是想要改變現有的網絡架構，讓網絡結構變得更加簡單。目前，比較流行通用的SDN 架構是開放網絡基金會（ONF）提供的一個分層次結構，如圖1 所示。

圖1 SDN參考架構模型Fig.1 SDN reference architecture model

基于SDN 架構，在MANET 中引入SDN 多控制器的架構，如圖2 所示，整個應急通信網絡同樣被分為3 個層次：數據轉發層、控制層以及應用層。轉發層由多種便攜式通信設備組成，根據控制層下發的轉發策略完成數據傳輸與轉發。控制層由通信指揮車和便攜式基站中的SDN 控制器組成，控制層實現對整個網絡的邏輯控制，包含對底層設備的感知、工作狀態的監聽、網絡數據的收集以及對下層設備下發數據的轉發規則。應用層定義規則并提供不同的服務，如帶寬需求任務、流量工程等。

圖2 應急通信網絡中的SDN多控制器系統Fig.2 SDN multi-controller system in emergency communication network

根據應急通信網絡應用場景的特點和SDN 多控制器系統的設計目標，本文對SDN 多控制器系統功能需求進行設計，主要是對中間控制層進行相關功能設計，分為拓撲信息管理模塊、按需路由決策模塊和控制器容災模塊。

2.1 拓撲信息管理模塊

1）域內網絡狀態感知

作為整個網絡系統的基礎部分，網絡狀態感知模塊用于收集整個網絡系統中的全部基本信息，包括利用控制器鏈路發現協議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP)實現網絡鏈路，通過OpenFlow[8]協議所攜帶的數據信息計算得出網絡的鏈路時延以及鏈路剩余帶寬。這些信息能夠為智能路由算法的加載運行提供必要的數據支撐，也能進一步地提高智能路由算法的有效性。

2）跨域鏈路發現與維護

由于不同控制器管理的網絡區域之間也存在網絡連接，但是這些并不屬于內部鏈路，利用LLDP協議無法直接獲取跨域鏈路，需要利用控制器所具有的其他功能設計方法來獲取。跨域鏈路對于構成整個網絡的全域網絡拓撲結構十分重要。

2.2 按需路由決策模塊

在拓撲信息管理模塊的輔助下，控制器構建了整個網絡的動態拓撲圖，并且實時更新網絡中所有鏈路的時延以及帶寬等相關信息，實現網絡狀態的動態控制。在此基礎上，系統中可以搭載多種智能路由算法，根據不同業務流的相關需求，合理有效地計算出數據包所需的轉發路徑，并且對轉發規則進行及時下發，提高路由決策的有效性與合理性。

2.3 控制器容災模塊

由于SDN 單控制器架構容易出現單點故障，為提高整個系統的穩定性，避免因某個節點故障而造成網絡的整體癱瘓，在系統中引入多控制器結果，并且設計了相應的監聽與選舉機制。網絡中允許一臺數據轉發設備同時連接多臺SDN 控制器，OpenFlow 協議在1.3 版本中明確定義了專門用來設置控制器角色的協議，通過這個協議，可以實現控制器的角色轉換。在SDN 網絡中，Ryu 控制器存在3 種角色，分別為Equal，Master 以及Slave。在整個網絡中，Master 身份的控制器有且僅存在一臺，其余均為Slave 狀態。在網絡結構中，Master 與Slave 之間會持續進行心跳檢測，當身份為Master 的主控制器因故障出現宕機時，其余Slave 控制器可以快速感知并且進行新的選舉，重新選出Master 接管網絡，避免因控制器故障而導致網絡癱瘓。

3 實驗結果

3.1 實驗環境

實驗通過Mininet 搭建網絡實驗拓撲，Mininet[9]是一款輕量級虛擬化仿真工具。在網絡中利用Ryu[10]控制器實現對網絡的整體控制。在實驗驗證時，整個實驗網絡結構由10 臺SDN 交換機、2 臺SDN 控制器組成，在Ubuntu18.04 操作系統下，使用Mininet 進行搭建，并且為簡化實驗，在對網絡系統智能路由決策功能進行驗證時，提前為網絡鏈路設定了時延與帶寬指標，具體實驗網絡拓撲如圖3 所示。

圖3 實驗網絡拓撲Fig.3 Experimental network topology

3.2 實驗結果分析

3.2.1 網絡狀態感知

在網絡拓撲與Ryu 控制器啟動后，OVS 交換機會主動與對應的Ryu 控制器進行鏈接，并且根據控制器的固定或者自定義事件進行相關信息交互。控制器根據OVS 交換機上傳的相關信息可以獲取網絡中所有交換機的端口以及鏈路信息。

3.2.2 按需路由決策

按需路由決策模塊是整個網絡系統最為重要的功能模塊。它決定了系統是否可以滿足網絡路由的差異化需求，提高網絡服務的質量。SDN 控制器可以收集整理整個網絡中的拓撲信息，包括網絡鏈路的剩余帶寬以及時延信息。這些信息可以為網絡運行智能路由算法提高可靠的數據支撐，從而提高路由決策有效性。在實驗中采用基于時延約束的最短路徑算法以及基于帶寬約束的最優路徑算法對整個網絡系統的路由決策的功能性進行驗證。

1）基于時延約束的路由算法

在設置好相關鏈路時延的網絡拓撲中，忽略鏈路帶寬的利用發包工具在h1 與h8 之間隨機生成100 條數據流量，所有數據流量的時延要求在0 ～20 s 范圍內均勻分布。通過對路由決策結果的統計分析，對于100 條隨機生成的數據流，利用OSPF算法計算出的路徑總時延能夠滿足其中50%的數據流量，而利用本文所提供算法計算出的路徑總體時延可以滿足全部數據流量的65%，在時延滿足指標上要高于OSPF 算法。

2）基于帶寬約束的路由算法

在實驗拓撲利用iperf 工具在h1 與h8 之間產生多條數據流，在選出最佳路由路徑的基礎上測量網絡的吞吐量，并與采用OSPF 算法的結果進行比對。在兩種算法下網絡吞吐量的變化情況如圖4 所示。初始階段，由于發送速率介于二者的最小帶寬之間，因此吞吐量基本一致。當速率均大于最小帶寬值時，吞吐量表現為最小帶寬值，這也是在5 ～15 s 這一時間段內吞吐量發生變化的原因。在15 ～20 s 內，由于發送速率小于二者帶寬值，因此吞吐量隨著發送速率的降低而減少。從實驗結果可知，通過基于帶寬約束的最優路徑算法所得出的網絡吞吐量要明顯高于OSPF 的吞吐量。

圖4 基于帶寬約束與OSPF算法的網絡吞吐量對比Fig.4 Comparison of network throughput based on bandwidth constrained algorithm and OSPF algorithm

3.2.3 控制器容災

在整個網絡拓撲啟動以后，根據選舉規則（通過控制器所處IP 進行選擇）會在所有控制器中選擇符合條件的控制器成為主控制器，Ryu 控制器在與OVS 交換機實現連接后，成為Master/Slave 的控制器會分別向所管理的交換機下發控制器角色設定指令，交換機會根據指令進行相關操作。在原主控制器因故障宕機時，網絡系統會重新選舉新的主控制器，同時新的主控制器也會下發相關指令指導交換機完成控制器身份的轉換，實驗中進行了多次控制器轉換。系統中進行的第一次轉換所需的時間如圖5 所示。通過數據了解到，該網絡系統因控制器故障發生交換機遷移時，所需時間為毫秒級。這也體現出整個網絡具有一個良好的穩定性能，即使控制器出現故障，也能在極短的時間內完成網絡重新恢復，對網絡的運行狀態不會產生影響。

圖5 控制器狀態轉換耗時Fig.5 Controller state transition time

4 結束語

本文利用SDN 解耦控制平面與數據轉發平面的技術，設計基于SDN 的應急融合通信網絡原型系統，實現了網絡感知、智能路由以及控制器容災等相關功能。SDN 加密的安全隧道、傳輸路徑TCP 優化、秒級熱切換和應用識別QoS 保障等相關技術可利用靈活接入應急平臺。在系統中設計并實現了基于時延約束和基于帶寬約束的路由算法，滿足按需路由的需求，并且與OSPF 算法相比，具有明顯的優勢。在今后的工作中，筆者將在該網絡中運行更為復雜的路由算法，檢驗其網絡整體的穩定性與有效性。