摘 要： 為了解決云服務(wù)中客戶端傳輸流量過(guò)大或者突發(fā)流霸占服務(wù)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞、服務(wù)性能降低問(wèn)題，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）架構(gòu)運(yùn)用于云服務(wù)流量控制，并提出了一種基于SDN的云服務(wù)流量控制方法。該方法基于SDN架構(gòu)中流表的特點(diǎn)，通過(guò)承諾速率與實(shí)際訪問(wèn)速率的比對(duì)關(guān)系對(duì)連接請(qǐng)求進(jìn)行分類、修改流表、劃分優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)不同的請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)來(lái)處理服務(wù)，以此控制整個(gè)服務(wù)系統(tǒng)的流量，從而降低整個(gè)服務(wù)過(guò)程的時(shí)延。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)延，對(duì)云服務(wù)質(zhì)量有顯著提高。
關(guān)鍵詞： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)；云服務(wù)；流量控制；SDN控制器；流表
0 引言
隨著社會(huì)的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類生活品質(zhì)提升，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型（FTP、P2P、Web等業(yè)務(wù)）要求多元化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求也越來(lái)越高，而云計(jì)算平臺(tái)是開(kāi)放并面向大眾的，這意味著其用戶數(shù)將極其龐大，這些用戶運(yùn)行的工作流數(shù)量也將極為龐大，因此云計(jì)算中網(wǎng)絡(luò)資源被急劇消耗而出現(xiàn)不足現(xiàn)象。解決這個(gè)問(wèn)題最簡(jiǎn)單直接的方法就是增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，但是該方法需要升級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在資金有限的情況下，顯得并不可??；此外該方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量改善較小，而且從實(shí)現(xiàn)上看控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面都運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，給網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)的管理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。
在這種情況下基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)誕生。而SDN是一種基于軟硬件控制與分離的技術(shù)架構(gòu)，支持集中化的網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施對(duì)上層應(yīng)用的透明，具有靈活的軟件編程能力，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的方式，可以靈活滿足云服務(wù)中不同用戶的應(yīng)用需求[1]。
1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成
SDN架構(gòu)如圖1所示，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分成3層：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)高效轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集，由大量OpenFlow交換機(jī)構(gòu)成，而OpenFlow交換機(jī)其核心是由12元組構(gòu)成的流表匹配域，如圖2所示，支持定義的信息流從第1層到第4層關(guān)鍵信息的匹配；控制層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)平面資源的統(tǒng)籌、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)和狀態(tài)信息記錄與更新等；應(yīng)用層負(fù)責(zé)各服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的加載與開(kāi)展[2]。
2 云計(jì)算中基于SDN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
將SDN架構(gòu)應(yīng)用于云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)是由于數(shù)據(jù)流量大，交換機(jī)層次管理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，服務(wù)器和虛擬機(jī)需要快速配置和數(shù)據(jù)遷移。將OpenFlow交換機(jī)部署到云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化、流量控制和負(fù)載平衡等功能，從而進(jìn)一步增加云計(jì)算中心的可控性。
2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化及多租戶支持[3]
網(wǎng)絡(luò)虛擬化在云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展中起著重要作用。而SDN架構(gòu)不僅具有可編程能力，而且可以隨時(shí)加載用戶需求的各種應(yīng)用模塊，識(shí)別不同租戶的網(wǎng)絡(luò)流量，同時(shí)突破虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)個(gè)數(shù)的限制，支持大量相互隔離的租戶網(wǎng)絡(luò)分配虛擬數(shù)據(jù)中心，還能根據(jù)資源需求和網(wǎng)絡(luò)策略按需分配[4]。
2.2 網(wǎng)絡(luò)靈活控制
基于SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)大多基于盡力而為的服務(wù)方式，通過(guò)OpenFlow協(xié)議能夠探測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋅感知底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓⒘髁繝顩r，在控制面建立并維護(hù)一個(gè)整網(wǎng)的拓?fù)湟晥D、負(fù)載表，從而SDN控制器能夠根據(jù)每個(gè)虛擬機(jī)所在的位置計(jì)算出每?jī)蓚€(gè)虛擬機(jī)之間的最佳路徑，使流量按最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)、按需分配。
2.3 運(yùn)維簡(jiǎn)單
SDN架構(gòu)將交換機(jī)與路由器從固化且需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)模式中解放出來(lái)，使其功能更加專一，而應(yīng)用的靈活性則不斷打破了廠商的壁壘，降低了維護(hù)成本。
3 基于SDN流量控制方法的提出
網(wǎng)絡(luò)流量控制主要方法有3種：源端控制、目的端控制和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中控制。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要實(shí)現(xiàn)以上控制需要添加大量協(xié)議，而且配置復(fù)雜，而基于SDN的架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持定義的信息流從第1層到第4層關(guān)鍵信息的匹配，可以輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。
本文鑒于SDN架構(gòu)中流表的特性，并借鑒傳統(tǒng)的單速率雙色標(biāo)記令牌桶算法[5-6]，將流表當(dāng)作令牌桶中的令牌，通過(guò)對(duì)流表的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中流量的控制，根據(jù)這個(gè)思想，提出基于SDN流量控制方法。
3.1 基于SDN的云服務(wù)流量控制方案設(shè)計(jì)
如圖3所示，基于SDN的云服務(wù)流量控制方案包括三大部分：第一部分是由服務(wù)器和客戶端組成的各個(gè)底層對(duì)象；第二部分是由OpenFlow交換機(jī)組成的OpenFlow數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)；第三部分是由SDN控制器組成的數(shù)據(jù)決策平臺(tái)。
圖3中控制器主要功能模塊由三個(gè)單元組成：流量檢測(cè)、流量計(jì)算和流量管理（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）
（1）端到端的流量檢測(cè)模塊
在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，只能通過(guò)端口鏡像的方式復(fù)制某條鏈路的全部流量，這種手段的弊端之一是檢測(cè)流量極大[7]。然而SDN架構(gòu)可以對(duì)流量做到端到端的準(zhǔn)確監(jiān)控，可以根據(jù)定位想要檢測(cè)的端口以及相對(duì)應(yīng)的流將其復(fù)制出來(lái)后發(fā)送給控制器相對(duì)應(yīng)的流量計(jì)算模塊。
（2）快速流量計(jì)算模塊
快速流量計(jì)算模塊在該設(shè)計(jì)中比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可以直接接收流量監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，快速統(tǒng)計(jì)出各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量狀況；再根據(jù)服務(wù)的狀態(tài)和各處流量狀況全局化合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊提供判斷依據(jù)。
定義1 實(shí)際平均服務(wù)速率V（t），公式如下：
其中，Loadi（t）代表在t時(shí)間間隔內(nèi)流表i上的已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量，N是OpenFlow交換機(jī)中處理該客戶端服務(wù)的所有的流表數(shù)目。
?。?）靈活的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊是整個(gè)流量控制系統(tǒng)的核心，它通過(guò)前面的計(jì)算模塊得到了流量控制決策，該模塊就是由OpenFlow交換機(jī)流表匹配狀態(tài)執(zhí)行流量控制實(shí)體。
定義2 承諾服務(wù)速率δ（t），數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)判斷決策為：當(dāng)V（t）≤δ（t），不進(jìn)行流控，執(zhí)行正常的服務(wù)流量轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)V（t）>δ（t），超過(guò)的流量都會(huì)采取已經(jīng)設(shè)定的動(dòng)作，即執(zhí)行標(biāo)記流表轉(zhuǎn)發(fā)決策。
3.2 基于SDN的云服務(wù)流量控制流程
基于SDN的云服務(wù)流量控制方法流程如圖4所示。
4 對(duì)比測(cè)試及結(jié)果分析
測(cè)試環(huán)境為：Ubuntu11.04（Linux 2.6.38內(nèi)核），Inter Pentium Dual E2180處理器、512 MB內(nèi)存的主機(jī)，100 M以太網(wǎng)卡及Pox1.0控制器，在Linux系統(tǒng)下的OpenFlow Vswitch上實(shí)現(xiàn)了該流量控制方法，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。
為了模擬真實(shí)環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)主機(jī)做客戶端、一臺(tái)主機(jī)做服務(wù)器的測(cè)試結(jié)構(gòu)，并改變發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，記錄服務(wù)時(shí)延，結(jié)果如圖5所示。
由圖5可知，加入SDN架構(gòu)及算法后時(shí)延明顯優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)，而時(shí)延在100 Mbit之前一直比較穩(wěn)定，并維持在非常良好效果。在服務(wù)器負(fù)載量大于100 Mbit之后服務(wù)器性能開(kāi)始下降，特別是在500 Mbit之后，性能下降明顯，在傳統(tǒng)架構(gòu)中服務(wù)器時(shí)延急劇上升，而基于SDN架構(gòu)的服務(wù)流量控制方法對(duì)流量起到了有效的控制，時(shí)延曲線比較緩和，算法開(kāi)始體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
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