软件定义网络拓扑管理关键技术研究

张卫东

（北京航天动力研究所， 北京 100076）

网络拓扑管理技术作为软件定义网络核心管理技术之一， 能够根据用户需求， 以多维度的呈现方式， 为用户提供网络拓扑结构[1]。 由于软件定义网络拓扑分布的区域较广泛， 网络拓扑节点规模庞大， 且节点之间业务承载关系杂乱， 具有异构化与复杂化的特点， 对其进行管理具有较大的难度[2]。为了改善这一问题， 本文在传统软件定义网络拓扑管理技术的基础上， 做出了优化升级， 针对软件定义网络拓扑异构化与复杂化的特点， 提出了一种全新的管理关键技术。

1 软件定义网络拓扑管理关键技术

1.1 建立基于网络功能虚拟化（NFV）的软件定义网络管理模型

本文设计的软件定义网络拓扑管理关键技术中， 先对软件定义网络的整体结构做出全方位的分析， 获取其架构特征以及网络拓扑节点之间连接的关系[3]。

基于网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization， NFV） 技术与软件定义网络之间存在的关系， 设计基于NFV 的软件定义网络架构[4]。 其中，包括3 个部分： 转发设备、 控制模式与NFV 平台，以OpenFlow 协议作为网络设备之间通信的标准化接口， 进行网络流的转发[5]。 采用分层构建的方式，构建基于NFV 的软件定义网络管理模型， 见图1。

图1 基于NFV 的软件定义网络管理模型

由图1 可知， 本文构建的管理模型主要包括3个不同的分层结构， 通过基础设施层的计算虚拟化技术与网络虚拟化技术， 对软件定义网络资源进行统一管理， 获取适用于网络服务的资源视图， 并为网络服务层提供匹配度较高的虚拟化资源。 网络服务层主要由软件定义网络防火墙、 网络拓扑节点负载均衡、 网络路由等多项功能组成， 以基础设施层作为资源依托， 通过NFV 功能， 将网络功能软件系统转化为相对较抽象的网络服务与网络服务通道， 利用软件定义网络状态传输能力， 构建网络服务功能组合。 在此基础上， 基于网络租户层的需求， 为其提供需求动态组合， 全面管理软件定义网络资源负载的水平扩展能力。

1.2 构建对等模式的服务功能链

在上述基于NFV 的软件定义网络管理模型建立完毕后， 接下来， 根据管理模型运行的实际情况， 对网络服务链资源分配做出分析， 构建能够实现软件定义网络功能动态组合的对等模式的服务功能链。

基于管理模型的迭代运行情况与特征， 分配网络服务链的资源， 获取软件定义网络的资源需求表达式为

式中： nqfri为软件定义网络的一个服务功能链； yi为软件定义网络中任一服务功能链的优先级； m 为任一服务功能链的资源分配函数。 通过式（1）， 得出软件定义网络任一服务功能链的资源分配函数。在此基础上， 引入对等模式理念， 构建基于对等模式的软件定义网络服务功能链， 其体系结构见图2。

图2 基于对等模式的软件定义网络服务功能链的体系结构

由图2 可知， 在基于对等模式的服务功能链体系中， 网络服务容器之间采用属性与粒度统一的输入接口、 输出接口， 实时接收前续软件定义网络服务容器的节点属性输出事件信息， 对其进行本地网络功能处理， 传输给后续网络服务容器， 形成交互网络服务通道。

1.3 时限流的软件定义网络拓扑资源收益补偿与管理

基于对等模式的网络服务功能链构建结束后，提高了软件定义网络拓扑节点部署的效率， 接下来， 引入时限流要求， 补偿与管理软件定义网络拓扑资源收益。

本文认为， 应当先对时限流转发传输的通道进行优化， 提高软件定义网络的吞吐量， 进而减少时限流转发传输的时延。 在此基础上， 对时限流进行置换处理， 将其置换到交换机的快通道。 为了保证快通道时限流转发传输的效率与质量， 采用补偿与管理的方法， 对时限流的软件定义网络拓扑资源收益进行全方位、 多角度地补偿与管理， 建立基于时限流的网络拓扑资源收益补偿与管理模型， 见图3。

图3 基于时限流的网络拓扑资源收益补偿与管理模型

由图3 可知， 以减少资源调度时限流的收益损失为网络拓扑资源收益补偿与管理的核心目标， 找出软件定义网络拓扑管理中的流量最小的流， 将其设置为资源收益补偿与管理的置换流， 计算软件定义网络拓扑资源收益补偿额， 公式为

式中： ∆R 为软件定义网络拓扑资源收益补偿额；δa表示网络拓扑链路价格； ∆q 为时限流之间的流量差额。 通过计算， 获取时限流的软件定义网络拓扑资源收益补偿额， 优化显式网络资源与隐式网络资源， 全方位抵消软件定义网络调度时限流的收益损失， 快速调度与转发网络拓扑资源， 进而实现软件定义网络拓扑管理的目标。

2 实证分析

综合上述内容， 为本文设计的网络拓扑管理关键技术的整体流程。 在此基础上， 为了进一步客观地验证本文提出的管理技术的可行性与适用性， 进行了以下实证分析。

选取某实验室中两组网络流量数据， 作为本次实验的依托。 将上述本文提出的管理技术应用其中， 基于网络操作系统的作用特征， 限制软件定义网络的对流表容量。 在此基础上， 测定不同网络拓扑迭代次数下， 软件定义网络拓扑管理接入节点的流速率变化， 见图4。

图4 不同网络拓扑迭代次数下的软件定义网络拓扑管理接入节点的流速率变化

由图4 可知， 在网络拓扑迭代次数逐渐增加的情况下， 软件定义网络拓扑管理接入节点的流速率呈现平稳变化， 收敛性能较高， 符合网络拓扑管理的需求。 在此基础上， 为了更加直观地验证本文提出的管理技术的有效性， 采用对比分析的实验方法。 将本文提出的软件定义网络拓扑管理关键技术， 与传统的管理技术进行对比。 分别设定软件定义网络拓扑管理流数为2 000 条、 4 000 条、 6 000条、 8 000 条、 10 000 条、 12 000 条， 对网络拓扑进行管理， 利用MATLAB 分析软件， 测定拓扑管理流数增加时的网络拓扑流表缺失率， 得出流表转发的动态变化， 见第93 页表1。

表1 两种管理技术的网络拓扑流表缺失率的对比结果

由表1 的对比结果可知， 在两种软件定义网络拓扑管理技术中， 本文提出的管理技术应用后， 在拓扑管理流数不断增加的条件下， 软件定义网络拓扑流表缺失率较低， 均在2.02%以下， 与传统的管理技术相比， 网络拓扑管理性能较好， 完整性较高， 优势显著。

3 结束语

通过上述研究， 能够得出以下2 个方面的结论。

1） 由图4 的接入节点流速率变化可知， 通过本文提出的管理技术进行软件定义网络拓扑管理，管理的收敛性能较好， 在迭代次数增加的情况下，接入节点的流速率呈现平稳变化。

2） 由表1 的对比结果可知， 本文提出的管理技术， 在拓扑管理流数不断增加的条件下， 软件定义网络拓扑流表缺失率较低， 网络拓扑资源完整性较高， 优势显著。