软件定义网络的模型研究

　　1 前言

　　随着互联网的快速发展，当前互联网面临着许多重大技术挑战，如地址空间濒临枯竭、服务质量无法有效保证、网络安全难以根本解决、网络管理手段匮乏等问题。设计新型网络体系结构以解决当前网络所存在的问题已经成为学术界、中国论文网产业界和运营商的迫切需要。软件定义网络(Software DefinedNetworking, SDN)在此背景下被提出。

　　尽管SDN 是目前网络界的研究热点之一，但是当前研究主要集中在SDN 技术设计方面而对SDN 的基础理论研究较少，导致学术界、产业界等对于SDN 网络的设计缺乏理论支持：在SDN 网络模型研究、SDN 控制平面抽象、SDN 数据平面抽象方面还需进一步研究。因此，对新型软件定义网络SDN 进行模型研究十分重要且必要。

　　2 国内外研究现状分析

　　2.1SDN 网络抽象模型

　　软件定义的网络(SDN)是一种新型的网络体系结构, 通过将网络控制与网络转发解耦合，开放底层网络设备为网络提供高度的可编程性。为了使网络设备的转发和控制解耦合，网络设备需要向控制层面提供可编程的接口，即一般所称的南向接口(Southbound Interface)。目前的SDN 所默认的南向接口，同时也是第一个得到标准化的南向接口，即OpenFlow。

　　OpenFlow 在数据层面最为核心的特征是数据报文触发事件和细粒度的流转发。这两个特征使得控制程序可以以一种非常简单直接的方式操作报文。这种模式激发了大量基于OpenFlow 的应用，如数据中心的流量调度，负载均衡，试验床，移动，安全等等。中国论文网同时，由于SDN 采用逻辑集中的控制平面进行网络的全局管理，为了使SDN 具有更好的可扩展性，研究者在此方面展开了大量的研究。

　　当前对软件定义网络的研究主要集中在技术设计方面，而对SDN 网络模型的研究相对较少。基于SDN 网络，面向移动云管理系统进行OpenFlow 控制器的设计，并采用面向对象的方法进行可编程网络模型的建模，给出了OpenFlow控制器的具体设计方法。M. Jarschel 通过仿真的方法对采用OpenFlow 交换机的SDN 网络进行了性能评价，并给出了数据包在SDN 网络中的逗留时间以及数据包的丢失率等指标。A.Bianco 对软件定义网络的数据平面进行了性能评价，并对比了通过OpenFlow 交换、通过两层以太网交换、以及通过三层IP路由进行交换的性能。F. Omar 提出了一个性能模型用于帮助选择一个更好的映射而不会给网络处理器带来对所有映射进行比对的负担。D. Alisa 针对当前ONF SDN 模型的弱点，通过控制SDN 的启动设置以及对OpenFlow-config 进行扩展，提出了一个SDN 网络的适用性模型。

　　2.2SDN 控制平面建模与优化

　　当前SDN 控制平面的研究主要包括控制器软件实现、基于OpenFlow 封装的北向接口(Northbound Interface)设计和基于网络最大转发效率的流调度。在控制器软件实现方面，最重要的功能已经不再是简单地对网络中的设备和数据进行控制，而是转而为网络应用提供控制网络的编程接口，以便根据不同的应用需求进行灵活的处理。NOX、Beacon 和Maestro 三个系统可以看作一类，它们是集中式控制的代表，功能上大同小异，比较明显的区别在于后两者提供了多线程的支持，但是NOX 也存在加入了支持多线程的开发分支。Hyperflow 是部署在集中式控制系统上的分布式扩展补丁，由于需要大量的控制通信，因此其应用规模受到了限制;Onix 是较新出现的分布式网络操作系统，在规模化上具有较大的优势;和前面几类基于事件的控制系统不同，Onix 系统中应用程序需要主动拉取数据。

　　在以网络为中心的转发资源分配方面，以网络资源利用最大化程度为目标，将不同控制应用生成的控制规则统一对待，相当于是一个控制应用处理不同流量。流量关心的流卸载(Traffic-aware Flow Offloading, TFO)利用流量的Zipf 特征，选择不同时间尺度的最流行的流量(the most popular flows)下发到交换机中，卸载大部分的流量利用交换机转发，而小流从控制器转发，实现数据平面处理流量的最大化。通过将控制和全局可视化解耦，DevoFlow 监测(detect)和控制“重要的流(significant flows)”，同时采用规则克隆和本地行为机制实现将控制转移(devolve)到交换机，减少了控制的负载(overhead)。

　　2.3 SDN 数据平面抽象

　　斯坦福大学Nick McKeown 教授所在团队于2008 年提出OpenFlow 协议。OpenFlow 是SDN 技术的一个实例。SDN 网络主要由开放设备OpenFlow Switch、集中管控控制器Controller和它们之间的通信协议OpenFlow 协议三部分组成。

　　OpenFlow 的基本思想是将传统网络设备中的快速报文转发部分(数据平面)和逻辑路由决策部分(控制平面)进行分离，数据平面驻留在网络设备内部，而控制平面则从网络设备移出集中至控制服务器，双方通过标准化的消息接口来进行通信。中国论文网同时，在数据平面，设计了新的硬件形式---- 流表(FlowTable)，作为原网络设备数据平面功能的一个微缩，提供给外界进行使用，外界可管控的数据平面统一为Flow Table 形式;在控制平面，网络设备的控制逻辑采用集中式分析、计算和运行，通过标准化的消息方式将控制指令发送给设备，实现对设备的远程控制，以完成传统分布式网络运行模式下的基本功能，如报文接收、报文转发、修改转发表、获取设备状态等。

　　IETF 定义的控制转发分离协议ForCES(Forwarding andControl Element Separation) 是一种新型网络设备的架构。它在一个网络单元内分离控制平面和转发平面，一个网络单元内允许存在多个控制单元和转发单元，并且定义了控制单元和转发单元之间的标准通信接口。ForCES 的设计初衷在于设备的转发控制分离，侧重于现有功能的建模，而不是用来创造新的网络特性。ForCES 中网络架构没有被改变，两个ForCES 网络单元间的接口仍然使用传统的路由器间的接口，ForCES 网络单元能够透明地连接现在的路由器，且用分布式协议来实现控制功能。

　　为了在传统路由器硬件基础之上支持软件定义网络，清华大学提出了OpenFlow+ 数据平面转发抽象技术。OpenFlow+ 针对OpenFlow 在IPv6 扩展、网络感知能力等方面的不足，在OpenFlow 协议基础上进行扩展使其支持IPv6 功能，同时在现有硬件基础上实现，可以根据不同用户的不同需求实现对报文和网络状态的感知。

　　国防科技大学提出的LabelCast 协议通过在传输层增加LabelCast 报头，通过标签机制在传输层建立点到多点的传输路径，并可标识报文的优先级、预留带宽等信息。该协议采用集中控制的方法，由调度中心管理用户的加入和退出，维护和更新每个LabelCast 节点的标签表，为每个节点分配标签，建立转发路径。每个LabelCast 节点根据报文携带的标签号确定本地的处理行为，查找转发表确定下一跳节点。

　　3 仿真结果

　　本文通过matlab 软件编程仿真实现，系统参数如下：

　　信道速率：12.4kbit/s SIFS：20us ACK 长度：112bit

　　话音速率：2.4kbit/s DIFS：50us 允许最大时延：150ms

　　分组到达速率：20 包/s

　　仿真了节点数与丢包率的关系。为在最小冲突避免窗口为32 时，节点数与丢包率的关系，可以看出随着节点数的增加丢包率在增加，话音丢包率以0.01 为最高容忍值，可以看出采用基本接入方式，信道最多可以支持3 个节点同时传输话音。中国论文网当传输话音节点数超过3 时，丢包率急剧增加。

　　4 结论

　　文中通过建立802.11 DCF 机制的马尔科夫数学模型，分析仿真了话音业务下节点数与丢包率的关系。仿真结果表明，DCF 机制并不能有效支持无线局域网的话音业务。文章对于研究改进DCF 机制，支持无线局域网的实时话音业务的应用具有一定的借鉴意义。