基于SDN的流量工程研究

康　潜,刘建明

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林　541004;2.桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林　541004)



基于SDN的流量工程研究

康潜1,刘建明2

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004;2.桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林541004)

针对网络效率低、移植性和可控性差，设计一种替换策略决定交换机的替换顺序，并利用软件定义网络(SDN)技术将传统交换机更换为支持OpenFlow(OF)协议的交换机，分流数据流量，降低了网络拥塞。仿真结果表明，与随机替换策略相比，该策略提高了可控链路数量和节省了链路空间。

软件定义网络；OpenFlow；交换机；替换策略

随着网络的发展，用户对通信质量的要求越来越高，最大化利用现有网络设备成为一个重要课题。传统网络发展遇到了瓶颈，最短路径转发使传统网络模式固化，网络体系效率低下、不易扩展。在目前网络体系中，大多数节点采用路由信息协议(RIP)或开放式最短路径优先(OSPF)传送信息。这些协议将信息通过最短距离进行传输,但交换机仅计算源节点到目的节点的最短距离，不计算非最短路径的利用率，导致网络负载失衡[1]。

Mckeown基于对未来网络的发展提出了软件定义网络(SDN)[2],其核心思想是将控制平面和转发平面相分离，控制器独自监听网络状态并下发协议，转发单元不具备智能性，机械地将数据发送到目的地址，增加网络的灵活性并实现网络控制器对网络数据流的控制[3]。

流量工程通过局部调整网络状态优化网络资源，将软件定义网络技术应用到流量工程中，可以更好地实现对网络的控制。考虑成本、服务质量等因素，现有网络需逐步改造为SDN网络。网络服务提供商(ISP)作为决策者决定硬件的替换顺序，将现有节点替换为支持SDN的节点，实现局部的流量工程[4]。

为此，提出两层优化方法，第一层分析网络拓扑结构并找出应用于流量工程的路径和节点，第二层通过定义链路优先级，以实现节点的最优替换方案。

1　实验流程

实验将现有交换机逐步替换为OF交换机，而余下的节点继续使用原有的协议(例如OSPF)。实验网络节点允许逐步更换为OF交换机，有些网络不允许逐步更换节点，如光网络[5]。

由于设计的替换方法分为多个周期，参考文献[6]设定每个周期的长短文本，决定了网络节点的替换周期、网络流量的增量、替换的代价等。为了不失一般性，假设流量工程在每个替换周期开始时进行一次。链路负载在周期开始时处于比较低的水平，而在每个周期的末尾达到临界值。在替换OF交换机之前，整个网络仅使用OSPF协议，采用2层启发式算法来决定替换顺序，替换顺序流程如图1所示。

图1　替换顺序流程Fig.1　Flow chart of replacement sequence

图1中椭圆形代表输入的数据，矩形代表使用的功能。上半部分是算法实现部分，而下半部分是性能分析部分，包括可控路径的数量与链路资源的节省。以随机替换OF交换机作为参考，比较两者的不同。实验不涉及节点替换后混合网络的安全性问题，默认控制器防火墙为开启状态[6]。

2　拓扑分析

2.1最短路径的确定

为了避免过于复杂，定义只有相同长度的路径用来实现流量工程。为了确保最短路径，定义任意2条链路传输成本差小于最小链路成本与最大链路长度的比值，以保证跳点多的链路传输开销大。

传输成本示意图如图2所示，A、B、C、D为4个节点，传输成本分别为12、13、10、14，最长路径为2(A-B-D或者A-C-D)。最大链路传输成本差为4，小于最小链路成本与最大链路长度的比值10/2=5，所以该网络符合最短路径要求。

图2　传输成本示意图Fig.2　Schematic diagram of link cost

2.2关键节点的确定

假设链路上有若干节点被替换为OF交换机，以满足流量工程的要求。原有的链路不能进行流量工程是因为它基于目的地和最短路径原则转发的限制。关键节点的确定原则为:

1)与源节点的距离。作为网络的关键节点，其离数据源越近越好，这样可通过该节点调节数据流的转发路径。若数据流将到达目的地，关键节点就失去了调节数据转发的能力，降低了可控的意义。

2)通过链路的数量。关键节点的OF交换机具有调节数据流向的功能，通过其链路越多则可供调节的选择越多。尤其在数据中心网络，有效调节数据流向可以降低拥塞，提高链路的利用率。

3)所在链路的优先级。关键节点在主干链路上获得的效果比在边缘链路上明显，可以定义链路优先级，主干链路优先级高，边缘链路反之。

例如，一台主机向另一台主机传输数据，中间有4条可选路径，每条路径的关键节点分别为{a,c}，{a,b,c}，{c,d}，{b,c}。可以看出a虽然出现得早，但是通过的链路不如节点c多，因此可以优先替换节点c，c即关键节点。

3　替换顺序的确定

(1)

每个替换周期替换的节点数被平均替换节点数限制，

(2)

为了保证节点的替换不能倒退，则

(3)

最后，在整个替换周期，最大化可用于流量工程的链路数量，

(4)

4　链路优先级的定义

关键节点距离信源较近，拥有较多的转发选择，且在主干路径上。若链路的传输优先级相同(设优先级为1)，则选择关键节点时只需考虑前2个原则。若链路传输优先级不同，则流量工程的链路数量将增加。

实验选择源节点与目的节点的最短路径之外的一条链路随机设置优先级，且优先级大于1，而其他链路的优先级为1。在节点替换时，距离源节点近的节点优先替换，通过链路多的节点优先替换。

5　仿真实验及分析

实验基于Linux架构，使用Mininet作为仿真平台。远程控制器Floodlight完成下发流表、全局视图等任务[7-8]。拓扑结构使用Python语言编写，所有物理量自定义。网络拓扑为胖树结构与网型结构结合的混合型拓扑，拥有40个节点与100条链路[8]。整个替换过程分为10个周期，每个周期替换4个节点。链路带宽设置为0.5～2.0 Gbit/s，每个周期数据流的增长率设为20%。随机方案和优化方案的可控链路数量如图3所示。

图3　可控链路数量Fig.3　Number of the controllable paths

从图3可看出，可用于流量工程的链路数量取决于替换节点的数量。因为开始时没有节点被替换为OF交换机，结束时2种方案都将所有的节点替换，所以2条曲线的起点与终点相同。与随机方案相比，优化方案在替换周期内可控链路(通过OF交换机的链路)数量明显增加。

在节省链路空间方面，优化方案也有较大提升。2种方案的节省链路空间对比如图4所示，从图4可看出，在替换开始的3个时间段内，优化方案的替换顺序比随机方案有很大的提升。但在第4和第10个时间段内，节省的链路空间明显下降，这是因为现有的0.5 Gbit/s链路已经达到饱和，必须启用1 Gbit/s的链路。10个替换周期结束后，所有节点都被替换为OF节点，2种方案节省的网络资源归于一致。

图4　节省链路空间对比Fig.4　Comparison of the saved network capacity

6　结束语

基于软件定义网络技术，提出了一种在现有网络中替换OpenFlow交换机的策略。仿真实验表明，该替换策略优于随机替换策略，在可控链路数量和节省网络空间上都有明显的提高，为网络服务供应商充分利用网络资源提供参考。

[1]王勇，匡玉雯.基于SDN的云中心动态负载均衡方法[J].桂林电子科技大学学报，2015,35(4):321-324.

[2]MCKEOWN N,ANDERSON T,BALAKRISHNAN H,et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(2):69-74.

[3]左青云,陈鸣,赵广松,等.基于OpenFlow的SDN技术研究[J].软件学报,2013,24(5):1078-1097.

[4]VAUGHAN-NICKOLS S J.OpenFlow:the next generation of the network?[J].Computer,2011,44(8):13-15.

[5]CARIA M,JUKAN A,HOFFMANN M.A performance study of network migration to SDN-enabled traffic engineering[J].Globecom,2013,978(1):1348-1353.

[6] TÜRK S,RADEKE R,LEHNERT R.Network migration using ant colony optimization[J].CTTE,2010,129(13):77-82.

[7]王丽君，刘永强，张健.基于OpenFlow的未来互联网试验技术研究[J].电信网技术,2011,6(6):1-4.

[8]GENI.GENI:global environment for network inovation[Z/OL].[2015-10-17].http://www.geni.net/.

编辑：曹寿平

Research on traffic engineering based on SDN

KANG Qian1, LIU Jianming2

(1.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China；2.School of Computer and Information Security, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

A replacement method is designed to solve the problem of inefficiency, lacking of transplanting and uncontrollable of the network by using software designed network (SDN). The traditional switch is transformed into OpenFlow switch. Thus it ensures the full utilization of link and reduces the possibility of congestion. The simulation result shows that compared with the random method, the number of alternative path is increased and the link capacity is saved.

software designed network; OpenFlow; switch; replacement method

2015-12-12

国家自然科学基金(61262074)

刘建明(1975-)，男，广西桂林人，教授，博士，研究方向为计算机及通信网络组网工程。E-mail:2248866896@qq.com

TP302

A

1673-808X(2016)04-0329-04

引文格式：康潜,刘建明.基于SDN的流量工程研究[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(4):329-332.