軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)路由技術(shù)

摘 要：嵌入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）解耦分離架構(gòu)體系的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（data center network，DCN）雖然可為分布式網(wǎng)絡(luò)控制提供諸多便利，但在應(yīng)對隨機(jī)突發(fā)數(shù)據(jù)流時(shí)依然面臨數(shù)據(jù)流擁塞、時(shí)延等一些列服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）問題。針對該問題提出一種全局自適應(yīng)路由（adaptive routing technology，ART）算法，助力全網(wǎng)鏈路以較低的代價(jià)成本平滑地轉(zhuǎn)發(fā)隨機(jī)突發(fā)模式下的大規(guī)模數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。算法通過設(shè)計(jì)調(diào)用函數(shù)提取信源信宿對的所有鏈路，并引入科學(xué)的評估機(jī)制對可用路由開展排序，最終篩選出代價(jià)最低的全局最佳路由?？疾旖Y(jié)果證明，相對于主流研究方案，ART技術(shù)對于提升QoS具有良好的表現(xiàn)。尤其在應(yīng)對大規(guī)模數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)這樣的優(yōu)勢愈加顯著。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)流；自適應(yīng)；評估；代價(jià)

0 引言

SDN 技術(shù)因解耦轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層的優(yōu)勢使其備受歡迎，被廣泛部署在 DCN 中開展數(shù)據(jù)流的調(diào)度。然而由于用戶側(cè)業(yè)務(wù)需求的多樣性，軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（software defined - data center network，SD-DCN）中的數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)出隨機(jī)突發(fā)特性。為使數(shù)據(jù)流能夠在全網(wǎng)得以順利路由而不影響 QoS，業(yè)界展開了一系列研究。文獻(xiàn) [1] 主張?jiān)谛旁唇粨Q機(jī)和信宿交換機(jī)中間尋找跳數(shù)最低的路由視為數(shù)據(jù)流承載鏈路。此方案雖然降低了數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的時(shí)延代價(jià)，但卻忽略了當(dāng)信源交換機(jī)和信宿 交換機(jī)之間有多個(gè)路徑的情形。此時(shí)其他路徑處于顯示狀態(tài)，這顯然有悖于全網(wǎng)數(shù)據(jù)流均衡調(diào)度的目標(biāo)。文獻(xiàn) [2] 主張為數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)一個(gè)模式評估算法來尋找可參與分流該數(shù)據(jù)流的待用路由以防止出現(xiàn)鏈路擁塞。但是該算法并未考慮到鏈路狀態(tài)多變的情形，而導(dǎo)致某些待選鏈路的帶寬可能不足以承載該數(shù)據(jù)流。文獻(xiàn) [3] 對前面兩個(gè)研究方案做了改進(jìn)，提出了在剩余通道中選擇路由來承載該數(shù)據(jù)流。然而該方案僅僅只在拓?fù)涔芾黼A段考慮在線監(jiān)測鏈路狀態(tài)。事實(shí)上在實(shí)際承載數(shù)據(jù)流局向時(shí)，鏈路狀態(tài)未必和此前保持一致。這導(dǎo)致所計(jì)算出來的路由不一定具備全局性 ^[4]?；诖耍疚臉?gòu)思一種綜合考慮全網(wǎng)鏈路狀態(tài)而實(shí)時(shí)作出決策的 ART 算法。

1 算法原理

基于 SD-DCN 架構(gòu)的 ART 算法部署在管控分離 ^[5]的控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層。邏輯上控制層位于轉(zhuǎn)發(fā)層的上層。該控制層包括全網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測單元、流表單元、鏈路感知單元。其中，鏈路感知單元又由鏈路測試子單元和鏈路選擇子單元。轉(zhuǎn)發(fā)層包括流轉(zhuǎn)發(fā)代理單元和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備單元。在實(shí)施數(shù)據(jù)流調(diào)度控制時(shí)，首先由控制層中的監(jiān)測單元獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)來確定出全網(wǎng)的拓?fù)?。再由鏈路感知單元運(yùn)行 ART 算法來計(jì)算出全局最佳路由?？刂茖訛殒溌犯兄獑卧峁┧惴ㄟ\(yùn)行期間所需要的數(shù)據(jù)流實(shí)施參數(shù)。流表單元根據(jù)所獲得的最佳路由信息通知與此路由通道相關(guān)的交換節(jié)點(diǎn)執(zhí)行流表項(xiàng) ^[6] 的更新操作。

4 算法測試

為考察 ART 算法優(yōu)勢，將算法方案運(yùn)行在 Mininet 平臺上與文獻(xiàn) [1]、文獻(xiàn) [2]、文獻(xiàn) [3]的研究方案進(jìn)行對比。在平臺上創(chuàng)建五個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)分別為 SW1、 SW2、SW3、SW4、SW5。其中，SW1 和 SW2 之間的時(shí)延和帶寬分別為 4 ms、200 M；SW2 和 SW3 之間的時(shí)延和帶寬分別為 6 ms、300 M；SW3 和 SW4 之間的時(shí)延和帶寬分別為 8 ms、200 M；SW4 和 SW1 之間的時(shí)延和帶寬分別為?12ms、100 M；SW1 和 SW5 之間的時(shí)延和帶寬分別為 2 ms、200 M；SW5 和 SW3 之間的時(shí)延和帶寬分別為 2 ms、200 M。常數(shù)系數(shù) ^[12] 取值 0.6。通過考察每種算法下的系統(tǒng)吞吐量和數(shù)據(jù)流分組路由的平均時(shí)延成本來總結(jié)算法的表現(xiàn)。

圖 2 所示曲線展示了四種算法在應(yīng)對不同數(shù)據(jù)速率時(shí)表現(xiàn)出來的吞吐量差異情況。從曲線走勢不難看出在數(shù)據(jù)速率低于 60Mb/s 時(shí)四種算法下的吞吐量基本無差異，算法性能趨于一致。隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)增加，算法的差異性逐漸呈現(xiàn)。文獻(xiàn) [1] 和文獻(xiàn) [2] 算法表現(xiàn)依然接近，且算法性能最弱。造成此現(xiàn)象是緣于這兩種算法方案忽略了數(shù)據(jù)流隨機(jī)突發(fā)特征可能引發(fā)全網(wǎng)帶寬狀態(tài)多 變。這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)發(fā)到那些閑置帶寬資源有限的鏈路上進(jìn)行路由，引起鏈路擁塞甚至可能中斷傳輸。文獻(xiàn) [1] 和文獻(xiàn) [2] 算法方案中欠缺考慮的因素在文獻(xiàn) [3] 和 ART 算法中得到彌補(bǔ)。因此系統(tǒng)吞吐量顯著高于文獻(xiàn) [1] 和文獻(xiàn) [2] 算法方案下的吞吐量。但相比之下，本文構(gòu)思的 ART 算法在吞吐量方面表現(xiàn)稍顯優(yōu)勢。這是由于 ART 算法額外考慮到了鏈路時(shí)延狀態(tài)對轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流的影響。這樣的設(shè)計(jì)可以顯著壓縮數(shù)據(jù)流在轉(zhuǎn)發(fā)期間的排隊(duì)等待時(shí)長。這樣的優(yōu)勢是文獻(xiàn) [3] 所不具備的。

圖 3 所示曲線展示了不同算法下的數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)延成本。從曲線走勢可見文獻(xiàn) [1] 時(shí)延成本最高。這是由于算法僅將路由跳數(shù)作為唯一目標(biāo)，一味地尋找跳數(shù)頻次最低的路由來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流。當(dāng)全網(wǎng)發(fā)起隨機(jī)突發(fā)規(guī)模的數(shù)據(jù)流局向時(shí)極有可能導(dǎo)致跳數(shù)頻次最低的路由同樣存在擁塞的情況。顯然這將導(dǎo)致時(shí)延成本增加。文獻(xiàn) [2] 通過遍歷每個(gè)路由的帶寬狀態(tài)來執(zhí)行數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。由于考慮因素相對較多，故在路由可行性方面比前者占優(yōu)勢。文獻(xiàn) [3] 將剩余鏈路的可用閑置帶寬納入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)方案的考慮范圍，有效規(guī)避數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)期間遭遇擁塞的情形。因此相比之下，表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延成本更低。但即便如此，該算法依然可能存在所選路由方案存在較大的時(shí)延。因?yàn)樵撍惴▋H僅從閑置帶寬角度來規(guī)劃所選路徑。而 ART 算法方案考慮相對周全。同時(shí)兼顧了執(zhí)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的路由可用帶寬資源以及路由時(shí)延代價(jià)對數(shù)據(jù)流傳輸?shù)挠绊懥?。決策出的最佳路由具備良 好的全局性。因此 ART 算法在本組測試中表現(xiàn)最佳。

5 結(jié)語

針對軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出的自適應(yīng)路由技術(shù)旨在解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)起隨機(jī)突發(fā)數(shù)據(jù)流的情形下全網(wǎng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流存在擁塞、高時(shí)延等一系列異常 QoS 問題。算法在總結(jié)傳統(tǒng)研究方案的基礎(chǔ)上充分考慮了鏈路帶寬和時(shí)延狀態(tài)對數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的影響力，通過引入科學(xué)的評估機(jī)制決策出全局最佳路由。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的算法方案具有良好的自適應(yīng)能力，能夠提供良好的 QoS 保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] EGILMEZ H E, TEKALP A M. Distributed QoS architectures for multimedia streaming over software defined networks[J]. IEEE Transactions on Multimedia,2014,16(6):1597-1609.

[2] HELLER B, SHERWOOD R, MCKEOWN N. The controller placement problem[J]. Computer Communication Review,2014,44(7):473-478.

[3] THYAUATURU A S, MERCI A. Implementation and analysis of control and forwarding plane for SDN [J].IEEE Communications Surveys Tutorials,2015,17(4):2238-2286.

[4] 劉振鵬,張慶文,李澤園.軟件定義網(wǎng)絡(luò)中基于貝葉斯ARTMAP 的DDoS攻擊檢測模型[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,41 (06):728-733.

[5] 孫瑞娜,廖彬.面向SDN網(wǎng)絡(luò)的QoS優(yōu)化解決方案綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2021,38(11):1-10+55.

[6] 蘇建忠,張華宇,朱海龍.結(jié)合SDN控制器的TSN周期性帶寬預(yù)留值計(jì)算方法[J].通信學(xué)報(bào),2021,42(10):23-31.

[7] 趙芳,賀怡.基于人工電場優(yōu)化的軟件定義物聯(lián)網(wǎng)路由算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2021,42(10):2725-2732.

[8] 史久根,楊旭,劉雅麗.軟件定義網(wǎng)絡(luò)中快速一致的流更新策略[J].電子與信息學(xué)報(bào),2021,43(9):2617-2623.

[9] 呂勇,翟亞紅,李鵬,等.基于SDN的新型車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2021,35(3):27-33.

[10] 李兵奎,莊雷,胡穎.SDN中基于交換機(jī)等級劃分的安全路由策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2017,34(2):22-25.

[11] 任丹萍,武姍姍,張麗靜.EPON中基于軟件定義光網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化節(jié)能機(jī)制[J].光通信技術(shù),2015,39(8):29-32.

[12] 陳泳潔,王勇,葉苗.一種多控制器SDN網(wǎng)絡(luò)中控制器故障處理策略[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2021,41(6):484-488.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)