毕业设计（论文）-软件定义光网络中时间相关的业务调度策略.doc

北京林业大学本科毕业论文(设计)软件定义光网络中时间相关的业务调度策略全套设计加扣3012250582 摘要随着大数据时代的到来，数据中心与光网络互联已经成为服务高性能数据中心应用的基础设施。针对日益提升的用户数量与高等级用户服务质量的需求，当前网络面临着全网控制复杂与资源利用低效等问题，支持数据中心资源与网络资源协同调度的跨层控制技术成为提升网络整体性能的关键，而软件定义光网络的灵活性与智能性恰巧为跨层优化提供了更加便捷的技术方案。基于上述现状，本论文围绕软件定义光网络中时间相关的业务调度问题，在网络控制架构和资源调度策略方面展开了深入研究。在数据中心内部光互联的场景中，针对时间敏感的资源调度问题，创新性提出了一种时间感知软件定义光网络跨层控制架构，将时间因子引入到该跨层控制架构中，提出考虑时间因素的业务调度策略，并将策略部署到控制器中，根据业务的时间敏感性在时间维度上弹性的分配资源，实现时间相关的业务调度。仿真显示该策略通过考虑时间因素，能够灵活高效的分配网络与应用资源，改善网络因资源瓶颈带来的阻塞和资源利用率低下等问题。关键词：软件定义网络，数据中心光互联，跨层优化，时间维度A Time-related Service Scheduling Strategy in Software Defined Optical NetworkAbstractWith the advent of big data era, datacenter interconnected with optical network become the fundamental infrastructure to serve the high-performance datacenter application. Current network is facing problems of complex control and inefficient use of resources for the increasing number of users with a high level quality of service requirements. Cross-layer control technology which support coordinated scheduling between datacenter and network resources has become the key to improve the overall network performance. The software defined optical network just providesawonderfulsolutionfor cross-stratum optimization because of its flexibility and intelligence.Based on the above situation, this paper carried out in-depth research on the network control architecture and resource scheduling strategy around the problem of time-related service scheduling in software defined optical network. A novel time-aware software defined optical networking architecture is proposed in OpenFlow-based intra-datacenter optical interconnection scenario to solve the problem of resource scheduling in this paper. A time factor is introduced into the cross-stratum optimization. In the controller, a time-aware service scheduling strategy is introduced and deployed, which allocates resources for datacenter service in time dimension according to the various time sensitivity requirements. Simulation results show that the strategy can offer flexible network and application resources allocation to realize lower blocking ratio and higherresourceutilization rate.Key words：software defined optical network, datacenter optical interconnection, cross-stratum optimization, time dimension目录1 绪论11.1 研究背景11.1.1 软件定义光网络的发展背景11.1.2 软件定义网络在光网络中的应用31.1.3 软件定义光网络中时间相关的业务调度问题41.2 国内外研究现状及发展愿景61.2.1 软件定义光网络的研究现状61.2.2 软件定义光网络的发展愿景72 时间感知的软件定义光网络跨层控制体系设计82.1 Ta-SDON跨层控制体系的网络架构82.1.1 Ta-SDON跨层控制体系的模型结构92.1.2 Ta-SDON跨层控制体系的接口协议扩展112.2 Ta-SDON跨层控制体系功能的实现流程142.3 Ta-SDON跨层控制体系平台搭建153 时间相关的业务调度策略163.1 基于时间维度的跨层资源模型163.1.1 基于时间维度的网络资源173.1.2 基于时间维度的数据中心应用资源183.1.3 数据中心应用与基于时间维度的跨层资源193.2 跨层资源预留算法203.2.1 频谱-时间分配算法213.2.2 跨层资源预留算法233.3 时间相关的业务调度策略254 仿真与结果分析264.1 仿真环境264.2 算法的程序实现274.2.1 模块功能实现274.2.2 主函数流程284.3 CSRR算法的性能度量指标295 结论及展望335.1 工作总结335.2 展望33致谢35参考文献36附录38IV北京林业大学本科毕业论文(设计)1 绪论为适应宽带业务与应用的发展，光网络需变得更加灵活可控。软件定义光网络（Software Defined Optical Network，SDON）是将软件定义网络（Software Defined Network，SDN）概念和技术应用于光网络，构建面向业务的新型光网络体系架构，应用前景广阔，代表着未来的光网络发展方向，但目前对软件定义光网络的研究尚处于初级发展阶段，仍面临很多挑战。本章综述了软件定义光网络的发展背景、发展现状与愿景，分析软件定义光网络中资源的调度和分配所存在的问题，并以此为出发点，阐述了软件定义光网络中时间相关的业务调度策略的研究意义。1.1 研究背景1.1.1 软件定义光网络的发展背景（1） 数据中心互联需求 随着云服务的快速发展，数据中心作为提供信息存储和信息处理能力的重要载体，是支撑新一代互联网应用的基础设施。用户数和业务量的激增导致数据中心规模持续增大，数据中心间信息流不断增长，高效高性能通信处理海量信息的需求愈发突出，亟待通过通信网络技术解决面临的这些难题，以完成数据中心的互联需求。传统上以电交换网络作为支撑的电互联由于在互联时延和交换容量等关键需求上面临严峻挑战，难以满足新型数据中心的服务需求1。超大容量、高带宽和灵活等优势使光网络成为服务大规模数据中心组网的关键技术。特别是灵活栅格光网络，灵活度高、弹性大等信道特征恰好可以满足高突发性、高宽带等数据中心网络的需求，将成为极具前景的光互联解决方案2。在宽带、时延等方面，光互联比电互联具有极大的优势3。但针对日益提升的用户数量与高等级用户服务质量需求，数据中心光互联也面临着规模扩展困难、资源利用低效等问题。在当前数据中心光互联网络架构中，缺乏统一有效的组网与控制方式，通过对异质资源的统一集成控制，完成数据中心与光网络的高效率异构组网，进而实施对由异构形成的跨层资源高效管理与利用，以降低服务响应时间与运营维护成本。这里的跨层资源包括数据中心应用资源与光网络资源。（2）现有光网络架构面临的挑战传统的骨干网分为两层：骨干路由器IP承载网（IP层）和骨干光传送网（光层），两层一直分别独立地发展，没有紧密的进行统一功能控制和数据调配，IP层看不到光层的网络拓扑和保护能力；光层也无法获取IP层的动态业务需求。光网络设备与业务强耦合，导致业务部署复杂，新业务开发周期长，无法适应业务及使用模式的快速变化和创新需求4。在全球信息化和ICT行业发展变革的浪潮之下，光网络的发展面临着新的挑战：网络流量快速增长带来的极大网络扩容压力；网络智能化水平不高带来的运维管理复杂；由于跨层域管控难度大无法适应网络融合的发展趋势；网络相对封闭，新业务开发慢，无法满足应用创新需求。传统的光网络架构控制复杂、业务提供智能化程度低、资源有效利用率低下等问题亟待解决。（3）软件定义网络的发展控制与转发紧耦合，使得传统的网络架构可控性弱，导致通信设备设计复杂、运营成本居高不下，并且构成统一网络管理平台的想法难以实现。为解决这些问题，基于软件定义的网络架构应运而生。近年来软件定义网络迅速发展，通过控制平面与数据平面的分离，将底层网络设施与网络应用抽象分离开来，降低了网络管控的复杂度，使网络软件化并充分开放化，实现构建可管理、可编程的、可动态改变的网络。开放网络基金会（Open Network Foundation，ONF）率先引领SDN标准化，将SDN 架构自下而上划分为3 个层面。如图1.1所示，分别是基础设施层、控制层和应用层。应用层指多种多样的业务和应用，是各层中最接近用户的层，负责交付交换机/网络虚拟化、防火墙等服务。控制层的主要工作是处理数据平面资源的编排，维护网络状态信息和拓扑，SDN控制器是整个SDN架构中最重要的部分。最底层是物理层，由各种物理设备构成，主要负责基于流表的数据处理、转发以及状态收集。SDN网络架构提供南向和北向的可编程应用程序接口（Application Programming Interface，API）。控制层集中维护网络状态信息，通过北向接口为应用层提供网络服务，通过南向接口转发平面的网络抽象来构建全局网络视图5-7。图1.1 SDN架构的逻辑视图Fig.1.1 The logic of SDN architecture view面对光网络智能性的需求，业界开展了长期的探索与实践。到目前为止，智能光网络经历了三个重要的发展阶段，即自动交换光网络（Automatically Switched Optical Network，ASON）、基于路径计算单元（Path Computation Element，PCE）的光网络、软件定义光网络，实现了由“分布式”控制平面向“集中式”控制平面的发展8-10。将SDN技术从数据网络领域延伸至光网络领域，通过在光层引入基于软件定义的智能网络，使光网络体系架构具备用户业务、传输质量感知的能力，由此变得更加灵活，从而进一步释放光网络的带宽潜能，促进网络与业务的深度融合。1.1.2 软件定义网络在光网络中的应用软件定义光网络架构分为三个层面：控制、应用、转发。控制层是核心，主要实施业务连接控制、网络资源管理、网络资源抽象、路由计算和虚拟化，以及各种基于策略的网络管控等功能，并向上层应用提供网络服务。由于控制器的可扩展性和多域多厂商的组网需求，在控制层引入分层控制结构，由协调层控制器负责跨厂家、跨技术/管理域的协同。应用层中的应用如按需带宽业务（Bandwidth on Demand，BOD）、数据中心光互联等，通过调用控制层提供的北向接口，对网络实施操作，提供各种光网络业务。转发层主要负责光网络业务的传送与交换。SDON对光设备的可编程能力提出了新的要求，未来将会逐步引入和应用一些灵活可编程的物理层和转发技术。与数据网络相比，光网络自身具有集中化管理和面向连接的交换机制等特点，天然具有部分SDN的特征，更易于向SDN 方向发展。软件定义网络在光网络中的应用主要以下三个方面。（1） 异构网络的统一控制随着融合网络技术的快速发展，各式各样的业务和网络资源交织叠加在一起，形成异构化的网络互联环境，导致实现全网业务控制与资源管理的难度加大。将SDN引入光网络的方案能够有效地解决异构网络之间的互联互通问题。通过对OpenFlow 等相关协议进行相应扩展，开发面向对象的交互控制接口，可实现跨层网络控制集成化和异构网络信息抽象化，从而在数据网与光网络、有线网和无线网、接入网与核心网之间建立起可同一控制管理的新型异构网络架构体系。（2）网络资源的虚拟化基于虚拟化的网络体系结构根据不同业务的应用需求，在保证服务质量前提下快速有效地接入与控制网络资源。各个设备厂商借助SDN 技术思想，通过开发支持OpenFlow 协议的通用化接口为上层网络提供统一开放的控制操作功能，网络控制器将不同类型设备根据抽象算法和策略进行虚拟化处理，以支持全网资源信息统筹和策略调度。当用户请求到来后，对虚拟化的资源进行调度实现按需分配和实时管理。网络资源的虚拟化技术可更好地发挥网络基础设施资源的优势，通过开放的统一资源管理平台，使得网络资源利用率达到最优化。（3） 面向数据中心的高效互联软件定义网络支持数据中心与功能网络的可编程化，为操作者提供最大化的灵活性，实现数据中心之间带宽的动态调整和灵活调度。通过对异构资源的虚拟化处理，将异构资源抽象为统一接口进行统一的集成化控制，实现多层资源的联合优化。开放式可扩展的组网架构、简洁轻量的协议、统一的资源抽象接口和快速服务响应等方面的优势使得软件定义网络能够有效地解决数据中心光互联组网与控制的问题，促进数据中心与光网络间的高效互联。9软件定义光网络通过将控制与传送相分离，屏蔽光网络物理技术细节，简化现有光网络复杂和私有的控制管理协议；通过采用集中控制策略，提高光网络的协同控制和智能调度能力；通过开放网络接口，提供光网络的可编程能力，满足未来网络虚拟化、业务灵活快捷提供等发展需求。软件定义光网络控制更适合多层域多约束，有效提高运维效率和降低成本。1.1.3 软件定义光网络中时间相关的业务调度问题在数据中心光互联的场景中，要解决三个关键问题：面向数据中心用户接入的远程控制；面向数据中心间光互联的多层资源优化；面向数据中心内光互联的时间感知的资源调度11。传统的光互联网络一般很难区分业务等级与时间敏感度，在面对高突发性业务时往往带宽利用率不高，频谱使用效率低下。在数据中心内部光网络的业务调度中，传统的策略在业务到达时根据当前的资源状态为该业务从数据中心服务器和相应光路中分配优化的应用和网络资源，将会引发一系列问题，在此列举两个网络常见情况12-14，以分析目前的资源调度和分配所存在的问题与改进方向。Case1：目前许多数据中心应用在选择目的数据中心时，很少考虑到时间因素，按传统的分配原则，当业务到来时衡量不同数据中心资源的占用情况选择一个相对空闲的数据中心服务器作为服务提供节点。在图1.2中，假设有两个数据中心服务器dc1和dc2作为业务提供的候选目的节点。业务在t1时刻到来时，dc1剩余20%的空闲资源，dc2剩余15%的空闲资源，经过一段相对较短的时间后，在t2时刻，两个服务器提供的业务情况发生改变，dc2有业务离去大量资源被释放空闲资源高达75%，dc1有新业务到来部分资源被占用只剩余5%的空闲资源。按传统的分配原则，在业务到达时dc1的空闲资源较多将被选为目的节点，在服务业务期间，dc1负荷极重，而dc2却很空闲，负载分布不均衡。在t1时刻决策目的数据中心服务器时，如果能考虑在t2时刻dc2中业务的离去，将会发现选择dc2作为目的节点更合适。因此在给业务分配资源时，如果能考虑时间因素，根据在时延容忍时限内的一段时间后的资源状态分配，优化效果会更好。图1.2数据中心资源分配示意图Fig.1.2Illustration of datacenter application resource allocationCase2：目前带宽多采用刚性分配方式，大多数的数据中心业务使用特定的带宽并在固定的服务时间内传输，以完成业务的总数据量，其中总数据量等于业务带宽和服务时间的乘积。这样固态的分配方式使网络中很多资源被浪费，也使得用户体验得不到保证。如图1.3所示，如果按照传统的固定带宽方法传输，在网络带宽资源较少的情况下，无法为业务提供服务，导致网路阻塞。假设带宽的分配不再是刚性的，将服务带宽压缩以适应当前可用的带宽资源，并相应增加业务提供时间以保证业务总数据量恒定。同样的，在资源相对丰富的网络条件下，适当的提高服务所需带宽可以尽快完成业务提供，并使网络资源被占用时间缩短。图1.3网络资源分配示意图Fig.1.3Illustration of network resource allocation如何应对数据中心内时间敏感度不同的业务信息流，并针对通信业务高突发性与时间敏感特征，实现时间感知的服务快速响应和资源跨层调度将成为面向数据中心内部光互联的关键问题。以上所述的两种情况都涉及到数据中心业务的时间因素，传统的资源调度策略没有考虑到时间因子对资源优化的重要性。为了细化资源，提高资源利用率，本论文将时间因子引入资源的调度分配过程，提出时间感知的跨层控制架构，并在该架构的基础上研究时间相关的业务调度策略，为业务在时间维度上合理的调度和分配资源，使业务的提供过程更加灵活，网络更加健壮。1.2 国内外研究现状及发展愿景1.2.1 软件定义光网络的研究现状自将软件定义网络从数据网络向光网络延伸以来，从标准组织到设备厂家和运营商都积极参与研究，软件定义光网络多种技术标准竞争发展，标准化工作快速推进。开放网络基金会（Open Network Foundation，ONF）在2013年4月成立了光传送工作组并于当年7月完成架构与用例；2014年4月呈递光传送网的ONF协议扩展并于2015年3月在Openflow 1.5版本中发布5；2014年8月至9月期间，与光互连论坛（Optical Internetworking Forum，OIF）联合组织全球多个运营商、设备厂商以及科研机构，开展了基于SDN的光传送网OTN原型和互操作性测试与演示，成功实现了基于Openflow和RESTful北向接口的多厂商互操作15。与此同时，我国也积极开展SDON标准化工作。为深入展开研究工作，国家“863”计划/“十二五”国家带宽网重点专项适时启动了“新型超大容量全光交换网络架构和关键技术研究”项目，重点围绕灵活光组网等四项关键技术开展研究，目前已在软件定义光网络的体系结构、资源虚拟等方面取得了重要进展2。中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）立项开展了软件定义光传送网总体技术要求和软件定义分组传送网总体技术要求等标准制定，并在推动标准研究制定工作的同时，积极把国内技术和标准向国际推广，为我国企业开拓国际市场4,16。软件定义光网络打破了传统光网络垂直一体和封闭的产业格局，网络智能向新引入的控制器层面集中，形成了新的光网络产业生态。设备厂家与运营商成为该产业关注度提高的积极推动者。2013年以来，国内外主流设备厂家不断推出传送网SDN的样机开展演示和试验，并预计2015年推出商用产品。运营商普遍看好软件定义光网络的前景。华为与业界领先运营商持续在SDN领域联合创新，引领SDN商用进程，于2014年携手西班牙电信完成了业界首个基于SDN架构的IP+光多层协同测试。同在2014年，中国电信以利用SDN技术解决光传送网（OpticalTransportNetwork，OTN）多域多厂家互联互通问题为重点，组织了国内首个光传送网SDN互操作性测试。中国移动通过在PTN中引入SDN技术满足集客业务端到端业务调度和业务开放需求，提出了Super PTN(分组传送网，Packet Transport Network)概念，现已联合多家设备、软件和芯片厂商推动产品研发6,16。当前的数据中心光互联网络在服务提供期间缺少应用层与网络层之间的交互，许多终端用户的应用与服务不能有效的利用网络能力，也不能成功获得想要的服务质量。由于开放性软件定义组网与集成控制的迫切需求，集中式控制架构软件定义网络以其对网络功能和协议的可编程化而被学术界和产业界重点关注17,18。在一个统一的观点上研究跨层优化（Cross-Stratum Optimization，CSO），通过软件定义方式对异构资源的虚拟化处理，实现数据中心之间带宽的动态调整和灵活调度，将异构资源抽象为统一接口，帮助完成统一的集成化控制；通过跨层控制技术实现对应用资源与网络资源的联合优化，有效改善资源浪费的情况，提高全网控制和提供服务的效率，减少运营商成本。基于OpenFlow协议的软件定义控制架构通过南向接口OpenFlow协议可实现异构网络的统一控制，通过北向接口可实现数据中心应用资源与网络资源的联合优化，为运营商提供最大的灵活性19,20。因此，运营商正尝试将软件定义网络技术应用到数据中心内部的光互联网络中，以全局控制内部网络和应用资源12,13,21。1.2.2 软件定义光网络的发展愿景光层智能是未来光网络发展的必然趋势，从ASON 到PCE，再到SDON。开放化、软件化代表了光网络技术与应用新的发展方向，应用前景广阔2。SDON作为新技术，技术标准尚不成熟，目前仍处于初级发展初期。在光网络中引入SDN仍面临着接口协议并存，标准化难度大、技术成熟度不高，产业链尚待完善等挑战，特别是在光层上，要实现“可编程控制与资源虚拟化”是极具挑战性的8。在“构建开放光网环境”理念的驱动下，要实现SDON的全部理念将是一个长期的发展过程，任重道远。SDON 中的局部技术可能会率先得到应用，但整体发展得由市场应用决定，尤其取决于在“光层”上的业务应用突破2。随着SDON标准化程度的提升和产业界的持续投入，势必会给光网络的发展注入“强心剂”22。2 时间感知的软件定义光网络跨层控制体系设计目前的跨层优化技术仅局限于当业务请求到达时，根据现有的资源状态进行调度，方式僵硬，不能根据网络状况和业务特征动态的调整服务的提供过程，在业务流量激增的情况下容易造成网络局部阻塞与资源浪费。文献12和文献13中提出的基于OpenFlow数据中心内部光互联场景下的时间感知软件定义组网架构能够考虑时间因素，根据不同业务的时间敏感性，为数据中心的业务提供灵活的服务时间和服务带宽，能够有效利用数据中心内部光互联中的跨层资源，提升数据中心内部业务快速响应能力。本论文在该架构的基础上提出创新，在考虑数据中心业务时间敏感性的同时，联合考虑时间维度上的应用与网络资源，设计一种时间感知的软件定义光网络（Time-aware Software Defined Optical Network，Ta-SDON）跨层控制体系，并介绍该架构功能结构与其内部功能模块及模块间的协作关系，最后对整个架构中涉及到的接口协议进行设计与扩展。2.1 Ta-SDON跨层控制体系的网络架构基于Ta-SDON跨层控制体系设计的宗旨是更加合理有效的完成网络间各层的协作，使网路控制更加简洁，通过对网络层资源和应用层资源在时间维度上的联合感知和跨层优化，使网络控制更加合理简洁并使跨层资源能够得到充分有效的利用。将该架构分为四个平面，分别是传送平面、控制平面、应用平面和用户平面，如图2.1所示。图2.1Ta-SDON的网络架构Fig.2.1The network architecture of Ta-SDON传送平面主要包括数据中心与数据中心间的网络资源，包括机柜顶端、汇聚层和核心层在内的三种等级光交换设备用于连接域内的数据中心服务器，其中应用层资源（如CPU资源和存储资源等）部署在数据中心内部，网络资源指的是灵活栅格光网络中的频谱资源，负责流量的路由和交换、光信号的传输等。每层资源通过OpenFlow技术软件定义，并由应用层控制器（Application Controller，AC）和网络层控制器（Network Controller，NC）分别以统一的方式实现控制。NC通过控制OpenFlow协议收集链路信息等相关传送层资源信息并对其抽象，形成抽象网络资源并上报给AC，AC负责联合数据中心资源与网络资源信息，分析用户请求的业务属性，通过跨层资源优化算法决策出最优的数据中心和传输路径。用户平面则为用户提供可自行选择多种服务的界面，如带宽需求业务和数据中心备份业务等。由图2.1可看出，在Ta-SDON架构中，并没有取消传统的传送平面，而是由NC集中控制网络资源，取代传统ASON/GMPLS中的控制平面和管理平面。控制平面与光交换节点之间使用OpenFlow协议交互，SDON将动态智能的控制部分独立出来，简化传统的控制平面。为了在数据中心内部网络中应用OpenFlow协议完成服务迁移，需要在网络中部署具有OpenFlow代理的协议使能光交换设备（OpenFlow-enabled Optical Switching，OF-OS）。在数据中心内部实现Ta-SDON架构的驱动力主要包含两方面：一方面，Ta-SDON架构能够强调AC与NC之间的交互协作，完成基于不同时间敏感度需求的数据中心服务适配调度，并通过时间相关的业务调度策略优化跨层资源；另一方面，针对数据中心内部应用的高突发性，Ta-SDON架构通过集中式控制和相关流程能够实现快速突发的服务提供12,14。2.1.1 Ta-SDON跨层控制体系的模型结构图2.2展示了Ta-SDON架构的模型结构和各模块的功能，以及模块间如何协作完成业务的动态优化提供。从图中可以看出Ta-SDON网络模型结构包含四个子模型：用户平面、应用平面、控制平面、传送平面。（1） 用户平面本网络模型为用户提供基于时间的建路、拆路，以及数据中心备份、迁移等业务。在用户平面，用户可以自行设定业务的属性，同时可以查看跨层资源的占用情况。用户-应用接口（User Application Interface，UAI）实现用户平面与应用平面的交互，即将用户业务请求下发给应用平面，并接受应用平面业务结果与资源情况的反馈信息。（2） 应用平面应用平面主要由应用控制器AC和数据中心组成。AC主要完成四种功能：解析用户请求；感知时间维度上的数据中心资源占用情况；获取时间维度上的网络抽象资源的占用情况；根据资源情况与业务需求决策出最优的数据中心和传输路径。基于此，AC由五个模块组成：用户请求解析模块（User Request Analyse，URA）、应用控制器网关（Application Controller Gateway，AG）、数据中心感知（Data Center Aware，DCA）模块、时间相关的调度决策引擎（Time-Relate Stratege Engine， TRSE）以及数据库（Database，DB）模块。应用平面分别通过用户-应用接口UAI、网络-应用接口（Network Application Interface，NAI）与应用平面、控制平面进行通信。用户平面生成的业务发出请求时，URA获取并解析用户请求，根据业务属性得出所需资源与业务服务时间；同时通过AG模块与下层控制平面进行交互获得传送平面拓扑信息与抽象的网络资源存入DB，DCA模块对数据中心资源进行实时监控和管理，通过DCA获取数据中心资源的占用情况将数据存入DB中。根据URA解析的用户请求与DB中的资源信息，调用时间相关的业务调度策略决策出最优的数据中心与路径，并通过AG将最终决策结果下发给控制平面。（3） 控制平面控制平面由每个域的网络控制器NC组成，主要完成四种功能：接受应用平面的服务请求；从光传送节点接收网络资源信息；向应用平面提供时间维度上的网络资源抽象信息；通过OpenFlow协议触发的建路、拆路。因此NC由四个模块组成：网络控制器网关（Network Controller Gateway，NG）、抽象网络控制模块、传送层控制器（Transport Layer Controller，TLC）、数据库管理（Database Management，DBM）模块。其中，抽象网络控制模块包含利用路径计算单元（PCE）的网络资源计算与决策模块（Network Resource Computing and Decision-making，NRCD）和可为AC提供抽象的网络资源信息的网络资源抽象（Network Resource Abstract，NRA）模块。网络层控制器NC与应用层控制器AC进行通信，接受并解析应用层的服务请求，将请求发至抽象网络控制模块，从NRA模块和DBM模块中获得网络资源抽象信息存入数据库，发送至网络层控制器网关NG并上传给AC。这里的网络资源包括拓扑信息、栅格带宽信息等，这些信息被转换为网络参数（源宿节点、带宽、时延等）。网络资源计算与决策模块（NRCD）负责将应用层的请求转换为网络层的连接参数，作为NC的核心模块，NRCD从NG获得应用层的服务请求信息（服务类型、源宿节点等）和网络资源需求信息，并根据这两种信息分配进行路径计算和资源分配计算。传送层控制器TLC通过Openflow协议与光交换节点完成一系列的交互动作，通过基于OpenFlow的拓扑自动发现方法，从传送平面获取网络资源信息，并存至数据库中；从NRCD获取资源分配请求，触发信令进行网络资源分配；从NRCD接收路由信息并存入数据库；触发NRCD处理告警信息。DBM模块则负责维护各类数据库（流量工程数据库TED、连接状态、配置库等），对服务平面进行配置并处理控制平面的信息查询请求。控制平面向上通过网络-应用接口NAI与应用平面进行交互，向下通过OpenFlow协议控制传送平面实施建路工作，建立光网络业务。（4） 传送平面传送平面提供流量的路由和交换，发送故障管理与性能测试信息，完成光信号的传输和交叉连接功能。图2.2Ta-SDON的模型结构Fig.2.2The model structure of Ta-SDON2.1.2 Ta-SDON跨层控制体系的接口协议扩展在Ta-SDON跨层控制架构中，各平面协作完成业务的自动提供，需对各层协作的接口进行相应的设计。各平面间的接口关系如图2.3所示。其中，用户平面与应用平面间采用UAI协议，控制平面与应用平面间采用NAI协议，控制平面与传送平面间采用OpenFlow协议。图2.3Ta-SDON中各平面间的接口关系Fig.2.3Theinterfacerelation between every plane in Ta-SDON（1） 用户-应用接口（UAI）协议UAI协议是用户平面与应用平面间的接口协议，通过该接口，用户平面向下发送应用请求，应用平面向上返回业务建立结果和资源信息。具体包含表格2.1中列出的消息。表2.1UAI协议包含的消息Table.2.1The extension of UAI protocol消息名称发出者接收者说明业务请求消息用户平面应用平面包含请求业务的类型、带宽粒度、数据量、请求时间长度源宿节点等业务答复消息应用平面用户平面包含业务序号、类型、建立结果、数据中心应用与网络资源占用情况等资源查询消息用户平面应用平面包含查询的资源类型、时间区间等资源查询答复消息应用平面用户平面包含相关的数据中心序号及资源占用情况、挽留过资源占用情况等（2） 网络-应用接口（NAI）协议NAI协议是控制平面与应用平面间的接口协议。应用平面通过NAI将用户请求下发给各个网络控制器NC，而NC则通过NAI将抽象网络资源以及算路结果返回给应用平面。具体包含表格2.2中列出的消息。表2.2NAI协议包含的消息Table.2.2The extension of NAI protocol消息名称发出-者接受者说明通信协议基本消息选择TCP连接方式，设计相关OPEN、Keepalive等消息业务请求消息应用平面NC三种请求类型：查询抽象资源、业务建立、路径计算，需包含请求类型、业务序号、业务类型、业务时长、业务粒度等业务答复消息NC应用平面抽象资源回复消息：各NC回复本域不同时间段的网络资源业务建立请求回复：源域的NC反馈业务建立结果路径计算请求回复：回复合适的备选路径及资源信息（3） OpenFlow接口协议OpenFlow是NC与传送平面间的通信协议，该协议是本论文重点设计的协议。OpenFlow接口是现有技术，是SDN架构中控制平面与转发平面之间转发抽象定义的第一个实例。凭借简单高效的特点，OpenFlow协议成为业界普遍选择的SDN中控制平面与转发平面之间的通信接口。在分组交换网络中，OpenFlow协议将数据平面抽象为一种被定义为规则（rule），动作（action）和状态（stats）的流条目（flow entry）22。该条目能体现出数据包的特征，例如IP地址、传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）端口以及交换的动作等，NC通过OpenFlow协议搜集传送平面的资源状态信息，并下发相关配置指令到传送平面。OpenFlow协议由三种消息组成：控制器-交换机消息（Controller-to-Switch）、异步消息（Asynchronous）和对称消息（Symmetric）。本架构NC与AC的互通会用到控制器-交换机消息中的获取交换机特性（Features）消息，NC定期向每个使能光交换设备（OpenFlow-enabled Optical Switching，OF-OS）发送OFPT_FEATURES_ REQUEST消息，请求监控流量，并通过光节点返回的OFPT_FEATURES_REPLY消息得到相关状态信息以实现对数据流量的实时监控。在基于OpenFlow的数据中心内部光网络中，流条目也可用于实现光网络的电路交换。为了完成数据中心内部的网络控制，每个光节点均被配置为支持OpenFlow协议，同时为使其更好的适用于灵活栅格光网络，OpenFlow的流条目需要被相应扩展，具体的扩展消息如表格2.3所示。表2.3OpenFlow协议扩展消息Table.2.3The extension of OpenFlow相关扩展说明流条目（flow entry）规则（Rule）：增加灵活栅格标签、具有输入/输出端口，数据中心内部标签（例如通道间隔，波长和时隙等）和端口限制这些扩展都是数据中心内部光网络的主要特征动作(Action)：添加（add）、交换（switch）、丢弃（drop）、配置（configure）和释放（release）前四种动作用于建立路径，而后一种动作则完成已设置的路径拆除统计(Stats)：负责监控流特征提供Ta-SDON架构的服务供应Flow mod消息OFP_Match结构：通过拓展实现规则用于控制器向光节点发送路径建立或释放命令command字段：通过拓展实现动作在这个架构中，规则被扩展为支持频谱灵活光网络，增加灵活栅格标签、具有输入/输出端口，数据中心内部标签（例如通道间隔，波长和时隙等）和端口限制。Ta-SDON架构中光节点动作主要包括五种类型，即添加（add）、交换（switch）、丢弃（drop）、配置（configure）和释放（release）。其中前四种动作用于建立路径，而释放则完成已设置的路径拆除。通过对规则和动作的不同组合实现对光节点的控制。统计功能则负责监控流特征以提供Ta-SDON架构的服务供应。为了满足数据中心内部光网络的需求，在当前的OpenFlow协议中扩展了相关消息。Flow mod消息被扩展并用于控制器向光节点发送路径建立或释放命令。相应的扩展范围涵盖OFP_Match结构和command字段。在具体扩展实现中，通道间隔、波长、时隙和端口约束等呈现数据中心内部光网络特征的字节在OFP_Match结构中实现，而添加、交换、丢弃、配置和释放等动作则通过扩展command域实现。由光节点收集的OFP_Match和command信息用于控制路径的建立与释放过程。2.2 Ta-SDON跨层控制体系功能的实现流程在Ta-SDON跨层控制平台的实现上，本论文主要研究基于TrSS策略（第三章提到）的Ta-SDON中AC与NC的实现流程。图2.4展示了实现数据中心服务Ta-SDON的AC与NC的互通过程。通过定期使用OpenFlow协议中的OFPT_FEATURES_ REQUEST消息，NC向每个使能光交换设备OF-OS定期发送流量监控请求，同时由获取光节点返回的OFPT_FEATURES_REPLY消息得到相关状态信息以实现对数据流量的实时监控；AC通过与数据中心应用资源的交互，使用UDP报文向NC发送业务请求以获取网络资源信息；在会话建立后，部署在AC中的TrSS策略能够根据服务参数和从NC接收的网络资源状态决策最优目标节点，并使用UDP报文响应建路请求；端至端的光路通过扩展的Flow mod消息，根据所计算的路径控制相关光交叉节点以完成建立配置。当NC从光节点获得建立成功答复后，向AC回复建立应答。同时，NC记录建立服务的开始时间和持续时间。当到达服务截至时刻时立刻触发并完成光路的自动释放过程。除此以外，AC中应用资源使用情况根据接收来自NC的更新UDP报文保持更新与同步。图2.4针对数据中心服务的Ta-SDON交互流程图Fig.2.4Interworking procedure of Ta-SDON for datacenter service2.3 Ta-SDON跨层控制体系平台搭建为实验性评估Ta-SDON跨层控制体系的性能，在数据中心内部光网络中通过控制平面技术和传送平面技术搭建了Ta-SDON试验与仿真系统以提供数据中心服务，具体如图2.5所示。控制平面由NC组成，可控制200个节点及四个自治域，其中，200个节点被平均分配到各个域中。传送平面由五个支持OpenFlow的OTN传送节点组成，这五个物理节点与五个虚拟的控制平面节点相互连接、配合，共同建立Ta-SDON网络试验平台。在Ta-SDON实验平台中建立若干Linux环境，控制平面和应用平面都搭建在Linux服务器上，在虚拟机中运行平面中的相关模块。例如，NC支持Ta-SDON架构并部署在三台虚拟机上完成光模块控制、PCE计算和资源的抽象功能；AC服务器负责完成具有跨层优化代理功能的TrSS策略并从数据中心服务器中监控应用资源。用户平面则部署在服务器中提供所需要的批量应用请求。传送平面的五个传送平面节点支持OpenFlow，能够自动完成拓扑发现、建路拆路等功能，由华为OptixOSN6800设备搭建。在IBM X3650服务器上运行的大量VMware虚拟机实现了多数据中心配置。由于每个虚拟机具有操作系统和独立的计算存储资源，因此可被看作为真实节点。图2.5Ta-SDON试验平台Fig.2.5The experiment platform for Ta-SDON3 时间相关的业务调度策略随着虚拟迁移、视频点播等业务需求的集聚增加，如何选取合适的数据中心、合理分配网络带宽资源、最佳的传输路径为业务提供服务等问题越发引起业界的关注。在动态光网络中已有很多跨层资源调度方法被提出，如随机调度策略RS、基于应用资源的调度策略ABS、基于网络资源的调度策略NBS等。这些资源调度策略没有引入时间因子，由1.2中的例子可以看出，就业务请求时间点即时的做出策略易造成高阻塞率与低资源利用率，没有达到最优化。跨层资源调度策略决定传输宽带的建立以及传输业务的开始与结束时间，在一些应用场景中，客户只要求在截止时间之前提供业务即可，针对这类需求，运营商网络可以根据时间因素为客户选择和预留资源，这为资源的分配和调度带来了很大的灵活性，由此可见时间因子对资源优化的重要性。但当前的跨层优化架构与策略都是为立即预留（immediate reservation，IR）设计的，即优化的成功实现需要依据请求到达时的现有资源状态。提前预留（advance reservation，AR），作为一种新的请求类型最近在光网络领域获得了关注。IR的数据传输的启动时间被假设为是立即的，而AR通常指定数据传输的最早时间或者截止期限。AR应用以一种有效的方式去预留应用和网络资源是非常重要的并且极具挑战性，目前对AR的研究还只关注时间维度上光网络资源的优化，而忽略了跨层资源中的应用资源。Ta-SDON架构通过考虑时间因素，安排并提供保证所需QoS的业务服务，为数据中心内部业务需求提升快速响应能力。在Ta-SDON架构中，将时间因子引入资源调度过程，创新性提出基于跨层资源预留（Cross-Stratum Resouce Reservation，CSR