软件定义数据中心网络中自适应路由技术

原迪

摘 要：嵌入软件定义网络（software defined network，SDN）解耦分离架构体系的数据中心网络（data center network，DCN）虽然可为分布式网络控制提供诸多便利，但在应对随机突发数据流时依然面临数据流拥塞、时延等一些列服务质量（quality of service，QoS）问题。针对该问题提出一种全局自适应路由（adaptive routing technology，ART）算法，助力全网链路以较低的代价成本平滑地转发随机突发模式下的大规模数据流业务。算法通过设计调用函数提取信源信宿对的所有链路，并引入科学的评估机制对可用路由开展排序，最终筛选出代价最低的全局最佳路由。考察结果证明，相对于主流研究方案，ART技术对于提升QoS具有良好的表现。尤其在应对大规模数据流转发时这样的优势愈加显著。

关键词：数据流；自适应；评估；代价

0 引言

SDN技术因解耦转发层和控制层的优势使其备受欢迎，被广泛部署在DCN中开展数据流的调度。然而由于用户侧业务需求的多样性，软件定义数据中心网络（software defined - data center network，SD-DCN）中的数据流呈现出随机突发特性。为使数据流能够在全网得以顺利路由而不影响QoS，业界展开了一系列研究。文献[1]主张在信源交换机和信宿交换机中间寻找跳数最低的路由视为数据流承载链路。此方案虽然降低了数据流业务的时延代价，但却忽略了当信源交换机和信宿交换机之间有多个路径的情形。此时其他路径处于显示状态，这显然有悖于全网数据流均衡调度的目标。文献[2]主张为数据流设计一个模式评估算法来寻找可参与分流该数据流的待用路由以防止出现链路拥塞。但是该算法并未考虑到链路状态多变的情形，而导致某些待选链路的带宽可能不足以承载该数据流。文献[3]对前面两个研究方案做了改进，提出了在剩余通道中选择路由来承载该数据流。然而该方案仅仅只在拓扑管理阶段考虑在线监测链路状态。事实上在实际承载数据流局向时，链路状态未必和此前保持一致。这导致所计算出来的路由不一定具备全局性[4]。基于此，本文构思一种综合考虑全网链路状态而实时作出决策的ART算法。

1 算法原理

基于SD-DCN架构的ART算法部署在管控分离[5]的控制层和转发层。逻辑上控制层位于转发层的上层。该控制层包括全网状态监测单元、流表單元、链路感知单元。其中，链路感知单元又由链路测试子单元和链路选择子单元。转发层包括流转发代理单元和转发设备单元。在实施数据流调度控制时，首先由控制层中的监测单元获得各个节点的连接状态来确定出全网的拓扑。再由链路感知单元运行ART算法来计算出全局最佳路由。控制层为链路感知单元提供算法运行期间所需要的数据流实施参数。流表单元根据所获得的最佳路由信息通知与此路由通道相关的交换节点执行流表项[6]的更新操作。

2 算法设计

4 算法测试

为考察ART算法优势，将算法方案运行在Mininet平台上与文献[1]、文献[2]、文献[3]的研究方案进行对比。在平台上创建五个交换机节点分别为SW1、SW2、SW3、SW4、SW5。其中，SW1和SW2之间的时延和带宽分别为4 ms、200 M；SW2和SW3之间的时延和带宽分别为6 ms、300 M；SW3和SW4之间的时延和带宽分别为8 ms、200 M；SW4和SW1之间的时延和带宽分别为 12ms、100 M；SW1和SW5之间的时延和带宽分别为2 ms、200 M；SW5和SW3之间的时延和带宽分别为2 ms、200 M。常数系数[12]取值0.6。通过考察每种算法下的系统吞吐量和数据流分组路由的平均时延成本来总结算法的表现。

图2所示曲线展示了四种算法在应对不同数据速率时表现出来的吞吐量差异情况。从曲线走势不难看出在数据速率低于60Mb/s时四种算法下的吞吐量基本无差异，算法性能趋于一致。随着数据速率持续增加，算法的差异性逐渐呈现。文献[1]和文献[2]算法表现依然接近，且算法性能最弱。造成此现象是缘于这两种算法方案忽略了数据流随机突发特征可能引发全网带宽状态多变。这将导致数据流被转发到那些闲置带宽资源有限的链路上进行路由，引起链路拥塞甚至可能中断传输。文献[1]和文献[2]算法方案中欠缺考虑的因素在文献[3]和ART算法中得到弥补。因此系统吞吐量显著高于文献[1]和文献[2]算法方案下的吞吐量。但相比之下，本文构思的ART算法在吞吐量方面表现稍显优势。这是由于ART算法额外考虑到了链路时延状态对转发数据流的影响。这样的设计可以显著压缩数据流在转发期间的排队等待时长。这样的优势是文献[3]所不具备的。

图3所示曲线展示了不同算法下的数据流传输时延成本。从曲线走势可见文献[1]时延成本最高。这是由于算法仅将路由跳数作为唯一目标，一味地寻找跳数频次最低的路由来转发数据流。当全网发起随机突发规模的数据流局向时极有可能导致跳数频次最低的路由同样存在拥塞的情况。显然这将导致时延成本增加。文献[2]通过遍历每个路由的带宽状态来执行数据流的转发。由于考虑因素相对较多，故在路由可行性方面比前者占优势。文献[3]将剩余链路的可用闲置带宽纳入数据流转发方案的考虑范围，有效规避数据流转发期间遭遇拥塞的情形。因此相比之下，表现出的数据流转发时延成本更低。但即便如此，该算法依然可能存在所选路由方案存在较大的时延。因为该算法仅仅从闲置带宽角度来规划所选路径。而ART算法方案考虑相对周全。同时兼顾了执行数据流转发的路由可用带宽资源以及路由时延代价对数据流传输的影响力。决策出的最佳路由具备良好的全局性。因此ART算法在本组测试中表现最佳。

5 结语

针对软件定义数据中心网络提出的自适应路由技术旨在解决数据中心网络发起随机突发数据流的情形下全网链路转发数据流存在拥塞、高时延等一系列异常QoS问题。算法在总结传统研究方案的基础上充分考虑了链路带宽和时延状态对数据流转发的影响力，通过引入科学的评估机制决策出全局最佳路由。测试结果表明，所设计的算法方案具有良好的自适应能力，能够提供良好的QoS保障。

参考文献：

[1] EGILMEZ H E， TEKALP A M. Distributed QoS architectures for multimedia streaming over software defined networks[J]. IEEE Transactions on Multimedia， 2014， 16（6）： 1597-1609.

[2] HELLER B， SHERWOOD R， MCKEOWN N. The controller placement problem[J]. Computer Communication Review， 2014， 44（7）：473-478.

[3] THYAUATURU A S， MERCI A. Implementation and analysis of control and forwarding plane for SDN [J].IEEE Communications Surveys Tutorials，2015，17（4）：2238-2286.

[4] 劉振鹏，张庆文，李泽园.软件定义网络中基于贝叶斯ARTMAP 的DDoS攻击检测模型[J].河北大学学报（自然科学版），2021，41 （06）：728-733.

[5] 孙瑞娜，廖彬.面向SDN网络的QoS优化解决方案综述[J].计算机应用与软件， 2021，38（11）：1-10+55.

[6] 苏建忠，张华宇，朱海龙.结合SDN控制器的TSN周期性带宽预留值计算方法[J].通信学报， 2021，42（10）：23-31.

[7] 赵芳，贺怡.基于人工电场优化的软件定义物联网路由算法[J].计算机工程与设计， 2021，42（10）：2725-2732.

[8] 史久根，杨旭，刘雅丽.软件定义网络中快速一致的流更新策略[J].电子与信息学报，2021，43（9）：2617-2623.

[9] 吕勇，翟亚红，李鹏，等.基于SDN的新型车载网络架构研究[J].湖北汽车工业学院学报，2021，35（3）：27-33.

[10] 李兵奎，庄雷，胡颖. SDN中基于交换机等级划分的安全路由策略[J].计算机应用研究，2017，34（2）：22-25.

[11] 任丹萍，武姗姗，张丽静.EPON中基于软件定义光网络带宽优化节能机制[J].光通信技术，2015，39（8）：29-32.

[12] 陈泳洁，王勇，叶苗.一种多控制器SDN网络中控制器故障处理策略[J].桂林电子科技大学学报，2021，41（6）：484-488.