基于OpenFlow的网络感知管理方案设计,本文是方案设计方面毕业论文格式模板范文与OpenFlow和方案设计和感知相关毕业论文格式模板范文.
方案设计论文参考文献：
[摘 要] 为解决传统网络感知管理技术不能满足有限资源条件下多样化的业务应用分配问题,在基于OpenFlow 网络与传统网络的感知方法基础上,设计了一种新型的网络感知管理方案,该方案通过控制器对网络资源进行管理优化配置,有效地保证了多业务应用的服务质量,能够按照业务的优先级进行及时调整来提高资源的利用率,通过实验仿真验证了所提供方案的有效性和可行性.
[关键词] 软件定义网络；网络感知；网络管理；OpenFlow
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2017）18-64-4
1 引言
随着国家信息网络体系建设的推进,许多丰富多彩的业务应用应运而生,信息的多样化与网络僵化的矛盾与日俱增,对网络系统所能够提供的网络感知与管理技术的要求也在不断提高.传统的通信网络架构已经难以根据灵活多变的用户业务需求进行感知,进而更加无法依据感知资源进行有效的网络管理.
基于OpenFlow 的SDN 作为解决上述问题的一种新技术,具备监测和管理SDN 应用、网络模型和流量负载分布的能力[1].针对多样化的业务应用的特点,网络管理方式不能根据需求变化快速调整等问题,通过对基于OpenFlow 协议的SDN 网络的研究,需要依据业务应用信息进行感知,区别业务类型的优先级,在感知的基础上以一定的策略准则进行决策管理,使网络从静态工作模式发展到动态自主工作模式,以适应业务应用信息等不断变化的需求.这就需要设计一种基于OpenFlow 的网络感知管理方案,该方案通过控制器来感知网络中的资源信息,依据感知结果预测不同用户的需求,在有限带宽下对网络资源进行策略管理.基于OpenFlow 的网络感知管理方案通过网络感知和管理,能有效地满足不同优先级用户的需求,最大限度地保证高优先级用户业务的服务.
2 网络感知管理方案架构及技术
为了应对不断变化的用户业务需求,动态分配资源以保证高优先级的用户服务,需要研究如何对多用户业务应用的网络状态进行感知,以及对网络的资源进行决策调度和管理.OpenFlow 作为SDN 南向接口标准协议,采用集中控制方式将数据平面和控制平面分离开来,具有先天的网络感知和管理优势[2].
2.1 方案架构设计
传统的网络资源感知与管理方案示意图如图1 所示,依靠网管及检测系统感知单一用户产生的用户流量、拓扑信息等网络的资源状态[3],对网络的变化做出滞后的应对措施,不能及时主动地动态管理网络.在多用户业务应用情况下,不能做出集中、全局的控制,无法满足多用户业务的需求.
图1 传统网络感知管理示意图
网络感知管理方案是为了满足多用户业务对网络服务日益增长的需求,并确保网络稳定运行而采取的一系列数据采集、感知分析、动态管理及策略决策等操作.在多个用户的情况下,由于应用具有多样性,网络资源的使用状况变化很大.为了更好地分配资源,需要研究如何针对多用户业务的网络资源进行感知,以及对用户的资源使用进行调度和控制.基于OpenFlow 技术的面向多用户业务的设计方案和网络资源感知与管理技术通过性能监测、收集数据和分析数据,根据统计数据分析趋势,提出优化网络决策手段,最终达到改善网络性能质量的目的,方案架构如图2 所示.
图2 网络感知管理方案架构
根据感知要素不同属性和业务应用信息的不同要求,为相应的数据确定所需的服务类型.通过主动测量和被动监测综合感知方法,将流量拓扑信息采集反馈给OpenFlow 控制器,使控制器能获取全网的实时数据流量和拓扑分布状态,将历史数据存储在数据库中,从而为资源分配和流量调度提供策略控制的数据支撑.
2.2 网络感知方法
进行网络状态感知的目的就是通过多种途径来感知网络的流量拓扑等表征网络状态的信息.
2.2.1 传统网络感知方法
传统网络状态参数的感知主要包括以下2 种方法[4]：① 主动测量：是在网络中注入探测的数据包,并对这些探测包进行收集和分析,通过其在传输前后的状态变化来计算所需测量网络的性能参数,目前主要有如Iperf 和Ping 等测量方式；② 被动测量：是通过测量软件或者系统本身周期性的轮询所需检测的设备,从而判断网络的性能和状态.被动测量可基于简单网络管理协议（SNMP）实现,也可用数据包捕获的方式来实现,如Netflow 等测量方式.
2.2.2 基于OpenFlow 的网络感知方法
基于OpenFlow 的网络状态参数的感知主要包括主动测量和被动测量[5].
主动测量方法是基于直接询问的测量方式,其主要方法包括：① OpenTM：针对SDN 的流量矩阵（TM）估计系统,对信息进行固定的周期询问,维护一个全局的流量矩阵；② PayLess：根据实时的流量情况进行频率自适应的交换机询问,控制器使用动态频率的询问方式进行统计数据的请求.
被动测量方法是基于流量和协议特征的被动测量方式,其主要方法包括：① FlowSense：利用OpenFlow 提供的控制消息进行网络链路利用率的评估,利用OpenFlow 协议中规定的南向消息接口的异步消息PacketIn 和FlowRemoved 进行数据层中数据流状态变化的监控,进而计算交换机之间链路的利用率；② OpenSample：引入TCP 数据包头部的序号进行速率估计,实现对2 个样本以上的TCP 流量的快速发现.为每个用户的特定服务流添加一个OpenFlow 流表,通过添加的流表可以记录该服务流的流量,在单位时间内OpenFlow 控制器对流表中记录的流量进行读取,从而获取全网的事实资源的状态,获取用户流量的达到流量感知的功能.
2.3 网络管理设计
网络管理设计的目的就是为了控制网络拥塞和网络资源的充分利用,使其满足特定服务质量的要求[6].依靠前述网络感知测量方法,把不同业务应用的变化趋势作为输入,为资源分配和调度算法提供目标依据,估计用户对资源的准确需求.在OpenFlow 控制器中部署资源调度算法,响应用户需求和网络状态的变化.为避免拥塞,保证重要业务的高优先级,合理地预先分配链路带宽,控制器按照优先级的高低级别划分带宽,优先保证重要业务带宽资源,将剩余带宽划分给低优先级的服务.
3 功能仿真与结果验证
3.1 功能仿真
基于OpenFlow 的网络感知管理方案的实验拓扑图如图3 所示,该拓扑以多业务应用信息为基础进行多域划分,整个网络分为4 个域,区域1 为提供视频服务域,区域2 为提供Web 服务域,区域3 为FTP 服务域,区域4 为邮件服务域.每个域有一台控制器,控制该域中的所有OpenFlow 交换机,所有OpenFlow 交换机与基于OpenFlow 的网络感知管理方案的控制器相连接,便于网络感知和管理整个实验网络.
图3 感知管理方案实验拓扑
验证基于OpenFlow 的网络感知管理方案,需要抽象由OpenFlow 交换机互联形成的物理网络资源用以支持每个客户端用户虚拟的逻辑网络.依据方案实验拓扑图,构造了系统结构图如图4 所示.
图4 感知管理系统结构
通过在OpenFlow 控制器设置虚拟资源到物理资源的映射器,将每种业务应用的所需的网络功能划分到不同的网络切片（slice）中,分别用s1,s2,s3 和s4 表示,实现数据隔离与用户服务类型的建立.OpenFlow 协议具备提供匹配规则的策略,依据端口判断信息对应的业务应用,将网络流量与流表进行匹配,FlowVisor 定义来自于OpenFlow 交换机传给切片控制器的信息来保证透明性[7].各个服务的应用程序通过调用各个控制器的北向接口对控制器进行配置管理,实现对网络的实时动态管理.
3.2 结果验证
感知管理方案设计的结果验证采用Floodlight 作为OpenFlow 控制器,采用Mininet 作为OpenFlow 环境的仿真工具,运用Mininet 自带的网络性能测试工具iperf 模拟用户的流量,通过控制流量的变化对感知管理方案进行验证.利用消息重写技术,FlowVisor 仿真链路或节点失效的网络事件.依据图4 的系统结构图,为每条链路分配带宽设置为50 MBytes,将感知4 种业务信息流的速率的总和限制为100 MBytes 带宽.设定视频服务优先,在带宽分配的基础上,验证流量感知与控制算法的有效性,是否能够在带宽有限的情况下保证高优先级服务质量得到保障.未经感知管理各业务速率分析如图5所示.
通过感知结果发现在测试最后时间段内用户总流量超过100 MBytess,大于预分配的带宽,需要对其进行带宽管理,通过调整Web 服务等低优先级服务流的流量来保证高优先级流的服务要求,发送反馈信息给基于OpenFlow 的网络感知管理方案控制器, 降低Web 服务等低优先级服务的带宽,多余带宽则分配给高优先级的视频服务,调整后的结果如图6 所示.
在经过带宽管理之后,降低了低优先级的服务流的流量,从而保证了高优先级流量的带宽,用户总流量控制在用户的阈值限定范围之内.
4 结束语
OpenFlow 网络的飞速发展对传统网络的感知管理带来了机遇与挑战,根据不同用户业务信息的需求,利用OpenFlow 的特性提供一套网络感知管理方案,该方案可以依据网络对业务属性的不同感知资源,配合控制器进行决策管理,在带宽有限的情况下保证高优先级用户的服务.
参考文献
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[7] 向雄.一种基于OpenFlow 的实验室网络动态管理方案[J].信息技术,2016(10):11.
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