基于SDN控制器的关键技术在IP网络流量调优的可行性研究

蔡力群

摘要： 主要研究了SDN网络及SDN控制器的组成及产生的意义，并以IP网络流量调优的案例具体说明了SDN网络的优势。从与传统网络与SDN网络相比较入手，阐明了SDN网络的架构，及新产生的协议及作用。着重分析了SDN网络的优势及遇到需解决的问题。以IP网络中骨干网为例，阐述了SDN网络对整个网络的重新架构的意义。

Abstract： This paper mainly studies the composition and significance of SDN network and SDN controller. And the cases of IP network flow optimization are used to illustrate the advantages of SDN network. Compared with the traditional network and SDN network， this paper expounds the structure of SDN network， the new protocol and the role. This paper analyzes the advantages of SDN network and the problems that need to be solved. The backbone network in IP network is taken as the example to expound the significance of SDN network to the whole network.

关键词： SDN网络架构；南北协议；SDN控制器；PCE+流量调优；Agile Controller-WAN软件

Key words： SDN network architecture；north-south agreement；SDN controller；PCE+ traffic optimization；Agile Controller-WAN software

中图分类号：TP393.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0085-03

0 引言

在移动网络日趋复杂，移动技术更新日益加速的时代，互联网公司的崛起，对运营商造成了前所未有的挑战，促使运营商对自身网络为适应社会发展，提出了一系列的诉求。为解决网络快速创新慢，管理滞后，设备庞大，技术发展缓慢的问题，从网络的重构开始，利用SDN网络新的思维方式，使用原有传统网络的控制平面与转发平面相分离的原则，采用SDN网络架构，对设备进行改造，从而加快技术创新，业务部署，打造一个开放智能高效的移动网络。

1 产生背景

移动网络在现代社会中有着越来越重要的地位，其中又数IP网络应用最为广泛，在IP协议诞生之初，IP协议仅为Internet服务。随着IP技术的发展，逐步用来承载语音、Vpn等业务。随着承载业务的多样化，业务规模也逐渐向着泛在化和超宽带化发展演进。传统的IP网络将向下一代IP网络（NGI）过渡。同时IP业务商业运营模式也将发生改变。这就造成了移动网络运营商面临诸多问题，比如：管理运维复杂；网络创新困难；设备日益臃肿等，这时NFV/SDN技术应运而生。网络功能虚拟化NFV（Network Function Virtvalization），是采用虚拟化技术，将传统电信设备的软件与硬件解耦，基于通用计算，存储，网络设备实现电信网络功能，提升管理和维护效率，增强系统灵活性。SDN（Software Definef Network）即软件定义网络。2000年由美国斯坦福大学clean slate 研究组提出的一种新型网络创新架构。遵循4个原则：①控制和转发分离原则；②集中化控制原则；③网络业务可编程；④开放的接口。SDN的本质是网络软件化，提升网络可编程能力，是一次网络架构的重构，而不是一种新特性、新功能。SDN将比原来网络架构更好、更快、更简单的实现各种功能特性。现在的IP网络管理多且复杂，命令行多，真正痛点是业务部署慢，对网络集中控制，把控制面集中到一个软件（SDN控制器）进行控制，于是很多事情就解决了。如图1所示。

2 SDN架构模型

随着ONF（Open Network Foundation）组织、NFV产业联盟的推动以及运营商、网络服务提供商、设备生产商的积极投入，SDN模型也逐渐达成了共识。如图2所示。

协同应用层：主要是与控制器通信的软件应用程序。用于网络服务的扩展。完成用户意图的各种上层应用程序，此类应用程序（APP）称为协同层应用程序，典型的协同层应用包括OSS、openstack等。OSS负责整网的业務协同，而Openstack则在数据中心负责网络，计算，存储的协同。OpenStack是目前最活跃的一个开源云计算管理平台，提供了网络即服务的功能。协同应用层和控制层之间定义为北向接口（NBI，Northbound Intterface）。其中网络配置协议（Netconf）是南北向都应用的协议。北向接口位于控制层与应用层之间，将控制器提供的网络能力和信息进行抽象并开放给应用层使用。它决定SDN发展方向与价值，意义重大。

北向接口主要包含几种接口：REST和RESTful 服务。REST（Representational State Transfer）是一种基于软件架构风格的WWW.基于REST架构的服务成为RESTful服务。Restful接口，用于网络管理，端口管理，业务管理。NetConf和RESTful同时也是东西向的协议。Openstack Plug-In 接口用于网络管理，防火墙管理，路由器管理。

NetConf接口：用于管理SNC.路由器和交换机设备；基于XML的网络配置和管理协议。

NetStream也是北向接口，它是一种基于通过对网络中的通信流量和资源使用情况进行分类统计的网络流量信息的统计技术。主要应用于基于时间或流量的计费和对账，网络规划和分析，网络监控，应用监控和分析，用户监控和分析。

控制层：控制层是系统的控制中心，负责网络内部交换路径和边界业务路由的生成，并负责处理网络状态变化事件。它的实现实体就是SDN控制器，也是SDN网络架构下最核心的部件。还有一些其它的协同层应用程序如安全APP，网络业务APP客户端等。其核心功能是实现网络内部交换路径计算和边界业务路由计算。包括一个逻辑上集中的SDN控制器，能很好的完成网络资源调度和控制。协同应用层与转发层之间的接口定义为南向接口（SBI，Southbound Interface）。南向网络控制技术需要对整个网络中的设备层进行管控与调度，包括链路发现 拓扑管理 策略制定 表項下发。也需要通过明确定义的应用层接口要求，并通过标准协议进行综合管理和网络设备的监控。南向接口主要包含的几种CLI接口：用于管理防火墙； MROSI接口：用于与U2000对接；SNMP接口：用于管理路由器设备；SFTP接口：用于从U2000获取性能数据。如图3所示。

基础层架构层或转发层：包括物理网络设备，以太网交换机和路由器。提供可编程，高速硬件和软件。

在软件定义网络中，控制平面和转发平面是分离的，转发层主要由转发器和连接转发器的线路构成基础转发网络，这一层负责执行用户数据的转发，其转发过程中需要转发表项则是由控制层生成的，而不是转发器。转发表项可以是2层转发表项或者3层转发表项。转发层一个方面上报网络资源信息和状态，另外一个方面接收控制层下发的转发信息。

在SDN中的定位处于基础架构层与控制层之间 定义为OpenFlow协议，是构建SDN网络的基本要素。是非常著名的南向接口协议。它是用来作为OpenFlow控制器和转发器之间的通信协议。OpenFlow是平面接口或基于标准的协议。定义控制器通信控制器之间的平台和数据平面设备，如物理和虚拟交换机以及路由器。包括OpenFlow PCEP SNMP OVSDB 等协议。

南向接口中网络配置协议（NETCONF）定义是基于可扩展标记语言XML（Extensible Markup Language）的网络配置和管理协议。NETCONF提供了按照操作和删除网络设备的机制；用来远程管理和监控网络设备的网管协议。提供了一套标准的操作以及RPC调用来对网络设备进行管理。使用SSH传输协议。

南向接口简单网络管理协议（SNMP）是广泛用于TCP/IP网络的网络管理标准协议，用来收集，管理，修改设备信息。作为TCP/IP协议族的一部分，SNMP消息被封装为UDP报文在Internet中传输。作用是网管站（NMS），代理（Agent）和被管理设备。

东西向接口 包括Restful接口和SFTP接口Restful接口：NetMatrix提供网络资源接口，uTraffic通过此接口向NetMatrix获取网络资源数据。uTraffic提供实时流量接口，NetMatrix通过此接口向uTraffic获取实时流量信息，用于显示实时流量情况和流量趋势。

SFDP接口 是NetMatrix通过此接口获取uTraffic采集的历史流量数据

3 SDN网络及SDN控制器

在SDN网络架构下，由于整个网络归属由SDN控制器控制，那么对SDN控制器的可靠性问题显得尤为重要。

①传统网络和SDN网络可靠性的对比如图4所示。

②SDN控制器的可靠性问题主要涉及有4个方面如图5所示。

③SDN控制器架构性能需求。

第一时间指标及网络收敛时间性能分析：要求在部署控制器情况，网络的收敛时间和传统网络情况下的故障收敛时间相当。

第二空间指标：及实现技术DC内要求支持百万级以上OVS（OpenvSwitch）能力；DCI/METEO/CORE，每台控制器管控2000台设备；IPRAN接入场景，每台控制器管控20000台设备。

④SDN网络价值。

第一快速网络创新 SDN的可编程和开放性，使得我们可以快速开发新的网络业务，加速业务创新。第二SDN网络架构简化了网络，消除了很多IETF的协议。协议的祛除，意味着学习成本的下降，运维成本的下降，部署业务速度的提升。第三网络设备通用化。第四业务自动化：自行完成网络业务的部署，提供网络自动化能力。第五网络路径调优和流量调优：当采用SDN网络架构，SDN控制器可以根据网络流量状态智能调整网络路径，达到提升网络吞吐的目的。第六SDN是对电信网络的一次重构，在SDN时代的网络大部分业务需求，能够像IT应用一样快速的进行调整，快速部署新业务。

4 SDN 的主要应用场景

①主要有基于SDN/NFV的以数据中心（DC）的网络的应用。

②随着企业业务的逐步云化，资源集中管理 、网络可灵活调整、 高速、 低时延的专用的面向数据中心互联的承载网络也是需要解决的问题，SDN使能DCI（数据中心二层互联）可以满足这个的需求。

③不断高速增长的互联网流量促使电信行业不断探索降低骨干网络的成本。

以MPLS骨干网络调优应用SDN组网为例，说明SDN如何进行网络调优的过程。组网架构如图6所示。

包含了 WAN（IP CORE）解决方案，DCI解决方案，CloudVPN解决方案 PCE+流量调优解决方案组成。

其中，Agile Controller-WAN 是核心部件，主要面向WAN（IP CORE）场景 DCI场景和Cloud Vpn场景，实现WAN领域的快速发放，域内流量调优，简化现代网络，降低既有网络运营成本。

Agile Controller-WAN 通过提供业务随需 、网络随调、 电信级可靠性、 可视化、 开放创新， 解决运营商业务部署慢，网络利用率低，维护复杂等问题。

PCE+流量调优 PCE（Path Computation Element）是一种基于MPLS TE的集中算路模式，解决了传统MPLS TE独立算路的限制。由隧道的Ingress节点PCC（Path Compution Client）向PCE Server请求路径计算，PCE Server返回算路结果后，PCC触发RSVP-TE协议建立LSP。

主要包括：①PCC（转发器）负责TE隧道创建、带宽标签资源预留，是TE隧道的所有者及管理者。

②PCE Server（控制器）是算路中心，通过IGP-TE收集网络资源信息（TEDB-Traffic Engineering Database）信息，并负责集中算路。

③PCE+是基于PCE技术的演进，和PCE的主要区别是：PCE（也称为Passive Stateless PCE）：转发器上报LSP信息但是不托管（Delegation），即控制器不会主动下发信息给转发器。同时控制器仅能收到TEDB信息，收不到网络的业务相关信息（LSP-DB-Label Switched Path Database），无权以全局最优为目标对不同PCC的路径做主动调优。

④PCE+（也称为Active Stateful PCE）：转发器授权控制器管理托管的LSP，同时控制器基于PCEP协议收集LSP-DB信息，并基于LSP-DB进行网络优化计算，从而以全局最优为目标进行主动调优。

⑤PCEP（Path Computation Element Communication Protocol）协议是PCC和PCE Server之间的通信协议，用来收集整网RSVP-TE LSP信息，并基于此提供集中算路服务。PECP仅提供了PCE南向接口的標准定义，但不包含PCE计算的方法，PCE+拥有自己的集中网络优化算法，支持基于COST、带宽、时延等SLA进行路径计算。

⑥PCE for SR-TE：除了RSVP-TE之外，PCEP也支持收集SR-TE LSP信息，为SR-TE LSP进行调优。

⑦包括 北向协议 RESTCONF、 Syslog client、 AAA、 SFTP 、client 、SNMP agent 。南向协议 SNMP client NETCONF、 SFTP Server、 Trap Server、 PCEP 、BGP、 BGP-LS/GP 。目前最多开发就是南北向协议是Openflow 和Openstack两大协议平台，各项技术处于逐步完善阶段。

以上综述，从以SDN组网的Agile Controller-WAN软件的应用，说明了加快了运营商业务部署业务，减少了工作量，无需要多部门和厂商配合。提高网络效率，快速反应应对网络流量进行全局调整，而且对调优结果能及时感知。使网络维护操作简单，且定位时间短，实现了网络的重构。

5 结束语

从阐明SDN网络架构组成，再到IP网络应用SDN组网，详述了SDN网络对现有网络的重新架构产生的重大意义。综述解决了移动网络适应时代发展，对网络进行了一系列的改造，采取了通信领域最新产生的新协议，新标准。从而逐步完善对现有网络的改造。打造一个全新的适应时代要求的移动网络。

参考文献：

[1]杨嬛.基于多拓扑路由的IP网络流量工程研究[D].电子科技大学，2013.

[2]吴璟.基于贪婪算法的线性规划在货位优化中的应用[D].上海交通大学，2011.

[3]王淑玲，李济汉，张云勇，房秉毅.SDN架构及安全性研究[J].电信科学，2013（03）.