徐文義　周永福

(河源職業(yè)技術學院　 電信學院，廣東河源　517000)

?

一種媒體數(shù)據(jù)高效直播的NFV-SDN框架設計

徐文義周永福

(河源職業(yè)技術學院 電信學院，廣東河源517000)

OpenFlow是軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的核心協(xié)議，能實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，加速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸。NFV作為SDN 的一種實現(xiàn)思路，是解決媒體數(shù)據(jù)基于OTT傳輸?shù)牡脱舆t與可擴展性的可靠手段。本設計首先采用FlowVisor對傳輸網(wǎng)絡進行虛擬網(wǎng)絡層的構建，分析了一種滿足QoS需求的采用OpenFlow協(xié)議與SDN控制器產(chǎn)生Flow-table實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)臋C制，最后給出一種用于媒體數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)腘FV-SDN框架。實驗結(jié)果表明提出的NFV-SDN框架能較大程度地縮短流媒體端到端傳播的延遲時間，且減少跳點數(shù)與服務負載，提升了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴?/p>

SDN(Software Difinition Network)；NFV(Network Function Virtualization)；OTT(Over-the-Top)；媒體直播

1　問題的提出

當前，基于互聯(lián)網(wǎng)的OTT媒體數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)出快速的增長趨勢，然而由于其缺乏全局網(wǎng)絡組播技術的支持，這為大數(shù)據(jù)的應用提出了挑戰(zhàn)。早期提出的IP組播技術因其缺乏數(shù)據(jù)包丟失的控制與管理，被認為缺乏協(xié)議的特征而不可行。P2P技術與內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(CDN)的結(jié)合，在OTT數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑袋c與目的端點間生成更多的單播流，SDN作為一種邏輯集中控制模式，將數(shù)據(jù)與控制平臺進行分離，進一步針對應用與服務實現(xiàn)對控制平臺的編程與潛在基礎實施的描述，使網(wǎng)絡形成一種可編程的、可管理的、自適應的高可用性網(wǎng)絡[1-2]。事實上，OTT并非新事物，也沒有采用私有協(xié)議和獨立的網(wǎng)絡架構。然而，CDN實現(xiàn)流媒體傳播采用IP單播方式，不使用IP多播的原因是缺乏協(xié)議的管理與控制功能。P2P機制能延伸和擴展CDN的多播功能，但針對客戶端與ISP網(wǎng)絡服務商間生成的單播流對ISP提出了一定的挑戰(zhàn)。為解決這個問題，又提出了基于SDN的跨層方法實現(xiàn)覆蓋層網(wǎng)絡的組播技術SDM，在此SDM是一款特別定制的滿足基于P2P的流媒體直播[3-4]。相對于很多方法，SDM較基于OTT的局部P2P媒體直播技術有一定改善。

鑒于此，借鑒NFV對網(wǎng)絡性能轉(zhuǎn)發(fā)的特性[5]，遵循OpenFlow協(xié)議探討了一種輔以NFV用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)網(wǎng)絡傳輸路徑選擇的思路，最終完成一種針對媒體直播的NFV-SDN設計框架。

2　SDN-NFV原理與方法

如前所述，SDN將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡功能劃分成控制平臺與數(shù)據(jù)平臺，其中作為控制部分的SDN控制器負責推送一套規(guī)則指令指導數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡設備間的流轉(zhuǎn)[6-7]。也就是說，數(shù)據(jù)端的每一個網(wǎng)絡設備根據(jù)SDN控制器推送的規(guī)則負責處理數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，最終完成應用程序與控制器進行交互。在圖1所示的SDN分層體系結(jié)構中，一個程序部署在控制端作為控制器實現(xiàn)規(guī)則指令的傳送，通過控制數(shù)據(jù)接口引導數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)平臺的網(wǎng)絡設備間交互。換而言之，這些規(guī)則指令都是由控制端發(fā)出的存放在Flow-table中的用于指導數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的路徑信息，而實現(xiàn)這個過程的正好被認為是事實上的標準且已提供控制數(shù)據(jù)接口的OpenFlow協(xié)議。

圖1　SDN分層體系結(jié)構

一般地，NFV 與 SDN 能單獨被使用，但是為了獲得彈性的可編程網(wǎng)絡的最好利益，這兩者被一起使用。為解決多維空間在靈活度與時間規(guī)模的競爭性，NFV與SDN允許網(wǎng)絡使用先進的基于云的方法集成在云的生態(tài)系統(tǒng)中，如OTT和云服務等方法，便于解決大量的網(wǎng)絡擁塞問題。最關鍵的步驟就是促使網(wǎng)絡(包括功能與連接)成為可編程與自動化，這些方法具有兩面性。可編程能創(chuàng)建一個新的動態(tài)服務便于網(wǎng)絡資源以互聯(lián)網(wǎng)速度與規(guī)?？捎?。而其中的自動化則是一種潛在產(chǎn)品環(huán)境需要去完成更大數(shù)量的服務請求和高效操作的獲取。然而，探討的是基于SDN的基礎上結(jié)合NFV進行的一種路徑選擇機制。實際上，OpenFlow作為一種最普通用于SDN的通信協(xié)議，能大大地方便網(wǎng)絡的管理，尤其是訪問網(wǎng)絡的控制平臺(SDN控制器)與數(shù)據(jù)平臺(網(wǎng)絡設備，如網(wǎng)關和路由器等)。SDN的集中控制能更好地配置新服務及其網(wǎng)絡需求，以適應網(wǎng)絡擁塞和其他挑戰(zhàn)變得更加容易和快速；而其集中管理還可以獲得對整個網(wǎng)絡的可視性，讓網(wǎng)絡能夠擴展和改變適應新的環(huán)境和服務。因此，如果輔以一定的路徑選擇機制，將在一定程度上緩解數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。NFV的本質(zhì)在于解決電信運營商多年來高昂的網(wǎng)絡成本和封閉的網(wǎng)絡功能。如果說SDN的主要目的在于推動網(wǎng)絡控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，實現(xiàn)控制功能的軟件化，工作重點在于接口和協(xié)議過程的標準化的話，NFV以軟件方式虛擬化IT資源，讓虛擬化部署能夠提供重要的網(wǎng)絡功能，而不再需要專業(yè)的物理設備。NFV主要是通過基于x86服務器上的軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，來取代私有專用的網(wǎng)元設備。它主要用來虛擬化4～7層網(wǎng)絡功能，如防火墻或IDS，甚至還包括負載均衡(應用交付控制器)。其優(yōu)點體現(xiàn)在兩個方面：一是標準設備價格低廉，能夠節(jié)省巨大的投資成本；二是開放API接口，能夠獲得更靈活的網(wǎng)絡能力。對NFV的關注，與對SDN的關注一樣，當軟件可以為網(wǎng)絡帶來實在的成果后，人們將逐漸意識到使用虛擬化功能取代硬件功能必將帶來一定的優(yōu)勢。

3　NFV-SDN虛擬網(wǎng)絡路徑選擇

實現(xiàn)SDN-NFV路徑選擇，必須經(jīng)過網(wǎng)絡功能虛擬化與Flow-table數(shù)據(jù)的生成兩個步驟。

3.1NFV網(wǎng)絡功能虛擬化

與計算機的硬件虛擬層一樣，這里的FlowVisor位于其物理硬件與控制它自身的軟件之間，就類似于操作系統(tǒng)使用其指令集去控制其潛在的硬件一樣，F(xiàn)lowVisor用OpenFlow來控制其固有的物理網(wǎng)絡，如圖2所示。硬件的資源描述是實現(xiàn)可視化管理的基礎，OpenFlow將從控制單元的層面進行約定，如帶寬、CPU拓撲、流空間等。

圖2　網(wǎng)絡虛擬化層FlowVisor

3.2采用Folw-table實現(xiàn)路徑選擇

Flow-table規(guī)定了數(shù)據(jù)包的走向，通常由Header Fields、Counters、Actions三部分組成，如圖3(a)所示。然而對應OpenFlow網(wǎng)關結(jié)構，與Flow-table類似，數(shù)據(jù)包經(jīng)過入端口后，與已經(jīng)設定的流表的記錄進行匹配，僅將匹配不成功的數(shù)據(jù)包交由控制器處理，否則依據(jù)Actions的規(guī)定進行響應。圖3(b)為OpenFlow網(wǎng)關Type0數(shù)據(jù)結(jié)構。這里的路徑選擇就是根據(jù)Flow-table的內(nèi)容進行路徑計算而做出的抉擇，最終形成如圖4所示的虛擬路徑訪問走向。圖中粉紅色標識為已經(jīng)過虛擬化的網(wǎng)絡設備，在終端訪問過程中，依據(jù)路徑進行訪問的數(shù)據(jù)流向示意圖。

圖3　Flow-table描述

圖4　流層次的虛擬路徑訪問走向

4　NFV-SDN框架設計

圖5　路徑選擇框架結(jié)構

為實現(xiàn)媒體快速直播，設計了如圖5所示路徑選擇框架結(jié)構。該傳輸網(wǎng)絡是由具有不同網(wǎng)絡接口技術的網(wǎng)關組成，包括主網(wǎng)關與子網(wǎng)關等。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包經(jīng)過子網(wǎng)關進入主干網(wǎng)的主網(wǎng)關而后進行封裝，并在各主網(wǎng)關間進行傳遞；同時主網(wǎng)關維護了一個主子網(wǎng)關的映射。提出的框架是經(jīng)過虛擬化過程，由SDN控制器對各網(wǎng)絡設備進行控制。網(wǎng)絡管理人員通過GUI與SDN控制器進行通訊，此外，控制器也有相應接口去保存與提取網(wǎng)絡最新的狀態(tài)信息從TED，如節(jié)點連接、網(wǎng)絡拓撲、路由通道等[8]。此外，控制器擁有一個用戶網(wǎng)絡接口UNI以及一個網(wǎng)絡間的接口NNI與外圍網(wǎng)絡進行通訊，實現(xiàn)路徑的請求與響應。此處控制器的行為是基于Flow-table的路徑匹配結(jié)果所決定。

5　實驗與結(jié)論

為驗證該框架結(jié)構設計的可用性與有效性，分別設計了在普通網(wǎng)絡結(jié)構與NFV-SDN框架關于包丟失率、網(wǎng)絡延遲方面的2組模擬場景進行實驗。主要考慮到本實驗選擇OpenFlow SDN的架構實現(xiàn)，而Mininet剛好支持SDN控制器、網(wǎng)關，且能提供多達幾百個節(jié)點與鏈接、網(wǎng)絡拓撲在單個主機的能力，因此采用Mininet工具模擬運行環(huán)境[9]。此外，在SDN控制器方面采用Floodlight Controller[10]，這里的Floodlight是基于Java的控制器實現(xiàn)，易進行擴展。圖6所示為一個SDN控制器控制兩個具有7個網(wǎng)關子網(wǎng)的模擬環(huán)境，其中子網(wǎng)2中的網(wǎng)關5與網(wǎng)關7的鏈接是本模擬環(huán)境的關鍵鏈接，鏈接速度為100 Mbps，包大小為512 K，運行時間間隔為60 s，通常情況下，SDN控制器是覺察不到子網(wǎng)2中網(wǎng)關5到網(wǎng)關7鏈路的擁塞問題，因此該環(huán)境具有較高的擁塞損失。然而，如果能及時獲取網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)信息通知SDN控制器，必將提升網(wǎng)絡鏈接的最大利用率，獲得一個跳點較少的最佳路徑。換而言之，增加網(wǎng)絡狀態(tài)的更新頻率，也將進一步改善網(wǎng)絡性能。圖7為針對普通網(wǎng)絡傳輸與采用NFV-SDN路徑框架隨著網(wǎng)絡狀態(tài)更新間隔時間改變的效用情況，從圖上可知，隨著網(wǎng)絡狀態(tài)更新間隔時間增大，包丟失率與網(wǎng)絡延遲都將增加。

圖6　NFV-SDN框架模擬運行環(huán)境

圖7　網(wǎng)絡狀態(tài)信息更新間隔時間的效用情況

綜上，本文在分析NFV與SDN各自特點與優(yōu)勢的基礎上，從OpenFlow協(xié)議中Flow-table的角度探討了一種輔以NFV用于實現(xiàn)媒體直播的NFV-SDN框架設計思路，提升媒體直播的數(shù)據(jù)包傳輸效率。實驗結(jié)果表明，在Flow-table的路徑導引下，提升網(wǎng)絡狀態(tài)信息更新間隔時間，SDN控制器能進一步減少包的丟失率與網(wǎng)絡延遲，對提升網(wǎng)絡的整體性能具有顯著的效果。下一步可以探討NVF-SDN框架基于SLA提升用戶QoS的影響。

[1]Committee O. M.E.: Software-Defined Networking: The New Norm for Networks. ONF White Paper[R]. Palo Alto, US: Open Networking Foundation, 2012.

[2]Reitblatt M. Consistent updates for software-defined networks: Change you can believe in[C]//In Proceedings of the 10th ACM Workshop on Hot Topics in Networks. ACM, 2011.

[3]J Rückert J Blendin，Hausheer D. Software-Defined Multicast for Over-the-Top and Overlay-based Live Streaming in ISP Networks[J]. Journal of Network & Systems Management，2015，23(2)：280-308.

[4]Dan M，SJB Yoo. FlowBroker: A Software-Defined Network Controller Architecture for Multi-Domain Brokering and Reputation[J]. Journal of Network & Systems Management，2014，23(2)：328-359.

[5]唐宏，歐亮. 網(wǎng)絡功能虛擬化中的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)性能優(yōu)化技術研究[J]. 電信科學，2014，30(11)：135-139.

[6]Rabenseifner R. Optimization of Collective Reduction Operations. Spring Berlin Heidelgerg,2004,3036:1-9.

[7]Open Network Foundation: Software-Defined Network, The New Norm for Networks,White Paper, 2012.

[8]Choi J. A hybrid topology discovery protocol for mobile backhaul[C]. Paper presented at the CNS ’13 Proceedings of the 16th Communications and Networking Symposium, San Diego, USA.

[9]Mininet team. Miniet[EB/OL]. (2015-01-15).http://www.mininet.org.

[10]BigSwitch. Floodlight OpenFlow Controller [EB/OL]. (2012-01-11).http://floodlight.openflowhub.org.

A Design of Efficient Living NFV-SDN Based on Media Data

XU WenyiZHOU Yongfu

(Electronic and Information Engineering Institute of Heyuan Ploytecnic, Heyuan 517000, China)

OpenFlow is the core protocol of software defined network (SDN), which can separate the control and forwarding of network system and accelerate the transmission of network data. NFV (Network Function Virtualization), as an implementation of SDN, is a reliable method to solve the low latency and scalability of media data transmission based on OTT (Over the Top). This paper discusses how to build virtual network layer using Flowvisor for transmission network, analyzing the produce of Flow-table to realize fast data transmission mechanism which meets the QoS requirements by using the openflow protocol and SDN controller, and proposing an NFV-SDN framework for network transmission. The experimental results show that the proposed NFV-SDN framework can significantly reduce the delay time on media data for efficient living from end to end, reduce the number of hops and service load, and improve the performance of transmission in network.

SDN(Software Difinition Network); NFV(Network Function Virtualization); OTT(Over-the-Top); media living

2016-03-22

徐文義(1980—)，男，江西修水人，高級工程師，主要從事網(wǎng)絡安全研究。

TP31

A

1009-0312(2016)03-0049-05