傅妍芳，李敬偉，馬 靜，趙世峰，田鵬輝

(西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，不容易對各交換設(shè)備的集中管理和配置，需要分別對其進行手動配置；對虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理應(yīng)用不多，需要專門的虛擬網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制與數(shù)據(jù)平面的耦合，很難做到全局的網(wǎng)絡(luò)拓撲的顯示來實現(xiàn)監(jiān)控功能；不同的廠商提供的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是閉源的，不同的設(shè)備需要不同的API來進行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)，不利于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的創(chuàng)新.

SDN是對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)[1]，從分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)向集中式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將傳統(tǒng)的各交換設(shè)備的控制層面[2]抽取出來，作為控制中樞來管理和控制各交換設(shè)備，與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面分離[3]；其網(wǎng)絡(luò)配置也解決了傳統(tǒng)的分布式框架，采用集中式的管理方式，對SDN設(shè)備進行統(tǒng)一管理和靈活部署[4]，并且可以對全網(wǎng)的拓撲進行監(jiān)控，實現(xiàn)全局鏈路的顯示，其控制層面可根據(jù)需要進行鏈路選擇，如采用動態(tài)路由的方法對鏈路進行路徑選擇[5].

基于此，為了底層網(wǎng)絡(luò)能更好的為上層業(yè)務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)資源做到靈活調(diào)度，文中擬應(yīng)用SDN架構(gòu)，把協(xié)議的實現(xiàn)從硬件層剝離出來，把硬件用統(tǒng)一的模型描述，模型之外的部分變成控制器和流表，通過控制器和流表來實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.

1 SDN相關(guān)技術(shù)

作為SDN框架中的核心，SDN控制器獲得下層的全局網(wǎng)絡(luò)拓撲，做出控制報文的轉(zhuǎn)發(fā)決策，可以解決在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中路由不可控的問題.當需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)行為時，不再需要修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身，而是調(diào)整SDN控制器內(nèi)部的軟件.目前主流的SDN控制器采用的路由算法為Dijkstra算法，該算法只能計算出源節(jié)點和目的節(jié)點之間的最短路徑.

Ryu控制器就作為一種基于組件的軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架，提供了定義好的API使開發(fā)者更易創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用控制[6].Ryu支持不同的協(xié)議管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如：OpenFlow、Netconf、OF-config等，且支持OpenFlow1.0到OpenFlow1.5.

mininet是一些虛擬的終端節(jié)點、交換機、路由器連接而成的網(wǎng)絡(luò)仿真器，其基于Linux Container架構(gòu)，采用輕量級的虛擬化技術(shù)，使得系統(tǒng)可以和真實網(wǎng)絡(luò)媲美[7].利用mininet創(chuàng)建支持自定義的網(wǎng)絡(luò)拓撲，縮短開發(fā)測試周期；支持OpenFlow、Open vSwitch等軟件定義的網(wǎng)絡(luò)組件[2，8]，在mininet上運行的代碼可以無縫移植到支持OpenFlow的硬件設(shè)備；支持系統(tǒng)級的還原測試、支持復(fù)雜拓撲、自定義拓撲等.文獻[9]對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做了闡述(如圖1所示)，SDN是把不同協(xié)議間的分布式系統(tǒng)集成到了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，各路由算法成為了另一種形態(tài)——APP.

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與新型SDN的架構(gòu)變更

在Ryu控制器的架構(gòu)中可以更加清晰的看到SDN的架構(gòu)應(yīng)用，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 Ryu控制器框架的層次結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)路由技術(shù)

在OSI模型中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸主要在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層.數(shù)據(jù)鏈路層主要負責(zé)數(shù)據(jù)幀的傳輸，網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)數(shù)據(jù)包在發(fā)送端和接收端的傳輸.路徑選擇、路由以及邏輯尋址也都是在網(wǎng)絡(luò)層中實現(xiàn).選路問題存在于網(wǎng)絡(luò)的各個層之中，網(wǎng)絡(luò)層中的路由選擇和路由計算采用IP地址協(xié)議，其步驟如下：

① 當數(shù)據(jù)分組進入交換設(shè)備時，對分組的目的地址進行選路，確定下一跳的節(jié)點地址；

② 利用ARP確定下一跳節(jié)點物理地址；

③ 將數(shù)據(jù)分組封裝在物理幀中，利用底層物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送到下一跳節(jié)點.

當一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備把數(shù)據(jù)包發(fā)給路由器時，路由器對收到的數(shù)據(jù)包進行解析，提取出目的地址，接下來路由器根據(jù)ARP協(xié)議確定下一跳的物理設(shè)備，路由器再把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，可以將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到最終的設(shè)備中.IP網(wǎng)絡(luò)的路由是先選擇路徑，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，每個設(shè)備只知道下一跳的地址，這樣依次進行轉(zhuǎn)發(fā)就可以到達目的地址.

1.2 SDN路由技術(shù)

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較，SDN網(wǎng)絡(luò)中，SDN控制器集中擁有全局視圖的網(wǎng)絡(luò)拓撲[8].控制器通過鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，獲得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基本信息(包括網(wǎng)絡(luò)拓撲和網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)資源包括節(jié)點連接關(guān)系，帶寬、跳數(shù)、時延、誤碼率等信息)，形成網(wǎng)絡(luò)拓撲視圖和資源視圖.基于網(wǎng)絡(luò)拓撲，結(jié)合Dijkstra算法，并對其優(yōu)化，找出網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路由.

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的路由只能實現(xiàn)基本的路由功能，不考慮整個網(wǎng)絡(luò)中的流量分布情況，很容易造成局部鏈路的路由阻塞.而SDN控制器可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲與網(wǎng)絡(luò)資源進行路由的調(diào)度，選出最佳路徑而不一定是最短路徑.

2 路由算法設(shè)計

2.1 靜態(tài)路由

靜態(tài)路由的鏈路選擇不是根據(jù)算法得到的，是網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)鏈路的實際需求，對各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行手動配置得出，在規(guī)模比較小的網(wǎng)絡(luò)中，可以滿足應(yīng)用，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，網(wǎng)絡(luò)拓撲較復(fù)雜，且網(wǎng)絡(luò)變化較頻繁時，對網(wǎng)絡(luò)的配置就顯得不夠靈活，非常低效.在SDN控制器中，可以顯示他所控制和管理的域內(nèi)全局的網(wǎng)絡(luò)視圖，而且Ryu控制器作為集中的控制層面，管理員只需在控制器中對各節(jié)點進行統(tǒng)一流表下發(fā)，使各OpenFlow交換設(shè)備根據(jù)流表項的規(guī)則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，完成靜態(tài)路由的功能.SDN網(wǎng)絡(luò)中的交換機不再解析任何協(xié)議，只做流表匹配和轉(zhuǎn)發(fā)，其控制方式采用集中式，所有協(xié)議解析都需在控制器內(nèi)完成，流表下發(fā)也是統(tǒng)一從控制器下發(fā).

在Ryu控制器中，將對各OpenFlow交換設(shè)備的MAC地址和輸入輸出端口進行規(guī)則定制，按照OpenFlow協(xié)議對各字段進行定義和封裝，通過Ryu流表下發(fā)函數(shù)對各OpenFlow交換設(shè)備進行流表下發(fā)，從而完成鏈路的整個靜態(tài)路由.

2.2 基于跳數(shù)的動態(tài)路由算法

基于SDN架構(gòu)的靜態(tài)路由可以集中的對各支持OpenFlow的交換設(shè)備進行表項下發(fā)，對于鏈路的狀態(tài)也能做到更好的監(jiān)測.但是，基于SDN的靜態(tài)路由配置也存在一些缺陷，例如：需要預(yù)先對網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進行獲取，同時，對各交換設(shè)備的各個參數(shù)都要記錄到控制器中，且以上過程都需要人工參與記錄和流表項的規(guī)則制定，特別是當網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時，還需要對流表項進行更新，以適應(yīng)新拓撲可以正常通信.

如果以上過程完全由程序來實現(xiàn)，如：對鏈路的自動發(fā)現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自動感知，對鏈路的自動選擇，對各交換設(shè)備進行自動的流表下發(fā)，那么可以用動態(tài)的方式來完成以上過程.重點是對網(wǎng)絡(luò)中進行動態(tài)的路徑選擇，利用Dijkstra算法[10]完成.結(jié)合Ryu控制器中的鏈路發(fā)現(xiàn)，對控制層面的可編程性，完成對鏈路的自動選擇和對OpenFlow交換設(shè)備流表的自動下發(fā)[5].

Dijkstra采用貪心算法的原理，主要解決源節(jié)點到目的節(jié)點之間的最短路徑問題，它的主要特點是每次迭代找到的點，除了已經(jīng)找到的點之外離源點最近的點.Dijkstra算法思想如下：

一個有向圖可以用G=(V,E)表示，V表示圖中所有點的集合，E表示圖中所有邊的集合.V中點可以分成兩組，一組用S表示，另一組用U表示.S中所包含的點是已經(jīng)存在于已求最短路徑中的點，開始時，S中只包含源點，之后每求出一條最短路徑，就把其上的點加入S中，直到圖中的所有點都包含在S中，算法結(jié)束.U中包含的點是尚在已求最短上出現(xiàn)的點，根據(jù)最短路徑的長度，可以把U中的點依次加入到S中.在此過程中，必須保持源點到S中點的距離不大于源點到U中點的距離，另外，每個點都對應(yīng)一個路徑長度，S中點所對應(yīng)的路徑長度為該點到源點的最短路徑長度，U中點所對應(yīng)的距離，是該點到源點且路徑只包含S中的點的路徑長度.

在Ryu控制器中，通過鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議來獲取整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中的節(jié)點，包括各交換設(shè)備本身以及其對應(yīng)的出入端口信息，將其存儲到控制器中的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表中記錄下來；根據(jù)動態(tài)路由算法，計算出源與目的主機之間經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并選擇出源與目的之間的最短路徑；將計算得到的路徑經(jīng)過的節(jié)點信息安裝到各個節(jié)點的流表中，從而完成Ryu控制器中對動態(tài)路由的實現(xiàn)[11].

2.3 提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的動態(tài)路由

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，基于跳數(shù)而實現(xiàn)的最短路徑選擇，在實際使用中遠遠不夠，沒有考慮到鏈路的實際資源情況，例如：各個鏈路的帶寬、時延、丟包率等業(yè)務(wù)屬性.

在Ryu控制器內(nèi)部，利用網(wǎng)絡(luò)特性和SDN控制器可以全局信息獲取以及整體決策各交換節(jié)點的特點，開發(fā)感知網(wǎng)絡(luò)資源的功能特性，獲取到各個鏈路的實際帶寬、時延、丟包率等屬性，根據(jù)這些屬性，將其設(shè)置為混合的權(quán)重機制，根據(jù)用戶需求，進行權(quán)重優(yōu)先切換，也可根據(jù)算法，將獲取到的屬性根據(jù)實際情況進行擬合，生成一個多權(quán)重融合的算法，一是為了使動態(tài)路由計算更加實際可用，二是為了提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率.

3 最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)

Ryu控制器與SDN交換機進行信息交換為：Hello握手信息，建立網(wǎng)絡(luò)連接，保持鏈接狀態(tài)；同時，Controller會向Switches發(fā)送狀態(tài)請求，包括支持的OpenFlow版本，支持的Features等信息.

通過bserve-links指令自動下發(fā)LLDP，開啟拓撲發(fā)現(xiàn)功能，Ryu控制器內(nèi)部接收到鏈路發(fā)現(xiàn)事件后，觸發(fā)控制器的事件處理模塊進行交換設(shè)備、主機以及鏈路連接的信息獲取.SDN控制器與SDN交換機的具體通信過程見表1.

表1 SDN控制器與SDN交換機信息交換

Tab.1 Information exchange between the SDN controller and the SDN switch

消 息類 型描 述HelloController→SwitchTCP握手,控制器請求交換機版本號HelloSwitch→Controller交換機回復(fù)它支持的版本Feature RequestController→Switch控制器詢問可用端口SetConfigController→Switch控制器讓交換機發(fā)送超時消息Feature ReplySwitch→Controller交換機回復(fù)端口速度、支持的表和行動

默認情況下，SDN控制器會對交換機下發(fā)table-miss流表，當交換設(shè)備的信息進入Controller時，及觸發(fā)Packet-in事件供Ryu控制器進行處理.結(jié)合Dijkstra算法進行路徑選擇，其步驟如下：

① Ryu控制器獲取整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲；

② 解析到網(wǎng)絡(luò)拓撲中所有的交換機和端口信息，存儲到鄰接矩陣的字典中；

③ handler事件處理器處理接收到的Packet-in事件，進行MAC地址學(xué)習(xí)和端口映射存儲；

④ 根據(jù)存儲在mac地址表中信息進行鏈路計算，執(zhí)行Dijkstra路由算法并選擇出最短路徑；

⑤ 對計算到的路徑解析出其下一跳的交換機和出入端口信息；

⑥ 對各交換設(shè)備進行流表下發(fā)，使整個拓撲的所有數(shù)據(jù)平面按照計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)包的正常轉(zhuǎn)發(fā).

在上述過程中，動態(tài)路由Dijkstra只是基于跳數(shù)計算出了最短路徑，并沒有考慮到實際的鏈路狀態(tài)以及鏈路屬性等信息.對此，增加了對鏈路的感知功能，通過感知Ryu控制器來獲得鏈路的帶寬、延遲、丟包率等鏈路屬性，根據(jù)獲得的鏈路屬性來為其分配權(quán)重，將各種權(quán)重進行擬合，在路由算法中將權(quán)重加入到最短路徑選擇的鄰接矩陣中，從而用戶可以根據(jù)實際情況來切換權(quán)重，進而實現(xiàn)滿足用戶需求，同時又能提高網(wǎng)絡(luò)利用率的網(wǎng)絡(luò)路徑選擇.拓展的實現(xiàn)過程為：

① 獲取拓撲信息之后進行鏈路感知；

② 獲取鏈路的帶寬、延遲、丟包率等屬性；

③ 對獲取的鏈路屬性進行權(quán)重賦值；

④ 與MAC地址表中的源、目的交換設(shè)備進行參數(shù)傳遞；

⑤ 將鏈路屬性參數(shù)作為Dijkstra的權(quán)重參數(shù)參與路徑選擇；

⑥ 根據(jù)最短路徑結(jié)果綁定所有輸入輸出端口；

⑦ 匹配路徑并為每個交換機下發(fā)流表.

4 實驗仿真

實驗采用All-in-one結(jié)構(gòu)，將Ryu控制器、mininet安裝在同一臺虛擬主機里，其中Ryu負責(zé)對Openv Switch進行管理和控制，mininet負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)的仿真，模擬出虛擬交換設(shè)備與虛擬主機.針對OpenFlow交換機加入動態(tài)路由功能，其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖3所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲測試圖

由圖3可知，從h1到h2可以經(jīng)過兩條路徑，分別是：h1→s1→s2→s4→h2；h1→s1→s3→s4→h2.鏈路發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行之后，學(xué)習(xí)設(shè)備的端口和經(jīng)過的鏈路.執(zhí)行程序之后，得到如圖4所示的詳細端口信息.

圖4 獲取到鏈路后的詳細信息

執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)鏈路感知程序，圖4中加入了h11、h22兩個虛擬主機，目的是為了在程序中對各鏈路完成對帶寬、延遲和丟包率等屬性的獲取.獲取到信息后，根據(jù)用戶需求對參數(shù)賦予權(quán)重，將其加入鏈路的動態(tài)路由算法，從而實現(xiàn)優(yōu)化后的動態(tài)路由功能.

4.1 執(zhí)行mininet網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境

為了控制SDN交換機，OpenFlow交換機采用Open vSwitch，執(zhí)行環(huán)境采用mininet.通過自定義網(wǎng)絡(luò)拓撲完成拓撲搭建，其中鏈路帶寬、延遲、丟包率由Linux TC內(nèi)核流量控制工具來模擬.腳本如圖5所示.

圖5 mininet網(wǎng)絡(luò)拓撲仿真

由圖5可知，通過mininet拓撲自定義腳本生成四個虛擬交換機，四個虛擬主機.四個主機分別與四個虛擬交換機相連，同時在mininet腳本中引入流量控制工具，對各鏈路的參數(shù)進行指定：帶寬、丟包率以及延遲，以此來模擬實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的情況.

4.2 執(zhí)行Ryu應(yīng)用

基于OVS的mininet仿真環(huán)境與Ryu控制器連接之后，控制器會自動進行鏈路發(fā)現(xiàn)和MAC地址學(xué)習(xí)等功能，從而控制器中會有虛擬交換機的全局拓撲，自動對鏈路中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行獲取，計算出各節(jié)點的出入端口，執(zhí)行動態(tài)路由選擇函數(shù)，計算出鄰接的交換機信息，和從源到目的基于跳數(shù)的所有路徑，而同時結(jié)合獲取到的網(wǎng)絡(luò)鏈路屬性，對權(quán)重較低的鏈路進行剪枝，得出優(yōu)化后的最短路徑.SDN控制器對各交換機根據(jù)路由算法計算出的結(jié)果進行流表下發(fā).

執(zhí)行成功后，對h1到h4主機之間進行ping測試，然后對各交換機進行流表查看，結(jié)果如圖6所示.

圖6 各交換機的流表項查看結(jié)果

4.3 鏈路連通測試

通過OVS指令，對mininet仿真出的虛擬交換機進行流表查看，圖6中可以看到，數(shù)據(jù)從s1的1端口進入，2端口流出，從s2的1端口進入，2端口流出，從s4的1端口進入，3端口流出，此時的路徑為h1→s1→s2→s4→h2，而端口從交換機的流入流出情況為s1(1,2)→s2(1,2)→s4(1,3),驗證輸出結(jié)果如圖7所示.

圖7 路由學(xué)習(xí)后的鏈路驗證結(jié)果

從圖7可知，學(xué)習(xí)所有交換機MAC地址與端口后，需對源主機與目的主機進行ping測試，測試結(jié)果表明，Ryu控制器完成了所有交換機和端口信息以及鏈路信息的發(fā)現(xiàn).根據(jù)Dijkstra算法計算出所經(jīng)過的數(shù)據(jù)傳輸路徑，結(jié)合對鏈路屬性的獲取，在算法中增賦予鏈路權(quán)重，從而對不滿足需求鏈路進行剪枝，實現(xiàn)了動態(tài)路由的路徑計算，而ping測試也驗證了從源到目的主機之間的鏈路連通.

5 結(jié) 論

文中通過Ryu控制器、mininet網(wǎng)絡(luò)仿真工具對SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由進行研究，通過SDN控制器收集到整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲和資源，形成拓撲視圖和資源視圖，實現(xiàn)了對OpenFlow交換機的管控功能.基于Ryu控制器分析和設(shè)計了靜態(tài)路由算法，通過控制器對各個交換設(shè)備進行統(tǒng)一靜態(tài)路由進行配置，分析了存在的缺陷；在SDN架構(gòu)中引入基于跳數(shù)的動態(tài)路由方法，根據(jù)SDN全局獲取到的拓撲信息，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及交換設(shè)備的端口映射信息保存匯總，根據(jù)Dijkstra算法算出基于跳數(shù)的最短路徑；增加鏈路感知功能，獲取到網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬、延遲、丟包率等屬性，將其加入動態(tài)路由算法，并通過mininet對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行仿真.仿真結(jié)果表明，結(jié)合Ryu控制器內(nèi)部應(yīng)用來對Ryu控制器應(yīng)用的開發(fā)可以實現(xiàn)動態(tài)路由選擇功能，并完成了自動的流表規(guī)則下發(fā).SDN架構(gòu)中應(yīng)用層面對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等功能的設(shè)計方法具有可行性，并且SDN控制器能夠根據(jù)優(yōu)化的路由算法實現(xiàn)對虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行集中的管理和自動化配置.

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