基于SDN的IP网络流量调度

徐延林

数字广东网络建设有限公司   广东省广州市越秀区   510030

摘要：着互联网业务的不断发展，用户对网络带宽的需求迅速增长，通信网络运营商需要定期对骨干网进行扩容以满足业务需求。但是由于不同区域和不同时段对网络需求的不均衡，会导致业务流量存在波动性和突发性。从IP网络的角度来看，传统网络在流量控制、路由优化、业务差异化调度等方面面临挑战。传统的分布式路由计算网络架构难以满足日益增长的网络业务和质量要求。本文分析了SDN在IP网络流量调度中的运用。研究其应用价值，旨在为网络技术的发展提供参考依据。

关键词：SDN；IP网络；流量调度；承载网络

随着城域网通信业务的不断增加，如何提高网络通信的传输速率与用户的体验，既需要服务商为用户提供多种业务，还需利用灵活多样的组网网络，才能满足通信业务不断增加的要求，在这种全业务运营的环境中，需要利用新技术来实现固定网络与移动网络的综合承载，发挥移动网络与固定网络资源的协同效应，实现二者的协同发展，成为业界关注的热点问题。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，加快技术创新和业务部署，从而打造一个开放智能高效的移动网络。

1、城域综合IP承载网络架构参考体系

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）具有软件控制与资源转移等特征，将网络数据面和控制面分离，主要功能是利用软件控制方式实现网络管理，并能将移动网络通信中控制逻辑与固定网络有效地结合在一起。SDN技术的控制器，可以有效的捕捉整个通信网络的动态转发表、网络的全局静态拓扑、移动网络通信的故障状态以及移动通信网络中的资源利用效率等情况，并能结合网络通信的具体业务需求，可以对资源进行统一优化与配置。利用SDN的可编程技术，可以利用其来部署网络的通用硬件与高级软件来代替移动通信网络中的昂贵的通信设备，进而解决不同设备制造商之间的不兼容的状况，结合城域通信网络构建的需要，设计如图1所示的基于城域综合IP承载网络架构。

1）Web UI/服务系统/资源系统/综合网管。是对网络资源进行综合管理，系统的API北向接口与城域网编排器连接，优化城域网综合能力，系统采用第三方应用API编程接口，便于第三方业务接入到系统中，提高系统与外部网络的通信效率。

2）城域网业务编排器。它的功能是通过北向API接口与上层服务系统连接，实现网络资源的调用，提高用户之间的数据交换能力，通过南向API接口与城域综合IP承载网控制连接，合理地调用网络通信资源，以快速的实现城域网络内的资源实时调动与网络资源的自动分配管理。

3）城域综合IP承载网控制面。城域网的业务包括多个层次，主要有网关业务汇聚控制MSG-C系统、移网控制面设备S/PGW-C系统以及软件管理SDN控制器等，主要实现对城域网络的资源调配与业务的集中控制。

4）城域综合IP承载网转发面。在SDN架构体系上，利用SDN的可编程功能，对IP承载网的数据转发与控制进行管理，在承载网的数据转发功能上，实现用户数据包的转发与处理控制，并能将多种设备连接在一起，提高网络承载能力。

5）城域综合IP承载网接入网。主要功能是负责对城域内的固定通信网络以及无线移动通信数据接入与控制。

2、基于SDN的IP网络流量调度

2.1 流量均衡调度

在IP WAN中，由于用户分布不均和服务的多样性，不同链路承载的用户和业务存在较大差异，因此会经常出现链路流量不平衡的情况。情况严重时，会造成部分线路发生拥塞，部分线路仍处于轻负荷的状态。这种现象很容易出现在国际互联电路、国内运营商与国内骨干网省级电路之间的互联电路场景中，网络流量的不均衡涉及到路由、流量和业务级别等诸多复杂因素。这种复杂性一方面造成用户服务质量的抖动或下降，另一方面影响网络链路的效率，因此，它一直是困扰运营商的难题。

2.2 信号IP的切换

这里所说的切换就是节点的信号选择和变化过程。在SDI（数字分量串行接口（Serial Digital Interface））矩阵交换系统中，矩阵面板发送交换命令后，矩阵交点将信号源总线与相应的输出总线连接起来，SDI信号沿着电子电路到达目标设备。在信号IP网络中，信号交换是由目标节点来实现的，也就是说依赖于外围设备。在IP网络中，为了将信号切换到目标节点(即信号接收设备)，由SDN控制器(稍后描述)控制目标节点，目标节点向支持该协议的交换机发送新的请求，交换机引擎向该节点发送新的请求，从而实现IP信号的切换。IP信号交换完成后，目标节点必须继续发送请求，以保持IP信号不间断。否则，交换机认为目标节点不再需要该信号，直接停止发送。从这个过程中，IP信号确实被目标节点交换。在信号IP网络中，外围设备不仅需要物理数据，还需要与SDN控制器交换指令。在网络方面，这两种数据可以组织成双网络、单网络和混合网络结构。目标节点如何知道何时更改请求以及请求哪个新地址?这就需要一个类似于SDI矩阵控制系统的控制器，即SDN控制器。

2.3 网络流量调度

尽管网络中引入NFV（网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization））和SDN是必然的趋势，但这种演变并不是立即发生的，每个网络都以不同的方式实现。现有的网络由多个为终端用户服务的网络应用程序组成，这些应用程序基于专用硬件，并且可以被广泛的终端用户通过接入层网络设施访问。为了应对越来越多的复杂业务，及时响应用户的服务需求，根据不同的需求合理分配带宽，保证时延在用户要求的范围内，传统的网络很难满足这些要求。然而，SDN和NFV的特性可以满足网络的特殊需求。

对于大量的移动终端用户、不可预测的应用程序和快速变化的流量模式，一些网络功能被虚拟化，而另一些则保留在物理网元中。例如，通过SDN与NFV，结合网络流量控制策略，可以使得工作时间内，企业网络流量主要为实时语音和视频通信，夜间主要为数据备份和数据统计系统流量。

2.4对SDN+IP 在生产域的思考

IP在压缩传输领域得到了很好的推广和应用，带来的好处不必赘述。然而，IP能否取代SDI，能否满足生产领域对实时性、稳定性和方便性的要求，成为近年来争论最多的话题之一。基带视频IP作为一个新生事物，自然有一个从产生到成长、成熟到完善的过程。目前，还有许多问题没有解决。首先，由于IP网络采用面向面的组网方式，需要动态分解和构建链路，SDN控制器是网络不可避免的选择。即使选择了不需要SDN控制的传统交换机，外围设备也需要SDN控制器。第二，多个SDN控制器，不同品牌的SDN控制器，在一个大系统或级联系统中，需要一套公认的交互控制标准来实现协同控制，但目前还没有发布这样的标准。这将需要供应商共同努力并就一个标准达成一致，AIMS（IP媒体解决方案联盟）联盟有望加快IP标准化进程。第三，SDN控制器的核心原理是为每个协议端口指定一条路径，即“分流”。SDN的转移和SDI矩阵的切换确实导致了相同的目的地，因为这两种技术的本质要求是相同的。第四，IP网络，特别是多系统级联的复杂网络，为国内集成商和软件公司留下了巨大的市场空间，他们可以通过现场开发软件SDN来适应复杂的环境和用户的需求。目前，我国正在进行的几个IP项目都明确提出了对所有系统设备进行软件SDN综合控制的要求。第五，SDN和IP不是IT行业的专利。SDN和IP的背后是生产和创意的要求，包括内容的深度处理和精细化的技术流程，而这些都是细分行业中IP交换机制造商所不涉及的。第六，目前的IP单链路高达10Gbps，仍然无法承载未压缩的4K信号。目前尚无完善的“IP+4K+无压缩广播车”建设计划。

SDN是在互联网时代诞生的新式网络架构，对于提高网络流量管理效率具有重要的现实意义，以SDN为基础的网络流量工程依赖OpenFlow协议可以获取全网信息，仅需控制器就能够完成数据整理分析工作，无需额外增加硬件，大幅度降低了硬件设备成本。在实际应用中，基于SDN的流量工程还存在不完善之处，需要进一步深入研究，不断完善SDN网络的功能体系。

3、结语

从目前网络业务和网络应用的发展趋势来看，传统的网络运营模式已逐渐难以适应需求，降低了网络运营的反应速度和用户体验。因此，发展和演变传统的网络运营势在必行。SDN可以在传统IP网络的流量调度中发挥重要运用，特别是通过与NFV的结合与合作，可以显著提高网络运行的灵活性、智能性和经济性，以满足现代网络使用的需要。

参考文献：
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