代文軍

（中國移動(dòng)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司 四川成都 610045）

分析SDN技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)

代文軍

（中國移動(dòng)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司 四川成都 610045）

目前隨著SDN技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)一步深入的學(xué)習(xí)研究，再結(jié)合對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中常見的切換技術(shù)，總結(jié)現(xiàn)網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的方案以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)的研究現(xiàn)狀和性能指標(biāo)。并且在此探討的基礎(chǔ)上，分析結(jié)合SDN技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換提出了一種新的切換方案。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；SDN技術(shù)；切換技術(shù)

引言

現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)持續(xù)快速發(fā)展，用戶需求量不斷增加，多種網(wǎng)絡(luò)共同組合在一起為用戶提供服務(wù)是未來的必然趨勢(shì)。隨著業(yè)務(wù)需求以及用戶數(shù)量的不斷增加，未來將會(huì)形成越來越復(fù)雜、越來龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。面對(duì)如此龐大的系統(tǒng)，我們?cè)撊绾戊`活的組網(wǎng)，如何有效的調(diào)度所有資源來適應(yīng)新業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)和需求，這都是需要重點(diǎn)所關(guān)注地問題。研究者們已經(jīng)開始在為了解決這些問題，不斷摸索新的突破點(diǎn)。而SDN技術(shù)產(chǎn)生恰恰是具有潛力地突破點(diǎn)之一。SDN技術(shù)為上層應(yīng)用和控制器提供了軟件編程接口，因而可以通過調(diào)用接口，達(dá)到資源的擴(kuò)展、靈活調(diào)度以及新業(yè)務(wù)的迅速部署。所以，SDN技術(shù)引起了眾多的相關(guān)人員的興趣，并試圖將之應(yīng)用到各種網(wǎng)絡(luò)中。本文就其在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合過程中地切換技術(shù)進(jìn)行了分析和探討。

1 SDN技術(shù)簡(jiǎn)介

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，Software Defined Network），是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心技術(shù)就是通過將路由器和交換機(jī)中的控制平面分離出數(shù)據(jù)平面，這個(gè)控制平面是開放的，并受到集中控制，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)新提供了很好的平臺(tái)[1]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）目的是將網(wǎng)絡(luò)控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞蛛x，從而擺脫硬件對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制。這樣企業(yè)就可以通過軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)修改，獲得企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，達(dá)到底層路由器和交換機(jī)等硬件無需替換，節(jié)省企業(yè)的成本。軟件定義網(wǎng)絡(luò)能夠從交換機(jī)和路由器中的控制平面里面把數(shù)據(jù)平面分離出來。而在SDN中，控制平面將是受到集中控制且開放的，同時(shí)將邏輯和命令發(fā)送回硬件的數(shù)據(jù)平面。

2 理論分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與面臨的問題

面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的諸多挑戰(zhàn)，將SDN技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是一個(gè)很好的解決方案。在網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于SDN技術(shù)地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)，目的是為了提高在今后異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中切換技術(shù)的性能。如今網(wǎng)絡(luò)的不斷猛速發(fā)展，使客戶端“隨時(shí)隨地連接”已經(jīng)現(xiàn)實(shí)了。但是，雖然業(yè)務(wù)需求完成了，但同時(shí)也使數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，因此我們迫切希望硬件設(shè)備發(fā)揮出更大的能力來承受數(shù)據(jù)量和業(yè)務(wù)需量的增長(zhǎng)性能問題。而當(dāng)前的一種解決方法是對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)處理，如部署多個(gè)接入點(diǎn)。可以在基礎(chǔ)設(shè)施上的升級(jí)必然要面臨成本過高的問題，如果網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施地增加與業(yè)務(wù)需求量的同步的話。所以，在面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一個(gè)重要的挑戰(zhàn)就是要提供一個(gè)能夠提供無處不在的、可擴(kuò)展的有效的網(wǎng)絡(luò)連接方式。這些問題已經(jīng)極大地引起了來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。

2.2 SDN技術(shù)的提出

由于SDN技術(shù)能解耦硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制層面，通過開放的接口使硬件成為“可編程”的，且利用集中控制器這一設(shè)備來控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施地網(wǎng)絡(luò)行為。而SDN的這種獨(dú)有特性，能夠使網(wǎng)絡(luò)資源網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和管理得到有效的解決，這正是目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所面臨的龐大問題之一。關(guān)于SDN技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，已經(jīng)有些研究者們進(jìn)行了研究。如第一次將SDN技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)，分析探討了如何開發(fā)適合于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施以及給網(wǎng)絡(luò)帶來的機(jī)遇，這提出了一種基于SDN技術(shù)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且初步的設(shè)計(jì)了協(xié)議的架構(gòu)。雖然這個(gè)實(shí)施細(xì)則仍有需要改進(jìn)和進(jìn)一步研究的地方，但這已經(jīng)給我們處理現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)問題給出了一個(gè)新思路。還有的研究者在基于架構(gòu)的基礎(chǔ)上，引出了兩個(gè)自適應(yīng)解碼和編碼的算法，雖然此算法的性能現(xiàn)在還無法在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中得到驗(yàn)證，但在架構(gòu)上地實(shí)現(xiàn)表明，我們可以在基于架構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)算法的功能是可行的方案。

2.3 SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

通過在媒體獨(dú)立接入控制協(xié)議（MIH）的基礎(chǔ)上，使用SDN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換手段。而這一架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，就需要數(shù)據(jù)路徑和所有配置的MCN、MMT都能支持SDN的協(xié)議[2]。在切換過程中，首先通過這些協(xié)議來收集服務(wù)所需要地特性，然后通過SDN編程的接口來利用這些特性，使集中控制網(wǎng)絡(luò)地目的得以實(shí)現(xiàn)。然而，在切換過程中，一旦采用某些協(xié)議，如MIH，就會(huì)造成通信中斷，因此MIH協(xié)議不受大部分研究者的青睞。但是，我們?nèi)匀豢梢詫DN技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換過程中的強(qiáng)大信息管理功能以及在信息接口調(diào)用時(shí)的方便性。前文所述的這一新架構(gòu)是基于SDN技術(shù)的，通過使用網(wǎng)絡(luò)靈活的、可編程的以及開放的接口來實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)和提供強(qiáng)大地QoE功能，這使得移動(dòng)性管理和資源管理更加簡(jiǎn)單。經(jīng)過上述的討論，表明SDN技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的巨大優(yōu)勢(shì)。

3 基于SDN技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)

3.1 基本原理

從網(wǎng)路架構(gòu)的角度，本文提出一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換控制技術(shù)。此架構(gòu)能夠提供高效的資源管理能力和可編程地網(wǎng)絡(luò)接口，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)新業(yè)務(wù)的部署方便性和可擴(kuò)展能力得到提高，此外，還提供了更高效地網(wǎng)絡(luò)切換性能。本文所提出來的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換控制示意圖如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

此架構(gòu)中的技術(shù)涵蓋了NGW（network gateway）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、MN（mobile node）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、ER（eage router）邊界網(wǎng)關(guān)、AP（access point）接入點(diǎn)、SDN Controller控制器。

NGW：提供網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)服務(wù)，一種支持SDN功能的設(shè)備。用戶通過它聯(lián)接到網(wǎng)絡(luò)地基礎(chǔ)設(shè)施。它可以是一個(gè)支持接入點(diǎn)，如路由器，也可以是一個(gè)愿意共享用戶的終端設(shè)備。還能作為SDN交換設(shè)備，運(yùn)行某些服務(wù)和協(xié)議。

SDN Controller：上層是開發(fā)地各種在控制器上應(yīng)用的服務(wù)，中間層運(yùn)行控制器地操作系統(tǒng)，而底層是一個(gè)基于云的控制實(shí)體。

在新架構(gòu)中轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制層面分離，它包含了可編程的基于云的控制器和數(shù)據(jù)平面。而在底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中控制器相連接的是南向接口，應(yīng)用服務(wù)與控制器進(jìn)行通信通過北向接口。因此控制器成為了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，它隨時(shí)感知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，并將此狀態(tài)的信息傳給應(yīng)用層，然后據(jù)此做出相應(yīng)的指令和判斷。

3.2 主要技術(shù)介紹

下面分析介紹了幾種關(guān)于上述架構(gòu)的主要技術(shù)：

（1）移動(dòng)性管理和切換，隨著更多地移動(dòng)終端接入到網(wǎng)絡(luò)中，必須保證必要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不間斷，同時(shí)還要保證服務(wù)的質(zhì)量，因此要加強(qiáng)對(duì)移動(dòng)性的可擴(kuò)展性和高效性進(jìn)行管理。NGW的選擇在移動(dòng)性管理過程中至關(guān)重要，切換管理的關(guān)鍵就是要選擇一個(gè)最佳的NGW設(shè)備。控制器能夠提供所有可用地信息，并且感知全網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。在SDN上設(shè)置切換算法，通過計(jì)算后，就能及時(shí)做出相應(yīng)的切換決策。此外，控制器向用戶提供接口，使用戶可以從所有候選者中選擇。但要注意的是在控制器切換算法的選取時(shí)，應(yīng)盡量防止兵兵效應(yīng)的產(chǎn)生，避免不必要地切換。最后在算法選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇掉話率低、時(shí)延相對(duì)較小的算法，提高用戶體驗(yàn)。

（2）資源發(fā)現(xiàn)和管理，由于業(yè)務(wù)需求量的快速發(fā)展，多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已成為一種趨勢(shì)，而單一的網(wǎng)絡(luò)無法滿足用戶的需求，為用戶提供可靠的業(yè)務(wù)。這些網(wǎng)絡(luò)在鏈路、設(shè)備構(gòu)造、協(xié)議實(shí)現(xiàn)上都有存在極大的差異，關(guān)鍵是都互不兼容。因此，NGW設(shè)備要及時(shí)收集當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的信息以及各個(gè)端口隊(duì)列的信息，并提供給SDN控制器，然后SDN再根據(jù)這些信息做出質(zhì)量管理、節(jié)點(diǎn)接入控制決策以及移動(dòng)性管理等指令?？刂破鳙@取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息方式是通過北向接口周期性的詢問NGW來實(shí)現(xiàn)的。

（3）安全保障方面，首先為了提供安全可靠的服務(wù)，必須使用加密技術(shù)，如機(jī)密性、相互驗(yàn)證和完整性。而在選擇加密算法時(shí)，還要充分考慮加密算法的抵抗攻擊的能力和效率等。本文中的架構(gòu)，使用基于標(biāo)識(shí)的密碼體系（IBC）[3]，因?yàn)镮BC是在傳統(tǒng)的PKI基礎(chǔ)上演化而來的，特別適合要求高效并且簡(jiǎn)單的SDN管理域。因?yàn)镮BC技術(shù)在應(yīng)用中，不需要使用許多交換數(shù)字證書，這樣安全應(yīng)用就易于部署。IBC技術(shù)采用非對(duì)稱密碼體系，將每個(gè)人的公鑰作為身份標(biāo)識(shí)，在加密和解密時(shí)，采用兩套不同的密鑰。

（4）容錯(cuò)，在數(shù)據(jù)平面，容錯(cuò)的目標(biāo)是檢測(cè)整個(gè)鏈路的失敗并使用回復(fù)措施。容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)就是在集中式控制的SDN控制器中存有一個(gè)專門用于轉(zhuǎn)發(fā)路徑的數(shù)據(jù)庫，一旦有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)失敗時(shí)，就能夠根據(jù)控制器通過對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備獲取的信息進(jìn)行分析而及時(shí)的設(shè)置重定向。最后就是在設(shè)置服務(wù)器時(shí)要注意必須有一個(gè)主服務(wù)器和若干個(gè)從服務(wù)器，防止主服務(wù)器連接斷開時(shí)，從服務(wù)器還可以繼續(xù)工作，從而保證服務(wù)的提供無間斷。

（5）負(fù)載平衡，在保證網(wǎng)絡(luò)的性能時(shí)，負(fù)載平衡技術(shù)是十分重要的。在本文的架構(gòu)中，SDN集中控制器能實(shí)時(shí)感知全網(wǎng)的負(fù)載情況，并且還可以部署負(fù)載平衡算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，使網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)束語

隨著用戶需求的迅速增長(zhǎng)和不斷改變，目前關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)還不是特別成熟，這需要我們的研究者們進(jìn)一步對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行完善和研究。此外，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展的結(jié)果就是產(chǎn)生龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這也給異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)帶來了不少的挑戰(zhàn)，尤其在資源的調(diào)度、新切換策略的部署等方面。而本文中SDN技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用為切換技術(shù)面臨的眾多挑戰(zhàn)，提供了一種切實(shí)可行的方法。

[1]殷旗.軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN進(jìn)入智能寬帶接入網(wǎng)[J].消費(fèi)電子，2014（22）.

[2]張青峰，李士寧，李君偉.基于MIH的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（4）：148～152.

[3]顏世佳，劉曉潔.基于身份密碼體制的電子招投標(biāo)方案[J].計(jì)算機(jī)工程，2011，37（19）：114～116.

TN929.5

A

1004-7344（2016）13-0285-02

2016-4-2

代文軍（1979-），男，工程師，碩士，主要從事傳輸網(wǎng)絡(luò)咨詢規(guī)劃工作。