肖軍弼 吳曉菲 陳 松

(中國石油大學(xué)(華東)計算機與通信工程學(xué)院 山東 青島 266580)

0 引 言

基于Fat-tree拓?fù)涞臄?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的兩個原則：資源超額供給、設(shè)備鏈路冗余設(shè)計，有悖于低碳節(jié)能的目標(biāo)[1-2]。首先，高容量網(wǎng)絡(luò)特別適用于最壞情況或繁忙時間負(fù)載，但在大多數(shù)時間數(shù)據(jù)中心流量遠(yuǎn)低于峰值[3]。具體而言，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的白天流量和夜晚流量變化很大——白天高峰、晚上低谷。網(wǎng)絡(luò)繁忙時的設(shè)備、鏈路利用率尚不足30%，很多網(wǎng)絡(luò)空閑時甚至不足5%[1]。此外，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要在保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時為上層提供高性能和高容錯的路由轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，因此在低負(fù)載情況下仍將維持很多無數(shù)據(jù)流通的“富連接”，這將使得多數(shù)設(shè)備及鏈路處于閑置狀態(tài)，造成大量電能的無效浪費。網(wǎng)絡(luò)中能量浪費和能耗成本的約束往往成為限制其規(guī)模和服務(wù)能力的瓶頸[1]，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗、構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)成為計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需解決的研究課題。

在降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(DCN)的能量消耗方面，相關(guān)學(xué)者提出以下方案[3-6]：當(dāng)DCN處于低負(fù)載情況時，動態(tài)整合網(wǎng)絡(luò)流量，并將無數(shù)據(jù)流通的交換機休眠，以節(jié)省整體網(wǎng)絡(luò)能耗。然而，該方案的研究仍局限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)思維方式，基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的DCN具有純分布式控制、控制與轉(zhuǎn)發(fā)高度耦合的特點，管理者不能從全局的角度對包傳遞的整體路徑進行指定，只能通過包頭標(biāo)識符的方式對數(shù)據(jù)包進行有限地約束或優(yōu)化。軟件定義網(wǎng)絡(luò)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念[7]，為數(shù)據(jù)中心能耗問題提供了新的解決方案。SDN具有強大的集中管控能力，控制器通過實時監(jiān)控并控制交換機狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下調(diào)度數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，并休眠閑置的交換機，從而實現(xiàn)綠色節(jié)能。

本文基于SDN架構(gòu)理念，通過開發(fā)ESPP系統(tǒng)計算通信主機之間的最優(yōu)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑，動態(tài)整合網(wǎng)絡(luò)流量，分析可進入休眠狀態(tài)的設(shè)備，達(dá)到節(jié)約DCN能耗的目的。在設(shè)計并實現(xiàn)該系統(tǒng)時，需要在仿真環(huán)境下搭建基于Fat-tree拓?fù)涞腄CN，設(shè)計節(jié)能路徑算法，建立傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)能網(wǎng)絡(luò)進行相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能耗對比模型，同時借助控制器進行全網(wǎng)流量監(jiān)控，在保證網(wǎng)絡(luò)可靠性的基礎(chǔ)之上分析出無數(shù)據(jù)流通的交換機。

1 概要設(shè)計

ESPP是一個基于客戶端開發(fā)的系統(tǒng)，主要由客戶端程序、SDN控制器以及底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

客戶端使用MVC設(shè)計模式，用戶通過客戶端可以查看全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑾掳l(fā)指定通信主機之間的最優(yōu)路徑策略、對比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)能網(wǎng)絡(luò)進行相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能耗情況。該系統(tǒng)中的SDN控制器采用Floodlight開源控制器(為使功能完全，對該控制器稍做修改)，南向接口基于OpenFlow v1.3協(xié)議[8]，該協(xié)議是當(dāng)前控制平面與數(shù)據(jù)平面之間最具影響力的南向接口協(xié)議。Floodlight控制器通過南向接口與Mininet模擬生成的虛擬網(wǎng)絡(luò)通信，完成網(wǎng)絡(luò)信息的獲取以及轉(zhuǎn)發(fā)策略的下達(dá)，客戶端程序則通過北向標(biāo)準(zhǔn)化接口REST API以及為強化程序功能開啟的TCP/UDP通道與控制器進行交流。

2 詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 功能模塊劃分

經(jīng)概要分析后，節(jié)能路徑規(guī)劃系統(tǒng)的具體功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)功能模塊劃分得出系統(tǒng)主要包括以下具體功能：

系統(tǒng)的拓?fù)湫畔⒄故竟δ苁窍到y(tǒng)的基礎(chǔ)功能，用戶通過該功能可以查看整個網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)錉顟B(tài)，包括設(shè)備及鏈路。系統(tǒng)采用圖形化界面顯示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，界面圖標(biāo)分布均勻，方便用戶查看。此外，當(dāng)用戶進行相關(guān)節(jié)能路徑的下發(fā)時，用戶可通過該功能查看當(dāng)前已完成下發(fā)的路徑信息。

系統(tǒng)的節(jié)能路徑計算功能是系統(tǒng)的核心功能，該功能通過列表形式顯示指定通信主機之間的所有可達(dá)路徑，并且通過節(jié)能路徑算法對所有路徑進行排序，以找出保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的能耗最低的最優(yōu)路徑，用戶便能使用該條路徑完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流實時展示功能包括能耗監(jiān)控和流量監(jiān)控兩部分，該功能將虛擬網(wǎng)絡(luò)中交換機的數(shù)據(jù)包流動情況以及實時耗能情況展示給用戶，在節(jié)能策略下發(fā)、數(shù)據(jù)流整合完成之后，用戶通過該功能所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可以輕松得出當(dāng)前處于活躍狀態(tài)的交換機，則剩余交換機即可進入休眠狀態(tài)。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能耗對比功能將計算并對比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN網(wǎng)絡(luò)進行相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能耗情況，該功能借助搭建好的能耗度量模型分別計算兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的能耗度量值，驗證系統(tǒng)的節(jié)能有效性。

系統(tǒng)的其他功能主要是為優(yōu)化系統(tǒng)工作、方便用戶使用而設(shè)計的，比如系統(tǒng)配置功能的作用是當(dāng)軟件中的部分?jǐn)?shù)據(jù)無法直接獲得(例如控件大小位置，拓?fù)鋱D標(biāo)位置)或參數(shù)需要額外設(shè)定(能耗計算模塊系數(shù))時，由配置文件直接給出，具有優(yōu)化代碼編程的優(yōu)點；自動調(diào)節(jié)功能則是實現(xiàn)無人工干預(yù)、系統(tǒng)自動工作的基礎(chǔ)，該功能在Floodlight控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包以后，自行分析數(shù)據(jù)包，進行最優(yōu)路徑計算，并完成節(jié)能策略的下發(fā)。

該節(jié)能路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠正常、快速、穩(wěn)定地運行，界面簡潔明晰，易于用戶使用；系統(tǒng)具有良好的可移植性，兼容Windows和可視化Linux；系統(tǒng)還具有良好的可擴展性，適應(yīng)所部署的應(yīng)用環(huán)境以及應(yīng)對將來功能模塊的添加。

2.2 節(jié)能路徑算法(ESPA)設(shè)計

本文提出了一種適用于基于Fat-tree拓?fù)涞腄CN的節(jié)能路徑算法ESPA(Energy-Saving Path Algorithm)。該算法的目標(biāo)是計算指定通信主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包的路由，在滿足網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)之上，路由將盡可能涉及之前已使用的交換設(shè)備，使得新喚醒的交換機的數(shù)量越少越好，提高交換機的利用率。

ESPA的基本思想如下：首先，基于深度優(yōu)先搜索的思想，采用遞歸的方法遍歷計算出指定通信主機之間的所有可達(dá)的無環(huán)路徑，稱為全路徑。其次，計算路徑的瓶頸鏈路帶寬，此處是為了保證DCN的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，以免網(wǎng)絡(luò)性能受到影響。第三，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的休眠與激活狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要耗費一定的能量，為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，并在滿足通信需求的狀況下開啟盡可能少的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，計算如果使用當(dāng)前路徑會額外喚醒的交換機數(shù)量。最后，根據(jù)中間兩步的計算結(jié)果以及路徑最短原則對全路徑進行排序，選擇排序結(jié)果中的第一條路徑(若排序結(jié)果中有多條路徑滿足條件，則人為選擇第一條路徑)，并將該條路徑所對應(yīng)的流表下發(fā)到Floodlight控制器中用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。ESPA流程圖如圖3所示。

圖3 節(jié)能路徑算法流程圖

算法1節(jié)能路徑算法：ESPA(G,F)

輸入：

G：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

F：網(wǎng)絡(luò)流集合

輸出：

Rf：F中網(wǎng)絡(luò)流的最優(yōu)傳輸路徑

Begin

1 R←全路徑計算

2 H←計算吞吐率

3 鏈路瓶頸帶寬最大

4 交換機利用率最高

5 路徑排序

6 人為選擇排序結(jié)果中的第一條路徑

7 return Rf

End

2.3 能耗度量模型建立

該系統(tǒng)中的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的能耗對比功能需要建立能耗度量模型，以此比較兩者進行相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能耗情況。該模型中的能耗度量算法所使用的計算公式由三部分構(gòu)成，分別是控制器的支撐能耗，記為F(C)；單個活躍交換機的支撐能耗，記為S(C); 單個活躍端口的支撐能耗，記為P(C)。在使用同種交換機的情況下，例如該系統(tǒng)中使用的交換機均為Open vSwitch(OVS)交換機，則能耗計算公式為：SUM(C)=F(C)+X×S(C)+A×P(C)，其中X為活躍交換機數(shù)量，A為活躍端口的數(shù)量。

通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)并分析[3,9]，在本系統(tǒng)中的簡化能耗模型設(shè)定單個活躍交換機的支撐能耗為9(計算總能耗時需要首先判斷交換機中是否有流表，沒有流表則代表該交換機處于休眠狀態(tài)，計算過程需將此類交換機排除)，設(shè)定單個活躍端口的支撐能耗為1。SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的控制器支撐能耗設(shè)定為20，用以支撐控制器的運作。對于傳統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，所有交換機均處于喚醒狀態(tài)，同樣交換機的所有端口也都是喚醒狀態(tài)，并且傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中無控制器參與，故其控制器支撐能耗為0。

3 測試與分析

3.1 環(huán)境搭建

搭建系統(tǒng)環(huán)境是開發(fā)節(jié)能路徑規(guī)劃系統(tǒng)中至關(guān)重要的一步，環(huán)境搭建過程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)環(huán)境搭建

由于本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及測試過程均較為復(fù)雜，為降低復(fù)雜度，在測試部分主要針對該系統(tǒng)的節(jié)能路徑計算與網(wǎng)絡(luò)能耗對比兩大功能進行闡述。測試中所用的模擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)Fat-tree拓?fù)淙鐖D5所示，該拓?fù)溆蒑ininet網(wǎng)絡(luò)仿真工具搭建。

圖5 模擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)Fat-tree拓?fù)?/p>

3.2 節(jié)能路徑計算功能測試

默認(rèn)情形下，F(xiàn)loodlight控制器中的Forwarding模塊是保持開啟的，為避免該模塊對節(jié)能路徑下發(fā)產(chǎn)生影響，需要在客戶端內(nèi)將其關(guān)閉，則此時拓?fù)渲械母髦鳈C無法互通，通信情況如圖6所示。下面以主機H1到主機H8為例進行系統(tǒng)節(jié)能路徑計算功能的測試。

圖6 主機通信情況圖1

在客戶端程序中輸入“1-8”，代表“主機H1到H8”，系統(tǒng)將根據(jù)拓?fù)涫紫扔嬎愠鲋鳈CH1到H8的所有可達(dá)無環(huán)路徑，結(jié)果顯示從H1到H8共有16條路徑，如圖7所示。依照算法流程圖，接下來系統(tǒng)將按照路徑瓶頸鏈路帶寬的大小、新喚醒交換機的數(shù)量以及長度，對H1到H8的所有可達(dá)無環(huán)路徑進行排序，并產(chǎn)生列表式的排序結(jié)果，則排序結(jié)果中的第一條路徑即為節(jié)能路徑。最后，選擇該條路徑進行H1到H8的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略的下發(fā)，此時主機H1與H8可以相互Ping通，其他主機之間無法互通，主機通信情況如圖8所示。

圖7 主機H1到H8的全路徑

圖8 主機通信情況圖2

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)使用節(jié)能路徑算法能夠計算出指定通信主機之間的節(jié)能路徑：H1→S9→S6→S3→S8→S12→H8，并通過該路徑下發(fā)節(jié)能策略，如圖9所示。接下來，將繼續(xù)進行傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)能耗對比測試，驗證系統(tǒng)的節(jié)能有效性。

圖9 節(jié)能流表下發(fā)圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)能耗對比功能測試

系統(tǒng)在下發(fā)“H1→S9→S6→S3→S8→S12→H8”流表的情況下，客戶端的“流量監(jiān)控”以及“能耗監(jiān)控”功能將顯示：交換機1、2、4、5、7正處于休眠狀態(tài)；而交換機3、6、8、9、10、11、12處于激活狀態(tài)。由于9、10、11、12交換機是邊緣交換機，需要時刻監(jiān)聽主機數(shù)據(jù)包，故不能進入休眠狀態(tài)。此外，當(dāng)前下發(fā)的節(jié)能路徑中的交換機為9、6、3、8、12，所以這些交換機要處于活躍狀態(tài)。

在該路徑的基礎(chǔ)之上， 引入網(wǎng)絡(luò)負(fù)載程度不同的多條流量進行系統(tǒng)的節(jié)能效果測試，依據(jù)ESPA節(jié)能路徑算法調(diào)度各條流量，使流量盡可能通過已經(jīng)處于活躍狀態(tài)的交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)，而無需重新喚醒當(dāng)前休眠的交換機，以規(guī)避交換機進行休眠-活躍狀態(tài)切換所產(chǎn)生的能耗(由于該部分能耗較少，故在本文設(shè)計的簡化能耗模型中省略)。

客戶端的“能耗對比”功能將根據(jù)前文所述的能量度量模型，計算傳統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與SDN架構(gòu)節(jié)能網(wǎng)絡(luò)下完成一系列數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)能耗，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下的能耗由全部交換機與全部端口的數(shù)據(jù)計算得來，而SDN網(wǎng)絡(luò)的能耗由活躍交換機、活躍端口以及控制器支撐能耗組成。

在模擬的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)Fat-tree拓?fù)渲?，系統(tǒng)針對所輸入的不同流量，進行最優(yōu)路徑選擇，并計算相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)能耗。經(jīng)過對一系列能耗數(shù)據(jù)的處理匯總得出圖10，該圖顯示了在進行相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，SDN架構(gòu)節(jié)能網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的能耗節(jié)省情況。該圖中的折線表示在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭ǖ那闆r下，當(dāng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)處于低負(fù)載狀態(tài)時，即網(wǎng)絡(luò)較為空閑，SDN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠顯著降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，達(dá)到綠色節(jié)能的目的。但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，節(jié)能效果將逐漸下降，這是由于為保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，需要更多的交換機參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作，所以處于休眠狀態(tài)的交換機的數(shù)量將會越來越少。

圖10 SDN網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能情況

4 結(jié) 語

本文以數(shù)據(jù)中心Fat-tree網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)能路徑計算以及網(wǎng)絡(luò)能耗對比為主要研究內(nèi)容，設(shè)計了ESPP：基于SDN的節(jié)能路徑規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于SDN架構(gòu)和OpenFlow協(xié)議，通過REST API與控制器交互，獲取全網(wǎng)拓?fù)湫畔?、計算指定通信主機之間的節(jié)能路徑并指導(dǎo)控制器根據(jù)節(jié)能路徑計算結(jié)果下發(fā)流量調(diào)度策略，降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)能耗，實現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保。較之其他基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)思維的節(jié)能技術(shù)，本文提出的基于SDN的節(jié)能路徑規(guī)劃更為靈活可靠，借助控制器強大的集中管控特點，能夠在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下動態(tài)整合網(wǎng)絡(luò)流量，降低網(wǎng)絡(luò)流量對大多數(shù)交換機的依賴程度，并將沒有流量的交換機置于休眠狀態(tài)，切實降低網(wǎng)絡(luò)能耗。針對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的能耗度量模型，在后續(xù)工作中將對該方面予以完善，模型中的能耗影響因子將更加全面，以進一步增強系統(tǒng)的可靠性。