一种媒体数据高效直播的NFV-SDN框架设计

徐文义　周永福

(河源职业技术学院　 电信学院，广东河源　517000)



一种媒体数据高效直播的NFV-SDN框架设计

徐文义周永福

(河源职业技术学院 电信学院，广东河源517000)

OpenFlow是软件定义网络(SDN)的核心协议，能实现网络系统控制与转发的分离，加速网络数据的传输。NFV作为SDN 的一种实现思路，是解决媒体数据基于OTT传输的低延迟与可扩展性的可靠手段。本设计首先采用FlowVisor对传输网络进行虚拟网络层的构建，分析了一种满足QoS需求的采用OpenFlow协议与SDN控制器产生Flow-table实现数据快速传输的机制，最后给出一种用于媒体数据快速传输的NFV-SDN框架。实验结果表明提出的NFV-SDN框架能较大程度地缩短流媒体端到端传播的延迟时间，且减少跳点数与服务负载，提升了网络数据传输的流畅性。

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

1　问题的提出

当前，基于互联网的OTT媒体数据传输呈现出快速的增长趋势，然而由于其缺乏全局网络组播技术的支持，这为大数据的应用提出了挑战。早期提出的IP组播技术因其缺乏数据包丢失的控制与管理，被认为缺乏协议的特征而不可行。P2P技术与内容传递网络(CDN)的结合，在OTT数据传输的源点与目的端点间生成更多的单播流，SDN作为一种逻辑集中控制模式，将数据与控制平台进行分离，进一步针对应用与服务实现对控制平台的编程与潜在基础实施的描述，使网络形成一种可编程的、可管理的、自适应的高可用性网络[1-2]。事实上，OTT并非新事物，也没有采用私有协议和独立的网络架构。然而，CDN实现流媒体传播采用IP单播方式，不使用IP多播的原因是缺乏协议的管理与控制功能。P2P机制能延伸和扩展CDN的多播功能，但针对客户端与ISP网络服务商间生成的单播流对ISP提出了一定的挑战。为解决这个问题，又提出了基于SDN的跨层方法实现覆盖层网络的组播技术SDM，在此SDM是一款特别定制的满足基于P2P的流媒体直播[3-4]。相对于很多方法，SDM较基于OTT的局部P2P媒体直播技术有一定改善。

鉴于此，借鉴NFV对网络性能转发的特性[5]，遵循OpenFlow协议探讨了一种辅以NFV用于实现数据传输的动态网络传输路径选择的思路，最终完成一种针对媒体直播的NFV-SDN设计框架。

2　SDN-NFV原理与方法

如前所述，SDN将传统的网络功能划分成控制平台与数据平台，其中作为控制部分的SDN控制器负责推送一套规则指令指导数据流在网络设备间的流转[6-7]。也就是说，数据端的每一个网络设备根据SDN控制器推送的规则负责处理数据流转，最终完成应用程序与控制器进行交互。在图1所示的SDN分层体系结构中，一个程序部署在控制端作为控制器实现规则指令的传送，通过控制数据接口引导数据流在数据平台的网络设备间交互。换而言之，这些规则指令都是由控制端发出的存放在Flow-table中的用于指导数据流转的路径信息，而实现这个过程的正好被认为是事实上的标准且已提供控制数据接口的OpenFlow协议。

图1　SDN分层体系结构

一般地，NFV 与 SDN 能单独被使用，但是为了获得弹性的可编程网络的最好利益，这两者被一起使用。为解决多维空间在灵活度与时间规模的竞争性，NFV与SDN允许网络使用先进的基于云的方法集成在云的生态系统中，如OTT和云服务等方法，便于解决大量的网络拥塞问题。最关键的步骤就是促使网络(包括功能与连接)成为可编程与自动化，这些方法具有两面性。可编程能创建一个新的动态服务便于网络资源以互联网速度与规模可用。而其中的自动化则是一种潜在产品环境需要去完成更大数量的服务请求和高效操作的获取。然而，探讨的是基于SDN的基础上结合NFV进行的一种路径选择机制。实际上，OpenFlow作为一种最普通用于SDN的通信协议，能大大地方便网络的管理，尤其是访问网络的控制平台(SDN控制器)与数据平台(网络设备，如网关和路由器等)。SDN的集中控制能更好地配置新服务及其网络需求，以适应网络拥塞和其他挑战变得更加容易和快速；而其集中管理还可以获得对整个网络的可视性，让网络能够扩展和改变适应新的环境和服务。因此，如果辅以一定的路径选择机制，将在一定程度上缓解数据传输的延迟。NFV的本质在于解决电信运营商多年来高昂的网络成本和封闭的网络功能。如果说SDN的主要目的在于推动网络控制功能与转发功能的分离，实现控制功能的软件化，工作重点在于接口和协议过程的标准化的话，NFV以软件方式虚拟化IT资源，让虚拟化部署能够提供重要的网络功能，而不再需要专业的物理设备。NFV主要是通过基于x86服务器上的软件实现网络功能，来取代私有专用的网元设备。它主要用来虚拟化4～7层网络功能，如防火墙或IDS，甚至还包括负载均衡(应用交付控制器)。其优点体现在两个方面：一是标准设备价格低廉，能够节省巨大的投资成本；二是开放API接口，能够获得更灵活的网络能力。对NFV的关注，与对SDN的关注一样，当软件可以为网络带来实在的成果后，人们将逐渐意识到使用虚拟化功能取代硬件功能必将带来一定的优势。

3　NFV-SDN虚拟网络路径选择

实现SDN-NFV路径选择，必须经过网络功能虚拟化与Flow-table数据的生成两个步骤。

3.1NFV网络功能虚拟化

与计算机的硬件虚拟层一样，这里的FlowVisor位于其物理硬件与控制它自身的软件之间，就类似于操作系统使用其指令集去控制其潜在的硬件一样，FlowVisor用OpenFlow来控制其固有的物理网络，如图2所示。硬件的资源描述是实现可视化管理的基础，OpenFlow将从控制单元的层面进行约定，如带宽、CPU拓扑、流空间等。

图2　网络虚拟化层FlowVisor

3.2采用Folw-table实现路径选择

Flow-table规定了数据包的走向，通常由Header Fields、Counters、Actions三部分组成，如图3(a)所示。然而对应OpenFlow网关结构，与Flow-table类似，数据包经过入端口后，与已经设定的流表的记录进行匹配，仅将匹配不成功的数据包交由控制器处理，否则依据Actions的规定进行响应。图3(b)为OpenFlow网关Type0数据结构。这里的路径选择就是根据Flow-table的内容进行路径计算而做出的抉择，最终形成如图4所示的虚拟路径访问走向。图中粉红色标识为已经过虚拟化的网络设备，在终端访问过程中，依据路径进行访问的数据流向示意图。

图3　Flow-table描述

图4　流层次的虚拟路径访问走向

4　NFV-SDN框架设计

图5　路径选择框架结构

为实现媒体快速直播，设计了如图5所示路径选择框架结构。该传输网络是由具有不同网络接口技术的网关组成，包括主网关与子网关等。网络数据包经过子网关进入主干网的主网关而后进行封装，并在各主网关间进行传递；同时主网关维护了一个主子网关的映射。提出的框架是经过虚拟化过程，由SDN控制器对各网络设备进行控制。网络管理人员通过GUI与SDN控制器进行通讯，此外，控制器也有相应接口去保存与提取网络最新的状态信息从TED，如节点连接、网络拓扑、路由通道等[8]。此外，控制器拥有一个用户网络接口UNI以及一个网络间的接口NNI与外围网络进行通讯，实现路径的请求与响应。此处控制器的行为是基于Flow-table的路径匹配结果所决定。

5　实验与结论

为验证该框架结构设计的可用性与有效性，分别设计了在普通网络结构与NFV-SDN框架关于包丢失率、网络延迟方面的2组模拟场景进行实验。主要考虑到本实验选择OpenFlow SDN的架构实现，而Mininet刚好支持SDN控制器、网关，且能提供多达几百个节点与链接、网络拓扑在单个主机的能力，因此采用Mininet工具模拟运行环境[9]。此外，在SDN控制器方面采用Floodlight Controller[10]，这里的Floodlight是基于Java的控制器实现，易进行扩展。图6所示为一个SDN控制器控制两个具有7个网关子网的模拟环境，其中子网2中的网关5与网关7的链接是本模拟环境的关键链接，链接速度为100 Mbps，包大小为512 K，运行时间间隔为60 s，通常情况下，SDN控制器是觉察不到子网2中网关5到网关7链路的拥塞问题，因此该环境具有较高的拥塞损失。然而，如果能及时获取网络节点状态信息通知SDN控制器，必将提升网络链接的最大利用率，获得一个跳点较少的最佳路径。换而言之，增加网络状态的更新频率，也将进一步改善网络性能。图7为针对普通网络传输与采用NFV-SDN路径框架随着网络状态更新间隔时间改变的效用情况，从图上可知，随着网络状态更新间隔时间增大，包丢失率与网络延迟都将增加。

图6　NFV-SDN框架模拟运行环境

图7　网络状态信息更新间隔时间的效用情况

综上，本文在分析NFV与SDN各自特点与优势的基础上，从OpenFlow协议中Flow-table的角度探讨了一种辅以NFV用于实现媒体直播的NFV-SDN框架设计思路，提升媒体直播的数据包传输效率。实验结果表明，在Flow-table的路径导引下，提升网络状态信息更新间隔时间，SDN控制器能进一步减少包的丢失率与网络延迟，对提升网络的整体性能具有显著的效果。下一步可以探讨NVF-SDN框架基于SLA提升用户QoS的影响。

[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，欧亮. 网络功能虚拟化中的网络转发性能优化技术研究[J]. 电信科学，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

徐文义(1980—)，男，江西修水人，高级工程师，主要从事网络安全研究。

TP31

A

1009-0312(2016)03-0049-05