面向时空信息数据中心的SDN特征研究

耿 晴，张 莉

（1.湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉430074）

面向时空信息数据中心的SDN特征研究

耿 晴1，张 莉1

（1.湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉430074）

软件定义网络（Software defined network，SDN）将网络的控制面与转发面解耦。面向云计算的GIS服务当前的研究热点和发展方向，将SDN运用于GIS云，能有效提高服务效率和质量。针对基于云计算的GIS系统GISCloud，提出在基础网络中引入SDN，设计了四层SDN架构，实现控制面与转发面的分离；设计了面向GIS的网络负载优化方法，提高网络效率；设计了SDN对GISCloud的虚拟化支持，满足定制化的服务，从而实现SDN在面向时空信息数据中心中的应用和发展。

软件定义网络；地理信息系统；云计算；数据中心

地理信息系统所处理的数据是不同形式的地理空间数据[1]。随着GIS技术的快速发展，GIS系统的应用范围及应用深度都在不断扩展。云计算技术为GIS提供了数据存储、数据访问和计算服务的解决方案，而面向智能移动终端的GIS服务则提供了更为灵活的GIS定制化服务[2,3]。在大规模甚至超大规模的数据存储与资源利用中，需要更为强大的资源整合能力。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是将网络的控制与转发进行分离，构建逻辑集中的控制平面，从而为控制与应用提供可编程接口[4,5]。已有研究表明，SDN作为一种新颖的网络架构，对于提高网络的可扩展性、可管理性和高效率具有重要的作用[6]。本文以地理信息系统的数据中心为基本对象，进行软件定义网络特征的研究，提出构建面向时空信息数据中心开发软件定义网络的方法。

1 软件定义网络概述

随着云计算和大数据技术的兴起与发展，以大规模的数据存储、虚拟化和面向服务的计算为支撑，形成新的计算模式，并构建出数据中心。数据中心通过集群系统来实现计算和存储功能的分离，并通过网络来实现资源的协调；这就对网络的控制提出了新的要求，即网络控制应提供更为灵活的功能，实现开放的接口，能够以模块化的形式提供定制性和可扩展性。

传统网络中的报文转发和网络中的路由控制集成在一起，构成耦合的网络控制方式。云计算环境下转发与控制的紧耦合使得数据中心的构建受到多种网络技术的影响，增加了构建数据中心的难度。SDN就是针对网络控制问题所提出的一种网络体系结构[7]。SDN将网络的控制与转发进行分离，并提供可编程的接口以及更为灵活高效的网络控制方式。

2 SDN的特点

数据中心集中了大量的硬件设备和数据资源，需要进行实时高效的监控和管理，同时也为应用提供良好的支撑。SDN将网络的控制与转发分离开来，构建出应用、控制、转发的三层分离式结构，同时提供了良好的编程接口。其主要特点如下：

1）转发与控制的分离。同样的物理网络上仍然存在转发和控制，但数据面和控制面在逻辑上分离，通过不同的协议来进行具体信息的承载。控制面可通过软件的方式来实现，部署后达到集中控制和管理的目标；数据面中的数据转发设备只完成转发功能，实现对转发的抽象，使得数据转发与具体的硬件实现无关。

2）集中控制。控制面从逻辑上集中了对多个转发设备的控制，具有整个物理网络的视图，通过网络操作系统对设备和状态信息进行统一的管理。通过集中控制从全局的角度对网络进行优化，简化网络的管理，实现高效的网络管理和服务。

3）可编程接口。SDN提供了良好的可编程接口，可以在控制面的支撑下，以软件的方式实现新的网络功能，不关注底层的实现细节问题。开发人员可以利用可编程接口编写和实现多种网络应用，包括防火墙和路由协议等。

通过SDN所提供的支持，数据中心将能够解决其基础网络设施管理的效率问题，为虚拟化提供更为广阔的范围，并提高网络资源的利用效率。

3 面向GISCloud的SDN

GISCloud是以云计算为基础模型的GIS系统[2]，根本目标是以GIS服务为中心，以“云”的方式将地理空间数据的采集、存储、分析、访问和应用等关键内容组织起来，以虚拟化来构建面向用户的服务。“主网+子网”的形式构成了GISCloud的网络结构[8]，通过区域化网络来提供网络支撑；通过虚拟抽象层屏蔽底层的细节；通过核心系统层来提供系统级别的服务；通过支撑层来提供基本的数据和业务逻辑支持；通过服务层面向用户对数据进行定制化处理并提供良好的交互，以协同来实现网络的可扩展性并提供高效率的GIS服务。

3.1 面向GIS的SDN架构

GISCloud网络中存在着大量的分布式计算和数据转发。数据中心的服务器之间需要协同工作来完成计算任务，“东西向”的数据流模式越发突出，需要进行“东西向”的数据调度。传统网络模式的数据转发与控制属于紧耦合，无法实现对数据路径的有效管理，降低了网络的效率，浪费了大量的带宽，也降低了数据中心的业务服务能力。GISCloud采用SDN来作为基础支撑，从数据转发和控制层面为流量优化、网络管理和虚拟化提供支持。

GISCloud中的SDN架构如图1所示，分为4层。第1层为数据转发层，建立在网络中的转发设备之上，所有的数据转发由本层来实现。第2层为网络操作系统，通过网络操作系统来建立统一的全局网络视图。第3层是虚拟化，使网络资源在逻辑上成为可分割的对象，并能够对物理网络实现按需的逻辑网络切分，建立抽象的网络视图。第4层是控制程序，此时，控制程序与数据转发已完全分离开，可根据管理需要来设计和实现不同功能的控制程序。SDN可以实现GISCloud不同方向上的数据流向，即“南北向”和“东西向”。通过南向接口，网络操作系统可以对数据转发进行实时控制，实现多个服务器之间东西向的数据流向；通过北向接口，实现对网络的编程，构建出多种功能的控制程序。由于数据转发与控制的分离，通过控制面对数据流向进行管理，实现数据在服务器之间的高效流转，即东西向的数据流。

图1 GISCloud的SDN架构

3.2 网络负载优化

SDN中控制面与网络设备之间采用的是OpenFlow协议。当更多的网络功能被加入到OpenFlow协议当中后，协议变得越来越复杂，又增加了网络控制的复杂度，因此对网络负载进行优化，提高效率。

首先根据地理空间信息数据的特点来进行优化。GISCloud的网络由主网和子网构成，子网还可以进行扩展。子网内的GIS数据以数据特征进行聚集和分类，能够以更高的效率进行存储，构成整个网络的数据分布；在主网上通过SDN实现数据的东西向流动，以提高网络性能。其次是以数据流量为基础进行优化。在网络中既存在大量数据量较少的数据流，也存在数量较大的数据流。前者的特点是数据流中的数据包较少，数据流到达和离开速度都很快。在现有协议条件下对每个这样的数据流去进行复杂的控制决策处理，会产生很大的延迟和处理开销。因此，将二者分开。控制面为大数据量数据流和数据量小而频发的数据流建立优化的路由转发和控制策略；对于偶发的数据量少的数据流，不采用OpenFlow协议转发，不进行路由转发和控制策略的制定，以此减少控制面需要完成的工作，提高数据转发的效率。

3.3 面向多用户的虚拟化

通过SDN为GISCloud提供专门的虚拟化。通过虚拟化，GISCloud的物理设备被转化为可用的资源池，GISCloud的主网可以从逻辑上来进行使用，子网本身也可以按照业务逻辑来进行切分。在使用时，由控制面进行统一的分配。虚拟化之后所形成的服务器、存储和其他资源之间形成了隔离，并可以使用定制化的控制程序来进行管理。GISCloud可以为用户建立起虚拟网络并提供其上的各种虚拟资源。用户与用户之间不产生干扰，具有自己独立的网络地址，并可以采用各自独立的网络设置。通过SDN的可编程特性，控制面可以定制实现应用功能，实现对不同用户的使用情况的跟踪；在底层进行流量的控制，从而实现资源的安全使用和高效使用。

4 基于SDN的测绘成果共享系统实现

测绘成果共享交换系统是以测绘成果为基础，通过相应的基本支撑环境，来提供各类地理空间信息资源的管理与应用服务，框架结构如图2所示。运行支撑层是系统正常运行的基本保障，主要包括标准规范体系、运行环境、安全体系等。数据层由系列地理空间信息资源数据库组成。系统层由平台汇展系统、元数据与目录服务系统、相关管理和维护系统等组成。服务层由系统提供的各类业务功能接口和数据接口组成。门户网站是地理空间信息资源的政府门户网站，是用户登录平台、访问数据和调用功能的入口，通过调用服务层提供的接口和服务实现。

图2 测绘成果共享交换系统设计框架

为满足海量地理信息数据的分享，必须实现网络中数据的有效管理。在测绘成果共享交换系统中，存在3个数据流程：基础数据生产流程、产品数据生产管理流程、数据共享交换流程。除基础数据生产流程中的数据源外，其底层数据均通过SDN进行管理，该基本架构如图3所示。通过GISCloud SDN的数据控制与转发管理，使得基础数据与应用数据通过网络资源的分割实现有效的控制。从数据访问的角度来看，可以实现对数据转发的实时控制，同时为不同的服务层次构建出不同功能的控制程序，从而实现底层的数据访问与安全支持。

图3 基于SDN的系统数据管理

5 结 语

在GISCloud中 引 入SDN， 设 计 了4层 的GISCloud SDN架构来实现控制面与转发面的分离；通过对网络负载及其支撑协议的优化，提高网络的性能，并为虚拟化提供良好的支持。SDN技术提高了数据中心的灵活性，降低了网络维护和网络功能开发的成本，实现了新业务的快速部署，提升了数据中心的服务能力。GISCloud中的SDN设计已经应用于测绘成果共享交换系统，提高了系统的整体性能。

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（本刊编辑部）

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1672-4623（2016）04-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.003

耿晴，高级工程师，主要从事测绘地理信息技术，测绘资料档案管理、信息 化服务等相关方面的工作和研究。

2015-03-03。