基于SDN的路徑優(yōu)化與仿真

金海峰 孔珊珊

摘要：針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨的組網(wǎng)靈活性差、資源規(guī)模擴展有限，以及星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)極易引發(fā)的單點故障問題，提出了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。介紹了SDN技術(shù)，詳細(xì)闡述了SDN數(shù)據(jù)選路優(yōu)化策略，借助Mininet仿真軟件和ODL控制器。仿真研究了SDN建模和網(wǎng)絡(luò)流表集中控制，以及數(shù)據(jù)選路優(yōu)化等，對SDN的實現(xiàn)提供了有效方法。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；路徑優(yōu)化；負(fù)載均衡；OpenFlow

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）20-71-3

0引言

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是分布式控制的架構(gòu)，每臺設(shè)備都包含獨立的控制平面和數(shù)據(jù)平面。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是在物理上將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離，控制平面控制多個設(shè)備，通過控制器中的軟件平臺去控制底層硬件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源靈活的按需調(diào)配[1]。在SDN中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只負(fù)責(zé)單純的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有直接可編程、資源分配更合理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)更敏捷，以及統(tǒng)一控制、集中部署等優(yōu)點[2]。

1 SDN

SDN的目標(biāo)在于使得網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)者、運維人員無需過多了解底層網(wǎng)絡(luò)的情況，只需通過集中化控制平臺對網(wǎng)絡(luò)進行快速部署與實時調(diào)整，以迅速適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)需求。SDN架構(gòu)由SDN應(yīng)用層、SDN控制器、SDN交換機，以及SDN北向接口、SDN南向接口組成。SDN控制器是整個SDN網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)管理員通過SDN控制器來控制網(wǎng)絡(luò)的運行，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、流量控制等。SDN控制器已經(jīng)比較成熟，種類繁多，主流的SDN控制器包括開源控制器和商業(yè)控制器，常見開源SDN控制器有RYU、Floodlight、OpenDaylight等。其中OpenDaylight最具影響力、活躍度最高，不少商業(yè)控制器由ODL改造生成[3]。

2雙核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型及路徑優(yōu)化策略

2.1網(wǎng)絡(luò)建模

園區(qū)網(wǎng)接入設(shè)備選用RG-S2928G-E V3系列交換機，支持千兆網(wǎng)絡(luò)和OpenFlow，可以和SDN Controller相互配合，搭建大規(guī)模二層架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。園區(qū)網(wǎng)核心層設(shè)備選用RG-S5750C系列交換機，支持千兆網(wǎng)絡(luò)、VSU、OpenFlow、鏈路聚合等技術(shù)，和SDN Controller相互配合搭建大規(guī)模二/三層架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，2臺核心交換機分別與接入交換機互聯(lián)。園區(qū)網(wǎng)出口網(wǎng)關(guān)選用RG-EG2000，支持靜動態(tài)路由、二三層鏈路聚合，以及NAT、上網(wǎng)行為管理等技術(shù)。園區(qū)網(wǎng)SDN Controller選用RG-ONC系列智能開放網(wǎng)絡(luò)控制器，RG-ONC通知其采用Java OSGi模塊化技術(shù)架構(gòu)，可支持整網(wǎng)數(shù)千個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點的集中管理調(diào)度，上千條流表和上萬個子網(wǎng)可以適應(yīng)各種規(guī)模的SDN網(wǎng)絡(luò)控制需求。

SDN網(wǎng)絡(luò)包括業(yè)務(wù)子網(wǎng)和管理子網(wǎng)兩部分，業(yè)務(wù)子網(wǎng)包括終端設(shè)備、接入交換機、核心交換機及出口網(wǎng)關(guān)等，主要實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信、Internet互聯(lián)等。管理子網(wǎng)包括SDN控制器和SDN交換機，主要功能包括SDN控制器下發(fā)流表給SDN交換機，以及SDN交換機向SDN控制器請求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

2.2路徑優(yōu)化策略

圖2描述了主機H1訪問H5時的數(shù)據(jù)走向，報文首先由sw1發(fā)送至sw3，再由sw3轉(zhuǎn)發(fā)給H5，H5響應(yīng)報文則由sw5轉(zhuǎn)發(fā)給了sw4，最終報文由sw4轉(zhuǎn)發(fā)給sw1。相應(yīng)地，交換機sw2上的主機報文參照此策略設(shè)計，整個傳送過程充分利用了鏈路，實現(xiàn)了鏈路的負(fù)載均衡。

3在Mininet平臺中仿真測試

3.1 Mininet平臺

Mininet是一款網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，是斯坦福大學(xué)Nick McKeown的研發(fā)小組基于Linux Container架構(gòu)研發(fā)而成，Mininet支持OpenFlow，Openv Switch，RYU，F(xiàn)loodlight，OpenDaylight等多種控制器，與Linux完全兼容，因此在Mininet上開發(fā)和測試的代碼可快捷遷移到真實的硬件平臺上[4]。

3.2定制仿真拓?fù)?/p>

①建立腳本文件mytopo.py

②編輯腳本文件[5]，參照下列方法，定義類、主機、交換機，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。

3.3查看端口互聯(lián)信息

查看方法：mininet> links。

執(zhí)行命令links后，可以得知網(wǎng)絡(luò)端口互聯(lián)信息。比如，“h1-eth0<->sw1-eth3 （OK OK）”代表含義是：主機h1的端口eth0與交換機sw1的端口eth3互聯(lián)，并且鏈路正常。

3.4設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則

交換機sw1，sw3，sw5上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如表1、表2和表3所示。

3.5測試驗證

（1）通過Wireshark軟件獲取交換機sw1的eth3上的數(shù)據(jù)包。

（2）通過Wireshark軟件獲取交換機sw3的eth1上的數(shù)據(jù)包。

（3）通過Wireshark軟件獲取交換機sw4的eth3上的數(shù)據(jù)包。

分析圖3、圖4和圖5，可以得出主機H1 ping H5的數(shù)據(jù)包，從交換機sw1出發(fā)后，自交換機sw3轉(zhuǎn)發(fā)給交換機sw5；從交換機sw5返回的數(shù)據(jù)包，自交換機sw4轉(zhuǎn)發(fā)給交換機sw1，發(fā)送數(shù)據(jù)的選路與接收數(shù)據(jù)的選路不同路，實現(xiàn)了鏈路的負(fù)載均衡。

4結(jié)束語

在Mininet搭建的仿真網(wǎng)絡(luò)中，通過Python進行仿真網(wǎng)絡(luò)建模，ODL控制器集中下發(fā)交換機流表，優(yōu)化數(shù)據(jù)包的鏈路選擇，一方面實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)通信平面的分離，同時也實現(xiàn)了鏈路上數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡，為后續(xù)SDN網(wǎng)絡(luò)的研究提供了良好的技術(shù)參考。

參考文獻

[1]程麗明.SDN環(huán)境部署與OpenDaylight開發(fā)入門[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2]劉果，陳凡，李劍鋒，等.構(gòu)建SDN仿真實驗平臺的探討與實踐[J].軟件，2015，36（6）：103-108.

[3]滕步煒.Mininet模擬環(huán)境中實現(xiàn)OpenFlow交換機流表控制[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，32（1）：22-24.

[4]李寧，郝志安，李艷，等.OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)與仿真研究[J].計算機與網(wǎng)絡(luò)，2014，40（17）：60-62.

[5]黃家瑋，劉敬玲，徐文茜，等.軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)方案設(shè)計[J].計算機教育，2017（3）：152-154.

[6]張俊.基于Mininet和Open Day Light的SDN構(gòu)建[J].無線互聯(lián)科技，2015（18）：5-7.