SDN与NFV技术在延时敏感业务场景中的应用

2020-06-12郭胜孙立

电子技术与软件工程 2020年3期

郭胜孙立

（合肥工业大学计算机与信息学院安徽省合肥市 230601）

随着人类生活娱乐水平的不断提高，对网络的性能要求也在不断提升，人类日常工作需求对网络应用延迟的容忍度不断下降。NFV和SDN技术都在未来网络的发展中占有举足轻重的地位，NFV和SDN技术两者都可以通过网络技术革新的方式来转变传统网络的低灵活性与结构冗余的局面。SDN控制器拥有全局网络拓扑视图，可下发细粒度的转发规则到所属交换机，交换机根据控制器下发的规则对数据流进行路由，利用SDN网络特有的数据流引导的方式可以准确流经服务请求所需的网络功能。故借助SDN与NFV的优势，通过SDN多路技术与NFV并行处理模式可以减小延迟保证网络整体服务质量。

1 SDN技术和NFV技术的基本概况介绍

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术是目前较为前沿的互联网络结构，可以将底层的计算、存储等资源与上层业务应用进行融合，可以使得网络设备透明化，最终将不同的互联网企业融为一个网络整体，降低投入成本的同时也提升了资源利用率。SDN控制器可通过open flow协议，与转发设备进行信息交互，按照一定的形式向转发设备下发相应流程表，从而实现对资料信息的相应处理过程。SDN的三层网络架构如图1所示，SDN技术将控制平面与数据平面分离，可将传统网络设备中的基本功能通过SDN中央控制器进行域内管控，最终达到接口开放性的效果。SDN架构由控制层转发层及基础设施层共同组成，可以实现对转发层设备的管控以及网络数据的转发，对于某些个性化业务需求，SDN架构能够通过软件编程的方式给予满足，因此具有很强的灵活性。

网络功能虚拟化 (Network Functions Virtualization，NFV)技术是一种作用于专有硬件设备的虚拟技术。如图2所示，NFV架构图含有NFV、MANO 以及 VNFs。NFV的概念最先是由运营商联盟组织提出来的，是为了可以利用已有的X86等低成本通用商用硬件设备，通过虚拟化技术将硬件与软件进行解耦，最终可通过软件编程的方式来实现特定的网络功能(network functions,NFs)，取代了传统网络中的昂贵且僵硬的专用设备的方式，这意味着网络在保证服务质量的前提下，硬件成本可以降到最低。NFV技术支持多种软件同时进行处理，这将更大程度的拓展软件的功能。NFV将网络功能软件化，只需在通用的硬件设备之中可灌注适当的软件，则设备就具有相应功能，充分发挥了软件的灵活性。

2 SDN技术和NFV技术在延时敏感业务场景中的应用研究

图1：SDN三层网络架构图

图2：NFV统一结构

2.1 延时敏感业务场景说明

目前随着超大用户量之间的在线信息交互、移动应用等新业务模型的不断激增，对业务延迟的需求也越来越高。比如，在线金融交易分析、实时监控系统等对实时性要求较高的应用场景，以及高清低延迟视频流、俗称“千里手”的远程手术等应用场景。在5G网络系统中为了处理和传达用户的上下文信息，系统必须及时收集和共享上下文信息，以及及时的执行服务，所以数据传输的延迟需要得到保证；在“双十一”期间各大网购平台的数据量剧增，众多买家与卖家间的在线交易对网络延迟十分敏感；移动端或者PC端的多人在线游戏，操作延迟将会大大影响玩家的游戏体验；远程视频会议以及疫情期间利用网络的远程在线课堂等，对实时性需求较高。对于服务提供商来说只有让所提供服务延迟在用户可接受范围内，用户才能得到良好的服务体验。未来的工业领域方面，将会有数以百亿计的设备连接上网络，大量的工业现场的周期性的测量信息将传送到工业互联网中，并且这些信息大多是来自交织在现场级与控制级，对等体间的实时控制信息，一些时钟信号信息用于各级网络设备的时钟同步，因此这些信息本来就属于延时极敏感型信息，不言而喻这些信息需要特别高的实时性和准确性。

2.2 SDN技术在延时敏感业务场景中的应用研究

2.2.1 基于SDN技术的最短路径规划

在传统的网络中，由于无法获取全网视图结构，故全网拓扑结构很难得知，因此路由问题变成了制约网络性能的一个关键问题。传统网络中需要根据节点之间传递的信息进行分布式计算，才能获取路由信息。而在SDN网络中，通过中心化的控制器，可以获得网络全局拓扑结构，可以通过向SDN交换机下发流表，快速做出数据报文的转发决策，因此可以轻松解决路由问题。对于不同的网络规模与不同的应用环境，围绕业务需求的多元化、路径安全可靠、端到端延时敏感、网络利用率等方面，可通过各类 SDN路由算法，来解决这些问题。如在小规模网络中以及仅需单一控制器结构的SDN网络中，可采用基于 Dijkstra的最短路径路由算法进行路由规划及路径选择。而在较大规模网络、以及分布式多控制器结构的SDN网络中，则可利用分段路由算法进项智能路由规划。

显然最短路径路由将节约网络资源在占用，同时因源点到目的节点的路径较短，减少了数据流的平均传输时延。2.2.2 网络切片

在SDN架构中，SDN控制器接入网络，可利用实时传输机制来触发网络信息收集模块进行工作。该模块可为提所需网络状态信息供SDN控制器进行决策，向SDN路由设备提供路径信息。由于在网络中不同的用户同时发出数据流请求，其中混合着时间敏感型数据流与普通数据流。而SDN控制器可以通过识别数据流的源、目节点和其QoS需求对流进行延时敏感程度进行划分。在对流进行调度时，首先对延时敏感型数据流进行分级排序处理，然后根据其优先度的大小制定调度次序。其次，搜索多条从源节点到目的节点可行的传输路径，每条路径均可满足时间敏感型数据流的时延要求。最后，对不同的传输路径构建各自的网络切片，再根据切片来管理每个网络节点的延时需求转发队列。当时间敏感型数据流到达时，为其分配一个预定义的网络切片，从而大大减少路由计算。故，通过网络切片可减少延时敏感型数据流的平均排队时延以及传输时延。

2.3 NFV技术在延时敏感业务场景中的应用研究

2.3.1 网络功能服务链

图3：NFV并行处理示意图

如今绝大部分数据流都会经过多个指定的网络功能进行处理。由于数据流的需求多种多样，运营商便开发出一整套网络服务为用户提供相应服务。网络运营商可以提供完整的端到端功能服务，例如，网络监护系统会向用户提供深度包检测（Deep Packet Inspection，DPI），防火墙，入侵检测系统（Intrusion Detection System，IDS）病毒扫描系统（Virus Scanner，VS）等一整套服务。那么我们将用户所需要的服务请求集合，按照一定的逻辑顺序够成的服务链组称之为“网络服务功能链（Service Functions Chain，SFC）”。当然网络服务功能链的组链结构与顺序，可通过上层管理编排控制，网络服务功能链一般是线性链状的，次序是相互依赖而固定的，也可以是部分顺序可调的，组链模式相对灵活。

目前大部分的数据流请求往往需要一系列虚拟网络功能进行处理，导致服务功能链长度增加，但服务链所产生的端到端时延与网络服务功能链的长度呈正比例关系，即服务功能链的长度越长产生的端到端时延随之增加。而对那些多过程且时延敏感型应用来说，这种时延的线性增加将是不能够接受的。虽然网络功能的部分数据流处理任务，可以通过逻辑可编程硬件（FPGA）方式实现对网络服务功能链中，单个网络功能的处理速度进行速度提升，但是随着未来应用需求的不断增长，这种线性的网络功能服务链组链方式，对于网络速度的提升将会产生瓶颈。

2.3.2 NFV并行处理

为打破服务链所带来的时延将随着组链长度的增加而线性增加的瓶颈问题，可采取以牺牲NFV部署成本为代价的NFV并行处理方式。有些网络功能之间没有依赖关系，即网络功能在处理数据包时，不会对另一个网络功能所要处理的数据包帧字节进行修改，因此若网络功能服务链中存在无依赖关系的网络功能，那么数据流便可以被并行处理。在如图3所示的服务功能链中，监测器（Monitor）是一种只读型网络功能，不会对数据流中的字节进行修改，其的任务是维护数据分组的统计数据。所以，可以同时将数据流送入监测器和防火墙（Firewall）中，如图3中的服务框架所示，然后保留防火墙中的数据流，流向下一级网络功能，这种并行处理方式所产生的服务效果与传统线性链式的网络功能服务链处理后的结果一致。而通过这种方式，示例中的网络服务链的相对长度将减少一段，由服务的端到端延时与链组呈正比可知，该方式减少了数据流的处理时延。当然不存在任何依赖关系的网络功能总数是十分可观的，据统计有53.8%的NF之间都能对数据分组并行进行处理，故NFV并行优化空间是很大的。当然NFV并行处理的同时并不影响其他加速技术的工作：首先，对于单个NFV性能进行加速。然后，利用快速数据分组传递的方式在并行情况下加速数据分组的传递过程。最终所达到的效果是可并行处理的VNF同时间工作，具有依赖关系的VNF处理速度也得到了大幅提升，从而达到大幅度减少服务的处理时延效果。

2.3 SDN与NFV技术的结合应用

在软件定义的网络和网络功能虚拟化技术共同存在的大背景下，SDN对流量调度有着先天性的优势，NFV技术可以灵活的创建网络服务，通过SDN与NFV结合可以达到强强联手，互利共赢的效果。通过SDN引导网络数据流，流经合适的网络节点，能过实现为各种复杂的网络功能以及灵活的服务链方式提供最佳的路由路径。由于SDN控制器可获取网络全局拓扑视图，可将网络功能放置在网络拓扑中心位置，减少网络的整体传输延时。因此在整个工作中，基于SDN与NFV技术结合的研究背景下，利用SDN与NFV的各自优势，同时考虑影响网络功能总体服务延时的多种因素，通过采用最短路径路由和网络切片技术等方式为服务请求数据流进行路径规划，一些不存在任何依赖关系的VNF，可以通过并行方式对数据进行分组处理，对存在依赖关系的VNF采用硬件加速，最终以最小化延迟来最大程度地保证整体服务质量。