陈 潇，顾 芳，李默嘉，邓伟华

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

近年来，出现一种以OpenFlow[1]技术为代表的软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的网络架构。2007年，美国斯坦福大学Nick McKeown教授启动并领导了跨学科的Clean Slate研究计划[2]。2008年，McKeown等人在ACM SIGCOMM上发表论文，完整地提出了实现SDN的OpenFlow框架[2]。2011年，McKeown联同Google﹑微软﹑Facebook﹑NTT﹑德国电信等组织一起成立ONF（Open Networking Foundation），专门致力于SDN及其核心技术OpenFlow的标准化和商业化[2]。Google的成功实践，极大地推动了SDN的发展[2]。ONF也成为炙手可热的标准化组织，吸引了大批来自不同领域的企业参与其中[2]。这些都使得SDN成为全球开放网络架构和网络虚拟化领域的研究热点。SDN是一种新兴的基于软件的网络架构及技术，最大的特点在于具有松耦合的控制平面和数据平面，支持集中化的网络状态控制，可实现底层网络设施对上层应用的透明[3]。它能够有效解决当前网络系统所面临的资源规模扩展受限﹑组网灵活性差﹑难以快速满足业务需求等问题[3]。目前，ONF定义的SDN架构从下向上，分为基础设施层﹑控制层及应用层[4]。

本文涉及的网络是基于SDN，以SDN业务为主，同时兼容非SDN业务的综合服务网络。SDN业务与非SDN业务在业务特点﹑建立方式﹑业务需求等诸多方面存在差异，本文的主要研究内容是如何在一个共同的网络中，通过统一的技术体制满足两大类业务的网络服务需求，实现对SDN及非SDN业务的统一保障，对SDN和非SDN业务进行分类控制和业务管理，满足为非SDN用户提供更好的服务的前提下，能够对SDN业务和非SDN业务两者的性能进行综合平衡，达到网络性能多约束要求下的优化。

1 SDN与非SDN业务的定义及业务保障策略

1.1 SDN业务定义及业务保障

SDN业务是对网络中一类业务的统称。SDN业务通常具备以下一种或几种特征。

（1）性能特征：业务对网络传输带宽﹑时延﹑抖动等指标要求较高，其中带宽需求在每秒吉比特级，时延需求在毫秒级；

（2）可靠性特征：业务在传输成功率﹑顺序投递等特性上有较高要求。

SDN业务为了确保获得与其业务特性相符的网络服务，必须在业务行为真实发生前，通过网络提供的控制管理接口（北向接口/业务编排接口）向网络申请服务，说明业务所需要的带宽﹑时延﹑抖动等资源条件。网络服务申请成功后，才允许SDN业务进行传输。当SDN业务行为结束后，应当提交服务结束申请，向网络归还使用的资源。

传统网络依靠基于IP协议的报文寻址和转发手段，转发过程中涉及报文分组﹑分层协议处理﹑光电转换等过程，难以满足SDN业务对转发性能的要求。本文采用全新的光波长交换体制，直接通过光信号实现对数据流的承载。交换过程中只涉及光处理，减少了转发节点的光电转换开销，提高了网络对数据的承载性能，实现了对SDN业务的保障。

网络对SDN业务采取端到端的保障方式，保障范围为光波长交换网全网。入端点和出端点分别为光波长交换网的入端口和出端口。控制管理设备收到SDN业务传输申请后，结合相应的网络管理策略，计算当前业务在网络中的端到端路径。端到端路径的计算受以下条件约束：

（1）确保路径中任一节点﹑端口的剩余带宽满足业务的带宽需求；

（2）确保路径中所有节点的转发时延和传输时延之和满足业务的时延需求。

路径计算完成后，根据业务特征形成对应的流表下发至光交换设备，从而确保依照流表进行转发的业务数据获得其申请的网络传输服务。

图1为SDN业务申请流程图。网络管理设备将SDN业务请求发送至控制设备，首先由SDN业务特征分析模块对该请求的传输带宽﹑时延﹑抖动等指标进行解析，再按解析后的结果对该业务请求进行网络资源预留。若全网没有链路满足预留需求，则该时敏业务请求失败；若满足预留需求，则进行路径计算。如果未能成功计算出路径，则说明目前网络中没有相应传输路径，该时敏业务请求失败；如果能成功计算出传输路径，则将该路径通过协议解析模块组成相应的openflow报文（如flow_mod报文），通过南向接口发送至各网络交换设备，同时更新全网资源情况。

图1 SDN业务流申请流程

图2为SDN业务删除流程图。网络管理设备将SDN业务删除请求发送至控制设备，由SDN业务解析模块对请求进行解析，并在全网查找对应的SDN业务。若未能查到，则该请求失败；若查找到该业务，则根据openflow协议组建相应的删除报文，并通过南向接口发送至各网络交换设备，同时更新全网资源情况。

图2 SDN业务流删除流程

1.2 非SDN业务定义及业务保障

非SDN业务是为了兼容传统的路由交换网络，对网络中依赖传统路由交换策略进行寻址的一类业务的统称。非SDN业务通常对数据的传输带宽﹑时延﹑投递顺序﹑投递成功率等特征无严格要求。

非SDN业务的传输依赖于逐跳转发。非SDN业务传输前无需向网络申请服务。针对非SDN业务的传输，网络应提供如下服务：

（1）确保非SDN业务基于目的IP成功寻址；

（2）确保非SDN业务的带宽占用在允许范围内，且能够被SDN业务抢占。

图3为非SDN业务申请流程图。

图3 非SDN业务流申请流程

交换设备在处理未知报文时触发非SDN业务申请，通常采用如packet in报文的形式将该未知报文发送至SDN控制设备。控制设备通过非SDN报文解析模块对该报文的五元组等信息进行解析，并查找该交换设备上是否已有能够匹配该报文的流表项。若已存在相应的流表项，则更新openflow报文中的相应字段，并通过南向接口发往相应交换设备。若不存在相应流表项，则进行路径计算，并根据结果进行路径解析和资源更新，并通过南向接口发往相应交换设备。

2 SDN与非SDN业务的传输机制设计

2.1 一体承载机制

波长资源弹性使用，以波长为承载，划分为承载SDN业务波长和承载非SDN业务波长。

承载SDN业务的波长从发送端发出后，全程不进行光电转换和包头处理，直接在光网络中进行交换，直至目的端进行解析。

承载非SDN业务的波长逐点进行光电转换和包头处理，由下一跳地址决定下一段链路所承载的波长。

2.2 传输机制设计

非SDN业务通过电交换网和光交换网同时进行保障。其中，光交换网为非SDN业务预留专用波长，配置静态交换通道。对于非SDN业务来说，它退化为传输通道，不负责非SDN业务的交换逻辑。非SDN业务的交换逻辑由电交换网通过首包上报动态建链机制保障。

SDN业务通过网络提供的控制管理接口向控制器申请服务，说明业务所需要的带宽﹑时延等资源条件。网络服务申请成功后，才允许SDN业务进行传输。控制器在反馈业务申请成功响应的同时，根据业务所需资源条件，向各光交换机下发流表项。SDN业务根据控制器下发的流表项，直接进行业务转发。

非SDN业务通过首包上送机制进行保障。当首包到达交换机时，若没有发现与之匹配的流表项，则将其送给控制器处理。一旦控制器确定了相应方式，相关的信息将会返回并缓存在交换机中，然后根据网络动态资源情况进行路由管理。具体地，既可在电网络中进行转发，也可在光网络中进行转发。

首包上报动态建链机制是针对非SDN业务提出的一种路径计算触发手段。非SDN业务发送数据前不向网络申请服务，因此无法通过标准的SDN接口为非SDN业务提供网络服务保障。首包上报动态建链机制包括动态建链﹑动态维护和动态拆链三个阶段。

（1）动态建链阶段

在初始化电接入与交换设备的流表时，需对Table-miss流表项进行配置，将无法匹配的IP报文通过PACKET-IN的方式上报给网络控制设备。网络控制设备将通过PACKET-IN方式接收到的所有IP报文都视作非SDN业务数据报文。以IP报文的接收端口为源节点﹑IP报文中的目的IP地址所属端口为目的节点，计算非SDN业务流路径，完成流表创建与资源分配。动态建链阶段，根据网络负载情况，通过预定义的分配策略，为对应的非SDN业务流分配一个初始化带宽。

（2）动态维护阶段

动态维护阶段主要是针对建链阶段分配的带宽进行调整。网络控制设备周期性地查询源节点上对应的计量表状态，获取对应非SDN业务流的带宽占用情况，并根据预定义策略完成对非SDN业务流表带宽资源的调整。

（3）动态拆链阶段

网络控制设备为非SDN业务创建的流表项根据预定义策略设置一个超时时间。当超过该时间没有业务匹配流表项时，电接入与交换设备将主动删除对应流表项，同时向网络控制设备发送一个流表项删除通知。网络控制设备收到通知后，回收该非SDN业务流对应的所有资源。这样既可保证SDN业务传输的可靠性和可行性，也可对非SDN业务的传输进行保障。

3 试验验证

设计过程中采用一种动态带宽分配技术，将SDN业务按优先级分为一类业务和二类业务。下面将通过仿真技术对相关数据进行对比分析。

3.1 业务数据分析

表1﹑表2中，第一行表示数据包总数量。TP表示业务类型和优先级；TotalPackets表示总的发送业务数量，TxPackets表示总的接收业务数量，Drops表示丢弃的业务数量。可以看出，优先级高的SDN业务，其传输带宽得到了充分保证，几乎没有丢失业务，如TP为S1（优先级为1的时敏业务）的业务；低优先级的SDN业务或非SDN业务，则在拥塞情况下会出现丢失业务。对比可以看出，TP为S4（优先级为4的SDN业务）和T3（优先级为3的非SDN业务）的业务，其丢失率平均比TP为S1的业务要高。这说明在带宽充分利用的同时，尽量保证了高优先级的SDN业务的发送，但整个带宽并没有被高优先级的SDN业务全部占有，因为非SDN业务始终占有一定的权值。

表1 t1时间段业务统计

图4 轻负载下各方法分组丢失率比较

表2 t2时间段业务统计

3.2 分组丢失率

通过仿真对比了本文采用的动态分配方法和静态分配方法1（按照业务的平均速率的大小来为业务分配固定的带宽）﹑静态分配方法2（按照各类业务的峰值速率的大小来为业务分配固定的带宽）共三种情况下的第二类SDN业务在轻负载和重负载下的分组丢失率，结果依次如图4﹑图5所示。

图5 重负载下各方法分组丢失率比较

轻负载时，如图4所示，3种方法的分组丢失率都几乎为0。

重负载时，由图5可知，由于静态分配方法2给业务分配了充足的带宽，其分组几乎没有丢失，而静态分配方法1业务分配的带宽数量有时不能满足业务需求，所以分组丢失的情况比静态分配方法2严重，且分组丢失率波动较大。此外，动态分配方法分组丢失率在大部分时间内低于静态分配1方法，稳定后基本是静态分配方法2的一半，且动态分配方法的分组丢失率有继续下降的趋势。

3.3 带宽利用率

通过仿真对比本文采用的动态分配方法和静态分配方法1（按照业务的平均速率的大小来为业务分配固定的带宽）﹑静态分配方法2（按照各类业务的峰值速率的大小来为业务分配固定的带宽）共三种情况下的第二类SDN业务在轻负载和重负载下的带宽利用率。

轻负载时，如图6所示，静态分配方法2在业务传输过程中经常有很大一部分带宽没有被使用，其带宽利用率低于另外两种方法。而静态分配方法1虽然提高了带宽利用率，但其波动性与动态分配方法相比较大。

图6 轻负载下各方法带宽利用率比较

重负载时，如图7所示。静态分配方法2的带宽利用率仍然较低，明显低于另外两种方法；静态分配方法1的波动性依然较大；动态分配方法的带宽利用率较高，且一直比较平稳。

图7 重负载下各方法带宽利用率比较

4 结 语

本文涉及的网络基于SDN/SDON的控制管理系统研制，以SDN业务为主，同时兼容非SDN业务。本文针对SDN和非SDN业务提出了一种服务控制技术，具有以下特点：

（1）能够对SDN业务和非SDN业务进行分类控制和管理；

（2）业务保障策略既可保证SDN业务传输的可靠性和可行性，也可保障非SDN业务的传输；

（3）SDN业务和非SDN业务在业务特点﹑建立方式﹑业务需求﹑流量特征等诸多方面存在差异，通过统一的服务控制技术，根据SDN业务和非SDN业务的不同需求控制网络资源，满足各种业务的性能要求；

（4）动态带宽分配可以有效提高业务服务质量和系统带宽利用率，并能接纳更多的非SDN业务，有效提高系统吞吐量，同时满足多业务的共同需求。

[1] McKeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks[C].SIGCOMM Comput. Commun. Rev.,2008,38(02):69-74.

[2] 樊勇兵,陈楠,黄志兰等.解惑SDN[M].第1版.北京:人民邮电出版社,2015:4-5.

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[3] 赵慧玲,雷葆华,王峰等.SDN核心技术剖析和实战指南[M].第2版.北京:电子工业出版社,2014:2-3.

ZHAO Hui-ling,LEI Bao-hua,WANG Feng,et al.Deciphering SDN:Core Techniques and Practical Guide[M].Second Edition.BeiJing:Publishing House of Electronics Industry,2014:2-3.

[4] 王俊,陈志辉,田永春等.软件定义网络技术在战术通信网中的应用研究[J].通信技术,2014,47(12):1392-1399.

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