程媛媛，董　辉，张晓光

(1.亳州职业技术学院信息工程系，安徽 亳州 236800；2.河北北方学院教育技术与信息中心，河北 张家口 075000)



基于局域网的软件定义网络技术研究

程媛媛1，董辉1，张晓光2

(1.亳州职业技术学院信息工程系，安徽 亳州 236800；2.河北北方学院教育技术与信息中心，河北 张家口 075000)

目的随着云计算等新技术应用的普及，需要一个庞大的网路环境支撑其大量的封包传递，而这种网路设定已超越传统人工设定所能负担的范围，为了解决此问题，由软件自动对网络装置进行维护，可以减少资源浪费。方法开发1套基于局域网的软件定义网路解决方案：Peregrine(虚拟移动网络)，主要提供3项核心技术，分别为网路虚拟化、动态路径规划及快速故障移转。结果可使CPU资源不浪费在处理封包之封装及解封装的动作，进而提升CPU使用效率及网路的产能，提高了带宽利用率及网络效能，通过简单的实际测试，证明Peregrine的动态路径规划技术在流量的负载平衡方面具有良好的效能。结论搭建网络环境较为容易，可有效提升CPU使用效率，且无需掌控所有设备的信息；可动态调整数据传输路径，快速恢复网路的连通性；可有效地将流量分散至整个网络上，达到流量负载平衡的目标。大幅降低网路设备的硬体成本并且可以应用到各种场所，扩大设备使用效率，为今后解决网络闭塞等应用问题提供了解决方案。

软件定义网络；网络虚拟化；动态路径规划；快速故障移转

0　前　言

近年来，随着虚拟化技术的成熟，在现代化数据处理中已开始大量采用虚拟化技术，用以动态满足使用者需求、自动化部署、移除或移动虚拟设备、降低复杂的处理程序，并提高资源的使用效率[1]。然而，在虚拟化技术带来诸多好处的同时，带来了许多新的挑战。在传统的网路中，网路管理人员可规划多个VLAN，来隔离不同群组之间的封包，也可在交换机上设定存取控制机制，来达到过滤封包的目的[2]。以往，这些设定都是经由网络管理人员，联机到每一台交换机上进行设定。网路环境越复杂，设定也将越繁琐。尤其是随着云计算及物联网等新应用的普及，这类应用必定需要一个庞大且复杂的网络环境来支撑其大量的封包传递，而这种网路设定已超越传统人工设定所能负担的范围[3]。因此，在此趋势下，由软件自动化地进行相关的网络装置设定与修改，已经是明显且迫切的需求，进而衍生出软体定义网路的概念。

1　国内外研究现状

在软件定义网络的技术中，网络虚拟化、动态路径规划及快速故障移转是3项非常重要的技术。

网络虚拟化在软件定义网络中，是一个非常重要的技术，通过该技术，多个租户可共享同1个实体网络，且彼此不会互相干扰。几乎所有的软件定义网路解决方案均支持该技术，例如VMware的NSX、IBM的DOVE、NEC的VTN及Microsoft的VL2等[4]。此外，大部份公司采用Tunnel技术实现网路虚拟化。

动态路径规划是软件定义网络的一项重要技术，在传统网络中，根据不同的生成树协议，例如SpanningTreeProtocol或RapidSpanningTreeProtocol，可在网路环境中建立1棵SpanningTree，用以防止广播风暴(BroadcastStorm)，并使实体或虚拟服务器之间通过该SpanningTree传输资料。然而，在数据中心，服务器间的数据传输非常频繁，服务器的数量越多，传输量越大，此时，该SpanningTree将成为网路传输效能的瓶颈[5]。为了改善网路传输效能，Cisco提出MultipleSpanningTreeProtocol技术，希望通过建立多棵SpanningTree，让流量分散至不同的Tree上。其概念是将VLAN分组，属于同一群组的VLAN共用同一棵SpanningTree，因此，流量将被分散至不同的Tree上。然而，MSTP所支持的群组数量并不多，且共用同一棵Tree的VLAN依然无法负载平衡。所以，无论是何种生成树协议，均以分散式的方式产生SpanningTree。网络管理人员无法自己挑选服务器之间的数据传输路径，而这与软件定义网络的宗旨相互违背，因此，现存于交换机上的各种生成树协议，并不适用于软件定义网络的解决方案。

在网络环境中，网络设备故障将导致联机中断，而中断时间过久会使得很多应用不能使用[6]。因此，当网路设备发生故障后，如何在短时间内恢复网络的连通性，是软件定义网络中一项重要的研究。

2　Peregrine软件定义网络技术

本节主要介绍Peregrine软件定义网路解决方案。首先介绍其所适用的网络环境，接着，分别针对3项核心技术进行说明。

图1　Peregrine所适用的网络环境

2.1网络环境

在Peregrine所适用的网路环境中，需存在多台实体服务器与Ethernet交换机。每一台实体服务器上，须安装开放原始码的虚拟OpenFlow交换机。因此，如图1所示，所有的Ethernet交换机将被虚拟OpenFlow交换机包围，且所有由服务器所发出的封包，必定将先经过虚拟OpenFlow交换机，接着才会流进由实体Ethernet交换机所构成的网路[7]。Peregrine可通过设定虚拟OpenFlow交换机上的FlowRule，及实体Ethernet交换机上的VLAN配置，控制封包的流向。

Peregrine运行在OpenDaylightController上。通过Controller，Peregrine可经由OpenFlow协议设定FlowRule至虚拟OpenFlow交换机上。为了控制Ethernet交换机，下面将针对Peregrine所提供的3项核心技术进行介绍。

2.2网络虚拟化

根据上面所述，Peregrine支持OpenStackNeutron，根据Neutron的定义，每个租户可建立多个网路(network)，且每个网路被视为1个广播区域。基于此定义，Peregrine的网路虚拟化技术的中心思想为：替每个租户建立的网路分配1个VLANID，通过VLAN天生的特性，即可达到网络虚拟化的目标[8]。例如，考虑一租户A为一间大型企业，其可替企业下属的会计、市场部或信息等部门分别建立1个网路，而Peregrine将替每个部门各自分配1个VLANID，并在交换机上进行VLAN的相关配置，因此，每个部门计算机所发出的封包将各自携带其专属的VLANID[9]。即使所有部门均共享同1个实体网络，其所发送的信息依然可通过交换机上VLAN的配置，将信息进行隔离，让每个部门的用户都可以实现网络数据传送。

图2　VLANTree的边

所以，Peregrine的网路虚拟化技术是利用VLAN天生的特性，故可有效达到网路虚拟化的目标。与Tunnel技术相比，本技术可让CPU资源不浪费在处理封包之封装及解封装的动作，进而提升CPU使用效率及网路的产能。

2.3动态路径规划

图3　网络产能

为了将流量的负载平衡，不采用任何的生成树协议。其基本概念是为每一个VLAN计算1棵Tree，用以防止广播风暴，且为了将流量分散至整个网络环境中，所有的VLANTree将尽量不使用相同的交换机链路，因此当网络环境中存在足够多的链路时，任一条链路最多只会成为1棵VLANTree的边[10]。如图2所示，考虑一网路环境存在A至G7台实体Eth-ernet交换机，与VM1至VM10共10台虚拟服务器。其中，VM1、VM4、VM7及VM8属于蓝色的VLAN，而剩余的虚拟服务器则属于绿色的VLAN。Peregrine所开发的动态路径规划技术，会为2个VLAN各自计算1棵Tree，且若网路环境中存在足够多的交换机链路，则2棵树将不会使用相同的链路，因此，可分散2个VLAN的流量，进而提升带宽利用率及网络效能。

2.4快速故障移转

在管理网路方面，Peregrine以In-band控制的方式管理网路。Peregrine通过Controller所下达的指令，将通过ControlPlane网路送至网路装置；服务器间的资料交换，则是通过DataPlane网路(即由动态路径规划技术所产生的Tree)进行传输。因此，当某条链路或某台交换机故障时，Peregrine所开发的快速故障移转技术，将优先修复ControlPlane网路，之后才修复受影响的VLANTree。其基本概念是替ontrol及DataPlane网路事先计算备用方案，当网路设备故障时，Peregrine即可根据相对应的方案，进行网路修复的动作。

首先，Peregrine替每一个动态路径规划技术所产生的VLANTree，事先计算所有可能的备用方案(BackupSolution)。此方案的目的在于，当网络因某条链路或某台交换机故障，导致1棵Tree分裂成2棵以上的Tree时，可将所有的Tree重新修复成1棵VLANTree，以恢复该VLAN的网路连通性。

为了量测Peregrine的动态路径规划技术的效能，首先让所有的流量通过相同的Tree进行传输，用以模拟使用STP或RSTP的网络环境。然后，启动Peregrine动态路径规划技术，重新规划服务器之间的路径，以此观察本技术的效能。图3显示4个Receiver随着时间的推移，所量测出的网络产能。其中，在前26 s使用相同的Tree进行传输时，4个Receiver所测出的网路产能大致落在250～550 Mbits·s-1的范围内，原因是所有的流量均挤在同1棵Tree上，导致该Tree成为网络传输效能的瓶颈。然后，于第26 s启动Peregrine动态路径规划技术。此时，可明显的发现4个Receiver所测出的网络产能均开始提升，最后达到900 Mbits·s-1左右，与前26 s相比，效能提升约1倍。其中，在第26～27 s时，4个Receiver所测出的产能往下降，因为此时Peregrine正将其计算后的结果布署至网络设备上，故会造成封包丢失的情况，导致该段时间网络产能下降。

通过简单的实际测试，证明Peregrine的动态路径规划技术，确实在流量的负载平衡上，具有良好的效能。当Peregrine完成所有的开发与功能测试后，本实验将会进行更加深入且完善的效能分析。

3　结　论

本文所介绍的Peregrine，针对传统以太网络，开发1套软件定义网络解决方案，主要提供3项核心技术，分别为网络虚拟化、动态路径规划及快速故障移转。在网络虚拟化部份，本技术可有效提升CPU使用效率，且无需掌控所有设备的信息，故适用的场景更加广泛；在动态路径规划部份，本技术不依赖特殊硬设备，可动态调整数据传输路径；在快速故障移转部份，相较于传统技术以秒为单位的修复速度，本技术可于300 ms的时间内，恢复网路的连通性。此外，与其它软体定义网路技术相比，Peregrine系统无需使用实体的OpenFlow交换机，仅需使用目前主流的Ethernet交换机，即可搭建一个软件定义网络的环境。

[1]曹小娜.Peregrine智能整合UltraCMOS技术突破RF性能屏障[J]世界电子元器件,2015，(02)：45-48.

[2]袁广翔.软件定义网络技术发展与应用研究[J].现代电信科技,2013,(04)：45-50.

[3]张顺淼.基于软件定义网络的MPLSTE和VPN网络实现方法[J].福州大学学报：自然科学版,2015，(03):340-344.

[4]马健，董辉，朱庆友.基于面向多对象的网络化信息安全风险评估算法研究[J].菏泽学院学报，2015,37(05)：36:41.

[5]孔欣，李清平.基于Packet Tracer的跨路由器实现VLAN间通信及分析[J].现代计算机，2010，(01):126-129.

[6]卢伟，孟婥，孙以泽，等.基于以太网的传感器数据传输可靠性设计[J].计算机工程与设计，2015,36(11)：2910-2914.

[7]曹剑文.网络应用协议识别研究[J].电子技术与软件工程，2015,(09):36.

[8]裘莹，李士宁，徐相森，等.传感器网络邻居发现协议综述[J].计算机学报，2015,(38):2-6.

[9]李泽琦.Ethernet/IP协议的分析实现及在工厂信息化中的应用[J].电脑知识与技术，2015,11(27):24-25.

[10]邬春学，杨洋，杨桂松.基于距离和能量感知的WSN非均匀分簇路由协议[J].数据通信，2015,(05):39-45.

[责任编辑：王荣荣英文编辑：刘彦哲]

LAN-Based Software-Defined Network Technology

CHENG Yuan-yuan1,DONG Hui1，ZHANG Xiao-guang2

(1.Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou,Anhui 236800,China;2.Hebei North University,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

ObjectiveWith the popularity of cloud computing and other new applications,it requires a giant network environment to support its large number of packets transmitted,and this goes beyond the traditional network range manually affordable.To solve this problem,a software was developed to automatically maintain the network device and reduce the waste of resources.MethodsThis paper developed a LAN-based software-defined networking solution:Peregrine(mobile virtual network),which mainly provided three core technologies,namely,network virtualization,dynamic route planning and fast failover.ResultsThe technology allowed CPU resources not to be wasted in the operation of packaging and unpackaging,thus enhancing the efficient use of CPU and network capacity and improving bandwidth utilization and network performance.By simple practical tests,the Peregrine dynamic path planning demonstrated a good performance on balance of traffic load.ConclusionIt is easy to build the network environment with which the CPU efficiency can improve effectively without control of the information for all devices.And the network can dynamically adjust the transmission path of data and quickly recover the web connectivity,thus effectively dispersing traffic to the entire network and achieving the goal of balancing the traffic load.Thereby significantly reducing the cost of network hardware devices,applying to a variety of places and expanding the equipment efficiency provide a solution for future application problems,such as network occlusion,etc.

software-defined network;network virtualization;dynamic path planning;fast failover

2013年安徽省教育厅质量工程项目(2013sxzx055)；2014年安徽省教育厅大规模在线开放示范项目(2014mooc074)；亳州职业技术学院院级课题：“基于遗传模拟退火指数平滑模型的中药材价格预测研究”(BYK1511)；亳州职业技术学院软件技术专业综合教改项目及2016安徽省高校自然科学研究项重点项目(KJ2016A493)

程媛媛(1986-)，女，安徽亳州人，助教，主要从事数据挖掘、网络方面的研究。

TP 393

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.09.004