適應(yīng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)混合SDN控制機(jī)制研究

謝津 李勇 鄭墨泓 張大明

（中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所 廣東省廣州市 510310）

1 引言

SDN 是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，它將控制面從傳統(tǒng)的路由交換設(shè)備中剝離出來，可通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)采用軟件編程控制網(wǎng)絡(luò)，使轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離。SDN 網(wǎng)絡(luò)為集中式的網(wǎng)絡(luò)控制，包括SDN 控制器和SDN 交換機(jī)，其組網(wǎng)通過控制器控制內(nèi)部交換節(jié)點(diǎn)之間的流表轉(zhuǎn)發(fā)完成。SDN 打破了傳統(tǒng)電信設(shè)備軟硬件一體化的封閉模式，簡化和加速網(wǎng)絡(luò)的部署、管理、升級、自動(dòng)化，具有控制靈活、有效降低設(shè)備負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。

為了適應(yīng)帶寬不足、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、抗毀要求較高的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，SDN 技術(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。設(shè)計(jì)改進(jìn)SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落機(jī)制，提出基于流表激活的回落機(jī)制、和基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制，既保障軟件定義控制平面因鏈路臨時(shí)短暫通斷流表的健壯，又保障轉(zhuǎn)發(fā)面的流表能夠在控制器節(jié)點(diǎn)失聯(lián)或鏈路斷開條件下的快速回落，支持軟件定義控制平面失效后的網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)降級。

2 背景技術(shù)

2.1 SDN技術(shù)介紹

目前國外新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以SDN技術(shù)為研究主流方向。SDN 的概念核心是控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，控制面集中化，所有控制功能可以通過集中的控制面進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)而無需升級轉(zhuǎn)發(fā)面。SDN 架構(gòu)包括轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面和應(yīng)用平面。

SDN 的特征有多種描述角度，應(yīng)用于不同的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)也可能呈現(xiàn)不同的特征，但最基本的共性特征有以下四個(gè)：

（1）水平集成、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離及軟硬件解耦。解耦后的軟件和硬件可以分別獨(dú)立發(fā)展，軟件可以實(shí)現(xiàn)靈活的控制面功能，滿足用戶多元化需求，還可以快速部署網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)功能和參數(shù)，如路由、安全、策略、流量工程、QoS 等，快速調(diào)度帶寬等資源，提升鏈路利用率。硬件成為簡單啞資源，專注轉(zhuǎn)發(fā)，可采用通用廉價(jià)的IT 設(shè)備，減少設(shè)備種類和專用平臺，大幅降低硬件成本，簡化運(yùn)維管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)虛擬化。SDN 通過將轉(zhuǎn)發(fā)過程抽象為流表，控制器直接控制流表，屏蔽了底層硬件，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化，物理硬件被淡化為資源池，不僅可以按需靈活和快速分配以及相互隔離，而且可望顯著減少硬件數(shù)量及其連帶的建設(shè)和運(yùn)營成本。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)虛擬化代表了未來網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式的根本性變化。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可以獨(dú)立于SDN 部署，但若能與開放和靈活的SDN 架構(gòu)相結(jié)合，則將相得益彰，好上加好。

（3）邏輯上集中控制。SDN 使得使用者具有全網(wǎng)視野，掌握跨網(wǎng)、跨層、跨域、跨技術(shù)和跨廠商的全局信息（包括拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等），有望最佳地利用全網(wǎng)的資源，提升網(wǎng)絡(luò)性能（網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和時(shí)延特性等），確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由和性能的可預(yù)測，并希望能提供一些全新的網(wǎng)絡(luò)功能。

（4）開放性和軟件編程接口。SDN 打破了傳統(tǒng)電信設(shè)備軟硬件一體化的封閉模式，有望建立和利用更廣泛、開放和強(qiáng)壯的產(chǎn)業(yè)鏈。采用軟件編程接口后，可以通過編程直接而快速地決定網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)功能，不必對一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)煙囪群和大量硬件盒子進(jìn)行耗時(shí)費(fèi)力的手動(dòng)配置，這將極大地簡化和加速網(wǎng)絡(luò)的部署、管理、升級、自動(dòng)化，有利于網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的持續(xù)演進(jìn)和不斷創(chuàng)新。簡言之，SDN/NFV 完美地結(jié)合了快速、高效、基于分組的本地決策機(jī)制和整體的、基于流的集中控制決策機(jī)制。

2.2 基于OpenFlow的SDN技術(shù)介紹

Openflow 交換機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的SDN 交換機(jī)，路由流表、安全通道和OpenFlow 協(xié)議三部分組成。安全通道是連接OpenFlow 交換機(jī)到控制器的接口?？刂破魍ㄟ^這個(gè)接口控制和管理交換機(jī)，同時(shí)接收來自交換機(jī)的事件以及向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。OpenFlow 交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在本地的流表上查找轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)端口。如果沒有匹配，則把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給OpenFlow 控制器，由控制器決定轉(zhuǎn)發(fā)端口或丟棄。交換機(jī)和控制器間的所有通信信息必須按照OpenFlow 協(xié)議規(guī)定的格式來執(zhí)行。如圖1 所示。

圖1 ：基于OpenFlow 的SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 傳統(tǒng)技術(shù)缺陷

在傳統(tǒng)SDN 網(wǎng)絡(luò)中，由于基礎(chǔ)設(shè)施充足，鏈路帶寬充足，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較弱，其SDN 失效和鏈路故障判斷方法具有以下缺點(diǎn)：

（1）需要第二臺或多臺SDN 控制器，或需要多臺SDN交換機(jī)，且故障診斷方法復(fù)雜，設(shè)計(jì)心跳檢測技術(shù)、鏡像處理、或額外分配內(nèi)存區(qū)域、添加額外的拓展接口，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高；

（2）需要進(jìn)行多次額外的通信，并且沒有考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，例如要求發(fā)送業(yè)務(wù)流量的特征參數(shù)、探測發(fā)包個(gè)數(shù)等，維護(hù)開銷極大；

（3）沒有考慮大部分SDN 交換機(jī)沒有直連SDN 控制器的情況，部分采用SDN 交換機(jī)對SDN 控制器進(jìn)行故障診斷的方法將失效；

（4）部分研究僅針對SDN 集群中的控制器或交換機(jī)。

其故障恢復(fù)具有以下缺點(diǎn)：

（1）側(cè)重考慮重新選舉SDN 控制器，或新的SDN 控制器如何快速獲知網(wǎng)絡(luò)信息，要求具有備份的SDN 控制器或第二SDN 控制器，并且大部分需要預(yù)先上傳網(wǎng)絡(luò)信息，以便于新的SDN 控制器快速獲得相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息，對軟件和硬件要求較高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；

（2）當(dāng)部分研究考慮流表老化機(jī)制時(shí)，僅適用于帶寬充足的環(huán)境，維護(hù)開銷較大，例如需要增加與報(bào)文計(jì)數(shù)相關(guān)的開銷，并且沒有同時(shí)考慮轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，只能防止數(shù)據(jù)不按已失效的原路徑轉(zhuǎn)發(fā)，但并未形成新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)仍然無法正常進(jìn)行；

（3）未考慮混合控制機(jī)制，尚未與基于混合控制機(jī)制的系統(tǒng)相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落方法，抗毀性較弱。

顯然，傳統(tǒng)方法沒有考慮混合控制機(jī)制，并且沒有考慮帶寬不足、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng)、低功耗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并且其故障恢復(fù)方法較為復(fù)雜，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，維護(hù)開銷極大，不適用于復(fù)雜地形下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、抗毀要求較高的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

3 適應(yīng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)混合SDN控制機(jī)制研究

3.1 實(shí)現(xiàn)方案

目前國內(nèi)SDN 控制器故障診斷，根據(jù)執(zhí)行故障診斷的對象，可分為兩種方法，采用其它SDN 控制器對當(dāng)前控制器進(jìn)行故障判斷，或采用SDN 交換機(jī)對其進(jìn)行故障判斷。大部分傳統(tǒng)方法著重于重新選舉SDN控制器或切換控制器，其機(jī)制較為復(fù)雜，并且要求系統(tǒng)配備了備份的SDN 控制器或第二SDN 控制器。另一部分研究側(cè)重考慮新選舉的控制器如何快速獲知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息適合于上述考慮重新選舉控制器的方法共同使用。幾乎沒有研究采用流表老化處理和轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落的方式進(jìn)行故障恢復(fù)。

面向復(fù)雜地形的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落機(jī)制，其特征在于，針對采用混合控制機(jī)制的系統(tǒng)，提出基于流表激活的回落機(jī)制、和基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制；其中，基于流表激活的回落機(jī)制用于首節(jié)點(diǎn)檢測SDN 控制器是否失效，并在SDN 控制器失效時(shí)，各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)本地流表刪除過程，轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，重新采用路由轉(zhuǎn)發(fā)；基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制用于判斷鏈路是否斷開，當(dāng)鏈路斷開時(shí)，在無需SDN 控制器進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤嵯?，使各?jié)點(diǎn)進(jìn)行流表老化，并通知SDN 控制器，使其重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，假如SDN 控制器已重新規(guī)劃路徑，下發(fā)新流表，則采用流表轉(zhuǎn)發(fā)，否則，轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)包含SDN 控制器和SDN 交換機(jī)，每個(gè)SDN 交換機(jī)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，僅首節(jié)點(diǎn)與SDN 交換機(jī)直接連接，節(jié)點(diǎn)間形成鏈路。實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 ：方案架構(gòu)圖

本研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于：

（1）首次提出面向復(fù)雜地形下高抗毀機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落機(jī)制，考慮了混合控制機(jī)制，抗毀能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，考慮了帶寬不足、輕量化和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)的應(yīng)用環(huán)境。

一方面，該SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落機(jī)制考慮混合控制機(jī)制，即流表轉(zhuǎn)發(fā)和路由轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)SDN 控制器失效或鏈路斷開后SDN 控制器未能及時(shí)規(guī)劃新路徑，即無法采用流表轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)，使系統(tǒng)抗毀能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。另一方面，僅基于SDN 控制器觸發(fā)的流表激活消息和鄰居間的握手機(jī)制判斷SDN 控制器是否失效，鏈路是否斷開，故障診斷方法簡單，無需額外分配內(nèi)存區(qū)域，無需額外的拓展接口，適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)并且?guī)挷蛔愕臈l件，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化。

（2）本研究所述的基于流表激活的回落機(jī)制采用流表激活消息判斷SDN 控制器是否故障，節(jié)省開銷。

基于流表激活的回落機(jī)制通過首節(jié)點(diǎn)在n個(gè)周期內(nèi)是否收到SDN 控制器觸發(fā)的流表激活消息，判斷SDN 控制器是否失效；并且當(dāng)包括首節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)在n個(gè)周期內(nèi)無法接收到流表激活消息時(shí)，自動(dòng)刪除流表。上述機(jī)制無需專門的消息通知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流表刪除，協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單，節(jié)省開銷。

（3）基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制考慮雙重觸發(fā)機(jī)制，即包括基于路由的鄰居信息快速觸發(fā)流表回落和基于激活信息的流表回落。

基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制用于檢測鏈路是否斷開，并在鏈路斷開的情況下進(jìn)行流表老化處理。其中，基于路由的鄰居信息快速觸發(fā)流表回落采用鄰居間握手，當(dāng)n個(gè)周期內(nèi)沒有收到觸發(fā)消息，則該鏈路斷開；基于激活信息的流表回落采用SDN 控制器觸發(fā)流表激活消息，并由首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沿途節(jié)點(diǎn)流表激活，當(dāng)n個(gè)周期某SDN 交換機(jī)未收到觸發(fā)消息，則該鏈路斷開。上述機(jī)制能在max{nT+m,nT+m}時(shí)間內(nèi)，判斷某鏈路是否斷開，迅速通知SDN 控制器重新計(jì)算路徑，其中m與斷開鏈路的上一跳在拓?fù)渲械奈恢煤蜁r(shí)延有關(guān)，m與斷開鏈路的下一跳在拓?fù)渲械奈恢煤蜁r(shí)延有關(guān)。

3.2 工作流程

基于流表激活的回落機(jī)制采用首節(jié)點(diǎn)接收SDN 控制器的流表激活信息，并進(jìn)行沿途節(jié)點(diǎn)流表激活；當(dāng)SDN 控制器失效時(shí)，首節(jié)點(diǎn)無法收到流表激活信息，則無法進(jìn)行沿途節(jié)點(diǎn)流表激活，則各節(jié)點(diǎn)流表老化時(shí)間到期，刪除本地流表；節(jié)點(diǎn)間無需進(jìn)行任何二次信息傳輸?shù)那疤嵯?，各?jié)點(diǎn)啟動(dòng)本地流表刪除過程，轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)。

工作流程如圖3 所示。

圖3 ：適應(yīng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)混合SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落機(jī)制工作流程圖

基于流表激活的回落機(jī)制包括以下工作步驟：

（1）控制器以T(T∈N)為周期觸發(fā)一個(gè)流表激活信息給流表首節(jié)點(diǎn)；

（2）假如流表首節(jié)點(diǎn)在n個(gè)T周期內(nèi)未收到流表激活消息，進(jìn)入步驟3，否則，SDN 控制器未失效，進(jìn)入步驟6；

（3）SDN 控制器失效，各節(jié)點(diǎn)的流表老化時(shí)間到期；

（4）各節(jié)點(diǎn)的流表激活代理刪除轉(zhuǎn)發(fā)面的流表；

（5）轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)；

（6）SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落結(jié)束。

基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制包括基于路由的鄰居信息快速觸發(fā)流表回落和基于激活信息的流表回落，考慮雙重觸發(fā)機(jī)制；該回落觸發(fā)機(jī)制在鏈路斷開時(shí)通知SDN 控制器，并在無需SDN 控制器進(jìn)行二次信息傳輸?shù)那疤嵯?，使各?jié)點(diǎn)進(jìn)行流表管理。

基于路由的鄰居信息快速觸發(fā)流表回落為：采用節(jié)點(diǎn)間路由鄰居握手，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)檢測到與鄰居之間的鏈路斷開后，觸發(fā)本地流表管理機(jī)制；一方面進(jìn)行前向觸發(fā)回落，鏈路斷開處的上一跳依次通知前向節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流表老化處理，刪除舊流表，并由首節(jié)點(diǎn)通知控制器該條流表已回落；另一方面進(jìn)行后向觸發(fā)回落，鏈路斷開處的下一跳通知后續(xù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流表老化，刪除其本地流表；假如SDN 控制器已重新規(guī)劃路徑，下發(fā)新流表，則采用流表轉(zhuǎn)發(fā)，否則，轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)。

基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制工作步驟如下：

（1）SDN 交換機(jī)以T(T∈N)為周期發(fā)送觸發(fā)消息給鄰居，并且控制器以T(T∈N)為周期觸發(fā)一個(gè)流表激活信息給流表首節(jié)點(diǎn)，首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沿途節(jié)點(diǎn)流表激活；

（2）假如某SDN 交換機(jī)在n個(gè)T周期內(nèi)未收到觸發(fā)消息，或當(dāng)激活信息發(fā)送到中間斷開節(jié)點(diǎn)，在向后續(xù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，檢測到與后續(xù)節(jié)點(diǎn)斷開，進(jìn)入步驟3，否則，已分配鏈路未斷開，進(jìn)入步驟7；

（3）進(jìn)行前向觸發(fā)回落，鏈路斷開處的上一跳依次向前通知各鏈路斷開處的前向節(jié)點(diǎn)，各前向節(jié)點(diǎn)的流表激活代理刪除流表，并由首節(jié)點(diǎn)通知SDN 控制器；

（4）鏈路斷開處的后續(xù)節(jié)點(diǎn)通過流表激活代理刪除流表，或鏈路斷開處的各后向在流表老化時(shí)間到時(shí)，刪除流表；

（5）SDN 控制器重新進(jìn)行路徑計(jì)算；

（6）假如SDN 控制器已重新規(guī)劃路徑，下發(fā)新流表，則采用流表轉(zhuǎn)發(fā)，否則，轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)；

（7）SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落結(jié)束。

4 效果分析

本文提供的方法，對比于傳統(tǒng)的SDN 控制器和鏈路故障診斷和流表老化機(jī)制，存在明顯優(yōu)勢，總結(jié)為以下3 個(gè)方面：

4.1 協(xié)議簡單，適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁和帶寬不足的環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁將導(dǎo)致鏈路頻繁斷開和接通，大量用于故障診斷、通知流表老化處理、通知SDN 控制器重新計(jì)算路徑的控制消息將導(dǎo)致維護(hù)開銷極大，甚至帶寬不足的條件下無法實(shí)現(xiàn)。本研究提供的方法無需額外發(fā)送與業(yè)務(wù)無關(guān)的消息以及專門用于通知節(jié)點(diǎn)刪除流表的消息，無需特殊的協(xié)議，開銷較小，支持帶寬不足、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁條件下的SDN 受控轉(zhuǎn)發(fā)回落。

4.2 方法簡單，滿足系統(tǒng)輕量化，適用于復(fù)雜地形下基礎(chǔ)設(shè)施不足的環(huán)境

本研究提供的方法僅通過流表激活消息和鄰居握手進(jìn)行故障診斷和流表老化處理，無需復(fù)雜的計(jì)算，無需額外分配內(nèi)存區(qū)域，無需額外的拓展接口，降低硬件成本，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度較低，滿足系統(tǒng)輕量化要求，適用于復(fù)雜地形下基礎(chǔ)設(shè)施不足的環(huán)境。

4.3 抗毀性強(qiáng)，保障業(yè)務(wù)傳輸能力

一方面，本研究考慮了混合控制機(jī)制，當(dāng)SDN 控制器被毀或無法進(jìn)行流表轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑回落，采用路由轉(zhuǎn)發(fā)；另一方面，本研究提供的方法采用雙重保障進(jìn)行鏈路故障診斷和流表老化處理，并通知SDN 控制器重新進(jìn)行路徑計(jì)算，能在較短的時(shí)間內(nèi)刪除舊流表，并下發(fā)新流表，在鏈路通斷頻繁的條件下迅速形成新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑；因此，本研究所述的方法抗毀性強(qiáng)，保障業(yè)務(wù)傳輸能力。

5 結(jié)束語

本文介紹的混合SDN 控制機(jī)制，該控制回落機(jī)制包括基于流表激活的回落機(jī)制和基于鄰居狀態(tài)的流表回落觸發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)采用混合控制機(jī)制，適用于機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，考慮了帶寬不足、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)等特征，可用于支持網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組，極大地減小了開銷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化。