向量交换技术在高速传输网络中的应用研究

［徐昌彪 鲁昭男］



向量交换技术在高速传输网络中的应用研究

［徐昌彪 鲁昭男］

摘要

文章对当前主流的骨干网络传输技术进行分析，针对不同技术所存在的问题：ATM网络造价昂贵，技术复杂，难以应对用户需求的多元化；IP网络节点处理时间长，路由器转发效率不高等，提出基于SDN技术下的向量交换网络。通过SDN控制器的集中控制和掌握全局信息的优势，为交换机提供实时的向量路由地址，实现数据包在网络中间节点的不查表快速转发。通过OPNET网络仿真软件搭建实验平台，对基于SDN技术的向量交换网络和IP传输网络进行比对。实验结果表明，向量交换网络拥有更快的数据处理能，同时较ATM网络设备造价更低，非常适合部署在骨干网络，实现数据业务的快速转发。

关键词：IP网络 ATM网络 向量交换 软件定义网络

徐昌彪

工学博士，教授，重庆邮电大学与通信与信息工程学院，博士后出站。研究方向：无线TCP、IP QoS、移动IP、IP组播以及无线自组织网等。

鲁昭男

引言

在20世纪80年代初期，个人计算机和服务终端开始在人们的工作领域普及开来，成为办公室工作者不可缺少的办公用具。在那段时期，计算机主要在企业内部建立起来的局域网中实现互联，主要的应用是文件传递和电子邮件，通信量相对较少且信息内容单一，同时，在办公环境中大约80％的通信量在本地，只有20％左右的通信量穿过广域网链路。20世纪九十年代，性能的不断提高使得计算机逐渐进入人们的生活，多媒体数据传输与处理、交互式游戏、远程通信等应用的普及为人们的生活带来更多乐趣。21世纪至今，互联网技术的飞速发展使得数据通信业务无论是数量还是种类都发生了巨大变化，跨越地市、省甚至国家的通信业务呈现爆炸性增长，网络中所承载的数据类型也逐渐变得复杂且多元化。在这些多元化的数据类型中，非弹性的数据业务如语音通话、视频会议、交互式网络游戏等等对时延的要求十分敏感，因此，对互联网端到端的快速传输提出了新的挑战。

当前，网络运营商为用户提供了4M、8M、16M甚至更高的宽带接入服务，用户可以根据自身的需求进行选择，然而，就用户需求而言，高的接入带宽仅仅能够保证数据快速的接入骨干网络，并不意味这数据业务实现了端到端的快速传输。具体而言，骨干网络的数据传输速率通常决定着数据业务端到端的时延，而在骨干网络的传输过程中，数据包的排队和处理时延往往占到总时延的绝大部分。为实现数据包在骨干网络中的快速转发，人们提出了多种解决方案，根据数据包处理方式的不同分为以基于IP网络架构的数据报交换和以异步传输模式（ATM）为代表的虚电路交换。

1　骨干网络传输技术分析

1.1IP骨干网络

由于自身的开放性和灵活性，IP网络架构[1]迅速占领了信息通信界的主流市场。IP网络以分组作为数据传输的基本单位，每个分组携带数据源和目的地址信息，在传输网络中，传输节点（路由器或交换机）通过提取相应的目的信息为分组选择相应的转发端口。由于IP网络具有统一的寻址体系，网络可扩展性强。同时独立服务的模块化结构使得IP网络能够支持多种不同应用，适宜新型业务的添加。然而，由于IP网络采用最长前缀匹配算法、逐跳转发的分组交换方式，数据包需要在链路中的每一个路由器进行查表转发，这种转发方式往往需要耗费大量时间。为了实现IP骨干网络的快速数据传输，业界从不同的角度提出了不同的改进方法：多路径路由提供了一种简单的机制来分配通信量，在平衡网络负载的同时，增大了链路的传输带宽，提高了数据的传输速率。队列管理和调度策略对时延敏感型数据给予更高的优先级，在转发过程中对时延敏感数据优先处理并分配足够的带宽。RTP/RTCP（实时传输协议/实时传输控制协议）相互配合，在互联网中为传送视频、音频和其他实时通信量提供机制，使得实时数据可以在目的端有效地复原。随着网络需求日趋多样化，上述补丁式的改进方式越来越难以应对种类繁多的用户需求，同时使得网络交换设备日趋复杂，这将大大增加网络交换设备的工作压力和能量损耗，反而不利于数据业务灵活快速的处理。

1.2ATM骨干网络

异步传输模式（ATM Asynchronous Transfer Mode）[2]，是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种交换技术。类似于电路交换，端用户之间的信息传输之前需要先分配逻辑信道，建立虚拟链接。采用分组交换的机制，使用固定长度53字节的分组（称之为信元）为转发对象，在ATM交换机内部实现输入端口的信元直接交换到输出端口，交换机本身标志性差错控制和流量控制，减少节点处的时延。由于信元长度固定，ATM交换机采用硬件支持，数据处理效率极高，信元在ATM交换机中的停留时间通常不会超过100μs。作为B-ISDN（宽带综合业务数字网）核心技术之一，ATM具有高速的数据传输速率并能够支持多种类型如多媒体、交互式音频、视频、在线游戏等业务的高速传输，同时为不同的数据业务提供相应的细粒度的QoS保障。

2　向量交换技术

除了当前主流的基于IP网络的分组交换技术和基于ATM网络的虚电路交换技术，向量交换技术[3]为数据包的快速转发带来新的思路。与虚电路交换类似，向量交换技术在数据包传输之前提前计算路径，同时将路径中的转发节点的输出端口编号依次组成序列形成向量地址，并将该向量地址封装在数据包中。当网络节点接收到一个数据，将相应的输出端口号提取并以此直接转入相对应的输出端口。由于中间节点能够直接从数据包中提取路径信息，避免了查表所耗费的时间，数据包的传输速率显著提高。以下是向量交换的一个实例。

由于琅岐岛受亚热带海洋气候的影响，季节性明显，使得大批量游客登岛观光的时间一般集中到5月—10月之间，而其他时间基本上可被视为“空档期”。每到旅游旺季，琅岐岛就会迎来很多周边游客观光，或自驾、或组团，给岛屿带来不一样活力和生机。然而随着游客的不断增多，岛内也遇到很多问题，如游客质量得不到保证，景区承载力过量，景观设备得不到及时维修等，这些都是因为季节性影响带来的。调整游客度假时间，开发多项不受季节控制项目，拉长沿海地区旅游度假时间，尽量减少因季节性影响带的问题，已成为大家首要思考的问题。

图1　向量交换网络示意

如图1，当数据包从计算机B发送至服务器D时，数据包包头向量地址域所填数据为“2334”即数据包将由d节点的2号输出端口送出转入e节点后由3号输出端口.......直到到达服务器D。向量地址的二进制编码方式如下：

十进制表示：{2,3,3,4}

二进制表示：{10,11,11,100}由此，数据包包头中的向量地址域的数据为“101111100”，其中四个端口号所占的二进制位数分别为2位、2位、2位、3位。向量地址在数据传输的过程中每经过一个交换节点就会减少一个向量地址分量，向量地址的长度也会相应减少，因此向量地址的长度是不定长的。由于互联网的分层结构，基于向量交换的寻址技术所需的向量地址位数将远小于IPv4的32位IP地址[4]。

向量交换技术避免了中间节点的查表过程，同时，由于数据包的处理过程简单，更适合硬件操作，可实现数据处理速率的最大化。然而，在实际应用过程中，向量交换依然存在诸多问题，例如，在向量交换网络中的边界路由器需要获得实时的网络全局状态，在数据包接入时根据其目的IP地址，计算传输路径，并将对应的向量地址写入数据包的向量地址域中。因此，边界路由器需要大量的网络状态信息，这些数据在网络中传输占据了大量的网络资源。另外，当某个链路或网络节点发生损坏，不具备路径查询功能的核心路由器无法为数据包重新选择路由，由此可知，基于向量交换的网络抗毁性较弱。

为解决上述问题，我们将SDN（软件定义网络）技术与向量交换技术进行融合[5]，通过SDN控制器特有的全局网络信息为数据包提供向量路径计算并以流表项的形式下发到相应的SDN交换机，由于SDN控制器与交换机通过特有的安全通道和OpenFlow协议进行通信，减少了网络中的控制信令的数量，降低了网络中非用户数据负载。同时，SDN网络中的链路或节点发生故障造成网络拥塞时，控制器能够及时发现并为拥塞节点数据包重新分配向量路由，增强了网络的抗毁性。

2.1基于SDN的向量交换网络节点介绍

2.1.1向量交换网络中的SDN控制器

图2　控制器工作流程

2.1.2向量交换网络中SDN交换机

基于SDN技术下控制与转发分离的特点，SDN交换机只负责为接入向量交换网络的数据包进行流表项的匹配，将匹配成功流表项中的向量路径写入数据包中的向量地址域后转发至相应输出端口，如果匹配失败，交换机将数据包中的目的IP等路由信息封装后由安全通道以及OpenFlow[6]协议发送至控制器，等待控制器下发新的流表项。交换机工作流程如图3。

图3　交换机工作流程

2.2流表项格式

图4　SDN流表项格式

如图4，字段定义如下：

Tab占1 bit，用于标识分组类型。其中Tab=0表示向量分组，交换机将该分组直接转入硬件设备进行端口号提取和转发。Tab=1表示IP分组，交换机将通过相应匹配，并执行动作集中的相应动作例如写入向量地址、改写标签、提交控制器、丢包等。

IP TOS域占4 bit用来表示分组优先级，交换机根据不同优先级将数据包转发至输出端口的相应队列，SDN交换机可通过队列管理和调度机制实现不同类型数据包的QoS保障。

Writing Vector Adr 动作将相应的向量地址（也就是路径中各个交换机的输出端口号）写入数据包的向量地址域，在之后的所有交换机将直接通过硬件进行分组转发。Rewrite Tab动作将对数据包的Tab域进行改写，将IP分组改写为向量分组。

3　网络建模与仿真

本实验采用OPNET网络仿真软件[7、8]构建基于SDN技术的向量交换网络实验平台如图4，其中控制器基于全局视图通过Dijkstra最短路径算法为各路由器生成用于转发IP数据的普通流表项，同时基于向量交换网络转发规则为数据包的向量交换提供可添加向量地址的特殊流表项。来自数据源的数据流以强度为1的泊松流生成IP数据包，其中一半的IP数据包将由普通的IP网络进行传输，另一半的数据包通过向量转发网络传输。网络链路带宽为10M/s，交换机以5P/s的恒定速率处理数据包。仿真结果如图5、6、7。

由图6可知，向量交换网络中的数据在中间节点处不需要查表而直接被转入输出端口排队，极大的降低了数据包在网络传输过程中的处理时延，同时，与ATM网络类似，数据包在进入网络之前路径已经被确定，固定的路径传输有效的降低了时延抖动的产生，非常适合实时数据业务尤其是话音业务和视频会议等业务的快速转发。另外，由图7可知，在相同截止队长的前提下，向量交换较IP分组交换丢包率更小。

图5　基于SDN技术的向量交换网络拓扑

图6　IP分组交换和向量交换网络时延对比图

图7　IP分组交换和向量交换网络丢包率对比

4　总结与展望

SDN技术集中式的控制层面和分布式的转发平面相互分离，极大地简化了交换机（或路由器）的工作压力，同时，集中式的控制有利于及时获得全区网络信息并能够针对实时的网络状态迅速做出反应，非常适合承载向量交换网络，基于SDN技术的向量交换网络传输效率高、网络管理和维护简单，造价较ATM设备更为便宜，在核心骨干网络市场中拥有广泛的应用前景。同时，向量交换技术在网络安全，QoS，流量工程等应用中也具有得天独厚的优势，在接下来的研究中，我们将针对不同数据对网络资源的差异化需求，通过队列管理和调度机制优化网络资源分配，在实现数据包的快速转发的同时，为网络数据业务提供细粒度的QoS保障。

参考文献

1Macedo D F,Santos A L,Pujolle G.From TCP/IP to convergent networks:challenges and taxonomy[J].Communications Surveys & Tutorials,IEEE,2008,10(4):40-55

2Andrikopoulos I,Liakopoulos A,Pavlou G,et al.Providing rate guarantees for internet application traffic across ATM networks[J].Communications Surveys,IEEE,1999,2(3):2-13

3梁满贵.一种向量网络地址编码方法[P].中国专利，ZL200610089302.6,2009.9

4赵阿群,梁满贵,廉松海,郭箫铭.向量地址平均长度研究.高技术通讯，2011，21（12）

5Martinello M,Ribeiro M,de Oliveira R E Z,et al.Keyflow:a prototype for evolving SDN toward core network fabrics[J].Network,IEEE,2014,28(2):12-19

6OpenFlow switch specification version 1.1.0，Implemented(Wire Protocol 0x02)，2011-02-28

7文博,金文.OPNET Modeler 与网络仿真[M].人民邮电出版社,2003

8陈敏.OPNET 网络仿真[M].清华大学出版社,2004

收稿日期：（2015-12-27）

通信作者，男，硕士研究生，重庆邮电大学通信与信息工程学院，主要研究方向：下一代网络和面向SDN（software defined network）网络架构的路由算法。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.014