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(西安郵電大學 通信工程學院,西安 710121)

0 概述

第5代(5G)移動通信系統(tǒng)[1-2]具有很高的頻譜利用率和能效,傳輸速度和資源利用率比4G通信系統(tǒng)高了一個數(shù)量級,因為這些優(yōu)點,5G正成為通信領域的研究熱點[3-4]。超密集異構網(wǎng)絡技術作為5G的核心技術之一,具有網(wǎng)絡規(guī)模大、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量多的特點,對傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理構成新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理依賴大量網(wǎng)絡設備(如交換機、路由器等)以及各種用來驅動設備的復雜協(xié)議,通信網(wǎng)絡故障率高、可擴展性差、網(wǎng)絡管理任務繁重。軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Networking,SDN)[5]作為一種新興技術,是未來最具前途的網(wǎng)絡架構之一[6-8]。SDN將復雜的網(wǎng)絡管理功能集中到控制器上,控制器為OpenFlow交換機計算出轉發(fā)數(shù)據(jù)分組的流表,OpenFlow交換機負責使用流表轉發(fā)數(shù)據(jù)。該方式能極大提高網(wǎng)絡資源利用率、簡化網(wǎng)絡管理流程、降低運營成本[9-10]。

SDN采取集中控制管理方式,如果控制器和OpenFlow交換機失連,將導致OpenFlow交換機丟棄所有與流表不匹配的數(shù)據(jù)包,這會對整個網(wǎng)絡造成嚴重后果,因此,控制器和OpenFlow交換機的穩(wěn)定連接對提高控制網(wǎng)絡的可靠性十分重要[11]。

在提高SDN控制網(wǎng)絡可靠性方面,一類方法通過解決鏈路故障率以及合理部署控制器來提高控制網(wǎng)絡可靠性。文獻[12]將整個SDN網(wǎng)絡劃分為多個控制域,在每個控制域中放置一個控制器,控制器在其控制域中選擇合適控制路徑,從而完成控制網(wǎng)絡。文獻[13]提出K-Critical算法來分割網(wǎng)絡并選擇控制器位置,其目的是處理故障并平衡所選控制器間的負載。上述方法均依據(jù)最短路徑法控制準則來進行控制網(wǎng)絡的可靠性設計,在實際網(wǎng)絡中,鏈路間的故障率并不相同,最短路徑法控制準則容易選擇出高故障率鏈路,從而對網(wǎng)絡整體的可靠性產生負面影響。另一類方法通過數(shù)學線性規(guī)劃來確定控制器部署位置和控制路徑。文獻[14]通過控制路徑損耗的預期百分比來表示SDN控制網(wǎng)絡的可靠性,通過將控制器放置問題簡化為二進制整數(shù)規(guī)劃問題來最大限度地提高SDN控制網(wǎng)絡的可靠性。文獻[15]將可靠性問題通過二進制進行整數(shù)規(guī)劃,以最大化設備和控制器間不相交路徑的平均數(shù)量,同時提出啟發(fā)式算法定義控制器備份列表以處理控制器故障。然而,控制器放置問題是NP-hard問題,當網(wǎng)絡規(guī)模較大時,上述方法都會花費較多時間。

針對以上方法的不足,本文提出一種用于提高控制網(wǎng)絡可靠性的新方案,并在實際網(wǎng)絡中進行控制器部署仿真,以驗證該方案的可行性。

1 控制網(wǎng)絡可靠性分析

SDN控制網(wǎng)絡在設計中通常忽略鏈路故障率,或者假設所有鏈路故障率相同,其采用最短路徑法控制準則進行控制網(wǎng)絡設計。在真實網(wǎng)絡中,鏈路故障率并不能忽略,且每條鏈路的故障率各不相同,最短路徑法并不能準確分析網(wǎng)絡整體可靠性。如圖1所示,C1表示控制器,S表示OpenFlow交換機,網(wǎng)絡連線中實線部分表示網(wǎng)絡鏈路,虛線部分表示控制鏈路,鏈路上的數(shù)字表示鏈路故障率。從圖1中可以看出,控制器通過控制鏈路將流表下發(fā)到各OpenFlow交換機上,從而實現(xiàn)對所有OpenFlow交換機的通信控制。

圖1 鏈路故障率影響分析網(wǎng)絡拓撲

計算控制器C1到達S6的控制路徑時,在考慮鏈路故障率的情況下,最短路徑法以起點到終點的故障率總值最小為原則進行路徑控制,此時控制器C1到達S6有2種控制路徑:(C1,S2,S6)和(C1,S2,S5,S6)。這種情況下,最短路徑法并不能快速、準確地選擇出哪條路徑為最佳控制路徑。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大和接入的OpenFlow交換機數(shù)目的增多,最短路徑法控制準則對網(wǎng)絡整體可靠性帶來的負面影響急劇上升。

采用圖2所示的2個網(wǎng)絡拓撲分析控制器部署位置對控制網(wǎng)絡可靠性的影響,其中,各部件的功能和圖1相同。設定與控制器C1直連的鏈路故障率為0(即圖2(a)中控制鏈路(C1,S1)故障率為0,圖2(b)中控制鏈路(C1,S4)故障率為0)。在圖2(a)中,將控制器C1布置在S1上,當(S1,S2)鏈路出現(xiàn)故障時,除S1外,其他OpenFlow交換機都將和控制器失聯(lián)。在圖2(b)中,將控制器C1布置在S4上,當(S3,S4)和(S4,S5)中任意一條控制鏈路出現(xiàn)故障時,最多導致3個OpenFlow交換機與控制器失聯(lián)。經(jīng)過對比可以看出,相比位置S1,在位置S4上部署控制器更能提高控制網(wǎng)絡的可靠性。

圖2 控制器位置影響分析網(wǎng)絡拓撲

綜上可知,合理選擇鏈路控制準則與控制器部署位置能有效提高SDN控制網(wǎng)絡的可靠性。

2 控制網(wǎng)絡方案設計

2.1 控制網(wǎng)絡數(shù)學建模

用無向圖N=(S,L)表示整體網(wǎng)絡拓撲,其中,S表示所有OpenFlow交換機,L表示所有OpenFlow交換機間的連接鏈路。假設在OpenFlow交換機及其控制器之間只有帶內連接,即控制器和OpenFlow交換機僅通過現(xiàn)有物理路徑進行通信。另外,用N′=(S′,L′)表示控制網(wǎng)絡,其中,S′表示受控制的OpenFlow交換機,L′表示網(wǎng)絡中的控制鏈路,顯然有S′=S,L′?L。

最短路徑法控制準則以鏈路長度(通常是節(jié)點跳數(shù))作為路徑權值,各節(jié)點選擇出權值和最小的路徑來到達目的節(jié)點。前文已說明這種方式并不能保證所選擇路徑是一條最可靠的路徑。本文用鏈路可靠性指標Rab來衡量初始節(jié)點a到達目的節(jié)點b所經(jīng)過鏈路的整體可靠程度,Rab定義如下:

在確定控制器在網(wǎng)絡中的部署位置過程中,本文用鏈路重要指標,即由某條鏈路故障而導致的與控制器失連的OpenFlow交換機數(shù)目,來衡量某條鏈路對網(wǎng)絡整體的重要性。鏈路重要指標值越大,則該鏈路關聯(lián)的OpenFlow交換機數(shù)目越多,該鏈路對網(wǎng)絡整體可靠性越重要。

初始狀態(tài)時所有鏈路的重要指標值設為0。將控制器部署在編號為1的位置上,依據(jù)控制準則得出編號為1時的控制路徑。在控制路徑的確定過程中,每選擇出一條控制路徑,將該路徑上所有鏈路的重要指標值加1,下一條控制路徑與上一條控制路徑有重疊鏈路時,對該重疊部分鏈路的重要指標值再加1。選擇出最后一條交換機的控制路徑后,該部署位置上的控制路徑重要指標值即被確定。

確定首個位置上控制路徑的重要指標值后,計算下一個位置所生成控制路徑及其相應鏈路的重要指標值,得出所有位置的控制路徑和重要指標值后,通過第2.2節(jié)的算法選擇出控制器的部署位置。

2.2 控制器位置部署算法

本文設定一個衡量控制網(wǎng)絡不可靠指數(shù)的參數(shù)如下:

其中,G(N′)表示控制網(wǎng)絡的不可靠指數(shù),G(N′)數(shù)值越小,控制網(wǎng)絡可靠性越高,δab表示節(jié)點a與節(jié)點b間的鏈路誤差率,weightab表示節(jié)點a與節(jié)點b間的鏈路重要指標值,Pab表示節(jié)點a和節(jié)點b之間是否存在控制鏈路,若存在,則Pab=1,否則Pab=0?？刂破魑恢貌渴鹚惴鞒倘鐖D3所示。首先對網(wǎng)絡中所有的OpenFlow交換機進行從1到n的編號統(tǒng)計,同時獲取OpenFlow交換機之間的所有連接鏈路誤差率,然后計算出所有可以部署控制器的位置上的網(wǎng)絡不可靠指數(shù)G(N′),在此基礎上,選擇出不可靠指數(shù)G(N′)最小的位置來部署控制器。

圖3 控制器位置部署算法流程

2.3 控制網(wǎng)絡模型實現(xiàn)

控制網(wǎng)絡部署模型如圖4所示,主要包括應用層、控制層和基礎架構層,應用層和控制層之間通過北向接口進行通信,控制層和基礎架構層之間通過OpenFlow協(xié)議進行通信。

圖4 控制網(wǎng)絡模型架構

應用層的功能包括基本數(shù)據(jù)流轉發(fā)、拓撲發(fā)現(xiàn)、鏈路故障測量、控制路徑計算?；緮?shù)據(jù)流轉發(fā)使OpenFlow交換機查看每一個數(shù)據(jù)包、學習源-端口映射關系,并建立源MAC地址和端口之間的關聯(lián)。OpenFlow交換機學習到二層地址時,流表會建立精確匹配,不同的TCP連接將會導致不同的流表建立;拓撲發(fā)現(xiàn)使控制層掌握全局網(wǎng)絡拓撲結構信息,并對網(wǎng)絡拓撲信息進行統(tǒng)一管理;鏈路故障測量收集網(wǎng)絡中所有鏈路的丟包率,由丟包情況衡量該鏈路的故障率;控制路徑計算通過鏈路控制準則選擇出控制器到達各OpenFlow交換機的最可靠控制路徑。應用層無需考慮底層細節(jié),其通過簡單編程來進行控制決策應用的快速部署?？刂茖訛檫壿嬛行目刂破?負責執(zhí)行應用層的控制策略并生成流表下發(fā)到基礎架構層?；A架構層為支持OpenFlow協(xié)議的交換機轉發(fā)組件,負責執(zhí)行控制層下發(fā)的數(shù)據(jù)流表并進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀的具體轉發(fā)。

3 仿真結果與分析

在本文實驗中,電腦系統(tǒng)環(huán)境為Ubuntu 14.04.5 LTS,使用Mininet 2.2.1軟件搭建SDN仿真環(huán)境,選用POX控制器。采用圖5所示的經(jīng)典網(wǎng)絡拓撲來比較本文控制準則與最短路徑法控制準則在網(wǎng)絡故障率和網(wǎng)絡延時2個方面的性能。

圖5 仿真網(wǎng)絡拓撲

首先,采用圖5中的Internet 2和Fat-tree來對比2個方案的控制網(wǎng)絡故障率。網(wǎng)絡故障率定義為控制器到達各目的節(jié)點的控制數(shù)據(jù)平均丟失率,網(wǎng)絡故障率仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 Internet 2網(wǎng)絡故障率仿真結果

圖7 Fat-tree網(wǎng)絡故障率仿真結果

由圖6、圖7可以看出,本文控制準則在故障率控制方面的性能優(yōu)于最短路徑法控制準則。接下來,對比2個方案的控制網(wǎng)絡時延性能?？刂凭W(wǎng)絡時延定義為所有位置在各時間段平均時延情況,網(wǎng)絡時延仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8 Internet 2網(wǎng)絡時延仿真結果

圖9 Fat-tree網(wǎng)絡時延仿真結果

由圖8、圖9可以看出,未出現(xiàn)鏈路故障時,最短路徑法控制準則網(wǎng)絡時延性能優(yōu)于本文控制準則。在控制數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)鏈路故障會造成傳播時延的急劇惡化。本文控制準則鏈路故障率小于最短路徑法控制準則,在控制數(shù)據(jù)傳輸初期,最短路徑法控制準則平均時延優(yōu)于本文控制準則,但后期隨著通信時間的增加,本文控制準則總平均時延優(yōu)于最短路徑法控制準則。綜合對比網(wǎng)絡故障率和時延性能,可以看出本文控制準則更能改善網(wǎng)絡性能。

最后驗證本文所提控制器位置部署算法的性能,用式(3)衡量該算法對常用控制器部署算法在可靠性方面的改進程度。

(3)

其中,N(Random,SP)表示在最短路徑法控制準則條件下,在網(wǎng)絡隨機位置部署控制器時的控制網(wǎng)絡不可靠指數(shù),N(Optimal,OP)表示在本文控制準則條件下,由新控制器部署算法計算出部署位置上的控制網(wǎng)絡不可靠指數(shù)。新控制器位置部署算法可靠性改進效果如圖10～圖12所示。

圖10 Internet 2拓撲控制器部署仿真結果

圖11 Fat-tree拓撲控制器部署仿真結果

圖12 Bcube拓撲控制器部署仿真結果

由圖10～圖12可以看出,在控制網(wǎng)絡可靠性方面,相對常用控制器部署算法,本文控制器部署算法取得了18%～85%的改進提高。因此,本文控制器部署算法更能改進控制網(wǎng)絡的可靠性。

4 結束語

針對最短路徑法控制準則不能提高控制網(wǎng)絡可靠性的問題,本文以鏈路可靠性指標為控制準則,提出一種新方案,通過該方案來選擇合理的控制器部署位置和可靠的控制路徑。仿真結果表明,在故障率和時延方面,本文方案對常用控制網(wǎng)絡有明顯的改進,最大改進達85%。但在網(wǎng)絡鏈路故障率極低的情況下,本文方案對控制網(wǎng)絡可靠性的改進不大,且傳輸時延性能會降低。如何在保證較低故障率的同時縮短網(wǎng)絡的傳播時延,將是下一步的研究內容。