基于SDN的网络流量工程研究

郭婷婷

摘要：随着互联网的普及，各种移动设备的应用越来越广泛，对社会生产和人们生活产生了重要影响，在网络用户增加的同时，网络流量需求迅速增加，通信业务对网络流量工程提出了更高的要求。与传统网络相比，SDN能够全方位调控网络资源，最大限度满足用户的流量需求。本文通过分析SDN的特点、独特优势、工作内容、网络流量，研究其应用价值，旨在为网络技术的发展提供参考依据。

关键词：SDN；网络数据；流量工程

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0029-02

1 SDN网络架构概述

SDN即软件定义网络，是以网络抽象为主要思想，通过分离数据层、应用层以及控制层的方式简化分布式网络，从而实现集中管理、实时检测、及时维护等功能的网络架构。与传统网络相比，软件定义网络细化了管理模块，能够全方位调控资源，利用编程技术实现管理创新，提高资源利用率。一般情况下，软件定义网络的三大层面分别实现不同的功能：数据层主要用于传输和转发数据流；应用层通过接口提供网络服务，实现应用功能；控制层则是负责集合不同节点的控制功能，达到集中控制的目的。

1.1 数据层

数据层的核心部分是交换机，在SDN的支持下，交换机呈现出新的特点，能够支持Open Flow技术，实现高速运转。新型交换机的主要部分包括Open Flow协议、流表以及安全通道，其中，流表由多个流表项组成，数据转发时需要遵循一定的流表项规则。流表项由匹配域、操作、计数器组成，从结构层面和功能层面来看，匹配域包含了数据链路层、传输层和网络层，用于数据传输、转发；操作主要包括各类执行命令、动作，比如信息修改、转发动作等；计数器用于数据统计，分析数据流信息。安全通道作为Open Flow和控制器的连接路径，在整个数据层中起着安全保护的作用，控制器符合Open Flow的格式要求，可以对交换机实施管理。

1.2 控制层

控制层主要负责设备的管理、维护及控制，基于软件定义网络的控制层能够从数据层、应用层中分离出来，独立发挥控制功能，集合设备中各节点的控制部分，形成新的集成化网络体系。在Open Flow协议的指导下，控制层能够获取和识别网络设备的各类相关信息，以提升控制的效率和准确性，服务于上一层应用，为其提供接口服务。

1.3 应用层

应用层在编程接口的支持下，根据程序配置命令来执行动作，通过管理网络设备，为各应用程序提供服务，结合不同的网络状况，分析用户的网络需求，实现网络设备动态管理，增强管理的可操作性、灵活性、时效性。常见的负载均衡应用、防火墙应用等都是通过应用层来实现的，对于提高网络安全性、可控性具有重要作用。

2 SDN网络流量工程优势分析

作为新型的网络架构，SDN更能符合当前互联网技术发展的要求，与传统的IP流量工程、MPLS流量工程相比，SDN网络流量工程更为智能化，能够有效满足网络用户的需求，其优势包括：

1） 集中可见性。SDN流量工程覆盖的信息层面更为广泛，其应用信息具有全球性、全网性、可视性的特点，比如QoS 要求、网络动态等，将全网资源整合在一起，能够为用户提供丰富的网络资源。

2） 可编程性。SDN控制器能够实现编程功能，通过主动编程、动态编程的方式来管理交换机，实现网络资源的优化配置，SDN控制器可以实现集成化数据处理，省去依次处理单个设备的步骤，节省了时间和能耗，可以有效提升运行效率和网络流畅性，避免发生拥堵现象。

3） 开放性。在软件定义网络下，数据层接口可以直接连接到控制器，无需经过供应商方面的程序，能够快速完成数据传输、数据转发、信息采集，在开放性状态下，数据转发效率更高，信息面更广。

4） 灵活高效性。在SDN的支持下，交换机遵循Open Flow协议，流表管道更多，能够提高流量的传输速率，扩大管道总体容量，提高流量管理的效率，增强管理的灵活性和高效性。

3 SDN网络流量工程主要工作

按照不同的划分方式，可以将流量工程划分为不同的工作内容，以下根据流量工程的功能模块，将SDN流量工程划分为三大部分。

3.1 流量测量

在网络流量工程中，流量测量是流量管理的基礎环节，通过测量流量状态、流量规模、流量特征，为网络管理提供基础信息，增强网络管理、网络维护、网络决策的可行性、科学性，为网络用户提供针对性服务，在出现问题时，能够在短时间内发现问题的来源，预测其产生的最坏结果，及时做好防范工作。传统的IP网络架构工作内容繁杂，流程众多，硬件成本较高，滞后性较为明显，不能满足新时期流量测量的要求。当前，很多SDN网络架构控制器能够动态监控，利用逻辑分析功能进行流量统计，分析特定网络的流量信息，这种测量方法主要是为了检测网络是否存在异常情况，分析流量特征，但具有一定的局限性，设备摊销成本较高。

3.2 流量调度

在实际情况中，即使是在特定的网络环境下，流量传输的速率、规模也会呈现出一定的不稳定性，流量调度的主要目的是实现流量负载均衡，通过流量管理和控制，增强网络流量的性能，进一步满足用户的需求。基于SDN的网络架构具有动态规则、网络视图等功能，可以根据网络环境的变化，灵活调度流量，实现流量的最优分配。因此，综合分析用户需求、网络环境、流量状态，实现有效的路由转发，成为SDN流量工程的重点工作。除此之外，软件定义网络在流量调度时遵循一定的转发规则：假设数据流在流表内无法找到与之相匹配的规则，交换机将会把该数据流的报文传输到控制器中，由控制器确定该流的匹配规则，并计算出相应的转发路径，接着，控制器发挥更新作用，更新交换机的规则，由交换机自动更新流表，后续按照更新后的规则来执行操作，从而可以找到与该数据流相匹配的规则，根据新规则，自动将数据流转发至数据层。SDN流量工程能够实现智能化的流量调度，但如果同一时间需要调度的数据流过多，大量的数据流同一时段进入交换机，就需要控制器更新大量的匹配规则，很容易造成接口拥堵，影响工作效率，在计算大量新规则时，控制器会产生一定的滞后性，这对控制层提出了更高的要求，需要设计更为适用的调度机制，提高流量调度的效率。

3.3 故障恢复

无论是何种网络架构，都必须具有一定的故障恢复功能，这是设备可靠性的具体体现，也是网络流量重要的性能指标。当计算器、数据链路、控制器等组件无法正常工作时，SDN需要迅速檢查故障，明确故障来源，并快速透明地完成故障恢复工作。Open Flow1.1能够迅速排查故障，第一时间使各节点和数据链路恢复正常工作，建立有效的恢复机制，并且可以在规则外建立备用路径，为路径选择提供更多的机会，无需经过控制器，交换机可以直接选择备份路径完成数据转发。目前，软件定义网络已初步具备集中视图、故障检查、故障恢复等功能，但受到故障影响的交换机数量较多时，控制器需要花费大量时间来更新转发规则和交换机，难以迅速恢复整个网络系统。因此，SDN流量研究还需要持续关注恢复速率的问题，在流表和存储空间一定的情况下，优化故障恢复功能，提高故障恢复的时效性，避免SDN产生单点失效的故障问题。

4 SDN网络流量工程分析

4.1 技术分析

以SDN为基础的网络流量一般遵循Open Flow协议，通过控制器完成信息采集工作，根据所收集的信息，分析当前的网络状态、流量特征，实现对交换机的网络管理和流量管理。在流量管理的过程中，主要利用流表项来计数，根据计数器结果制定合理的流量管理机制，而不需要另外增加专用的设备，节省了硬件设备成本，提高了软件定义网络工程的经济效益。除此之外，Open Flow的覆盖范围较为广泛，包括IP源、Ethernet类型、IP目的地址、端口等大多数标记，还覆盖了TCP和 UDP源等不同层次的信息源，不需要增加工作量，仅利用流表的计数器就可以进行多层次信息收集，有利于减轻控制器的工作负荷，提高信息收集和处理的效率，对网络设备进行全局性的集中管理，利用统一接口控制网络节点，制定高效合理的管理策略。

4.2 模块分析

1） 状态检测模块

在SDN网络中，接入交换机之前首先需要进行状态检测，并实时检测连接状态，在正常连接状态下，检测模块能够获取和存储交换机的基础信息，包括端口状态、交换机型号、版本等信息，如果是在断开连接的状态下，控制器将无法获知连接的基本信息，根据获取信息的具体情况，可以判断交换机是否处于正常连接的状态。

2） 流量检测模块

基于SDN网络的流量检测功能是通过读取数据实现的，在Open Flow协议的基础上，定期读取计数器记录的流量信息，从而了解各个端口、栈、队列和表的相关信息，包括传输数据、错误包数据等，并按照一定的要求，进行数据整理、分析，进而得出MAC流信息和IP流信息，存储于控制器中，便于计算流量数据。

3） 流量限速模块

每个网络设备都有一定的流量上限，对于SDN网络工程而言，限速模块可以实现流量速率控制，增加不同源的MAC、IP和端口的速率上限，一般情况下，交换机端口的速率上限代表了该网络系统的最大流量速率。如果存在超出速率范围的数据流，将会造成流量浪费和数据损耗，影响该网络设备的使用寿命，可以通过删除端口、MAC速率上限的方式来控制流量上限，还可以根据具体情况执行延缓传输、丢包、转发等操作，达到限制流量速率的目的，有效保护该网络系统的正常运行。

5 结束语

SDN是在互联网时代诞生的新式网络架构，对于提高网络流量管理效率具有重要的现实意义，以SDN为基础的网络流量工程依赖Open Flow协议可以获取全网信息，仅需控制器就能够完成数据整理分析工作，无需额外增加硬件，大幅度降低了硬件设备成本。在实际应用中，基于SDN的流量工程还存在不完善之处，需要进一步深入研究，不断完善SDN网络的功能体系。

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