软件定义网络中链路故障恢复机制研究

信息通信

INFORMATION&COMMUNICATIONS

2016

（Sum.No168）

软件定义网络中链路故障恢复机制研究

李

书，陶

君，张

丹

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065）

摘要：软定义网络（SDN）一种革新的网络架构，实现了控制平面和数据转发平面分离，开放了网络的可编程能力，简化

了网络管理。随着SDN技术在现实中的广泛应用，其所存在的问题也凸显出来，链路故障就是其中的一个重要方面。文中针对SDN在链路故障方面存在的问题，通过对SDN技术特征和链路故障管理的分析，对现有的SDN中链路故障恢复方法进行了深入剖析，以期对未来在SDN中故障管理机制的研究提供参考。关键词：软件定义网络；链路故障；管理机制中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1673-1131（2016）12-0020-02

Researchonlinkfailurerecoverymechanisminsoftwaredefinednetwork

Abstract:thesoftdefinednetwork(SDN)isakindofinnovativenetworkarchitecture,whichimplementstheseparationofcon-trolplaneanddataforwardingplane,andopensupthenetwork'sabilitytoprogramandsimplifythenetworkmanagement.WiththeextensiveapplicationofSDNtechnologyinreality,theproblemsarealsohighlighted,thelinkfaultisoneoftheimportantaspects.AimingattheexistingproblemsinthelinkfaultSDN,throughtheanalysisofthetechnicalcharacteristicsofSDNandlinkfaultmanagement,linkfailurerecoverymethodincurrentSDNin-depthanalysis,inordertoprovidereferenceforfutureresearchonSDNfaultmanagementmechanism.

Keywords:softwaredefinednetwork;linkfailure;managementmechanism

强的容错能力，并能满足电信级网络对节点和链路失效的恢复能力。在电信级网络中要求，故障恢复时间要低于50ms。链路保护机制由此产生，它可以应对多种类型的网络故障，具备业务操作细粒度且使用成本低效果好等优点，具体处理过程可分为预配置备份路径和路径切换两个部分，其中重点为路径切换，通过在对控制器或交换机预先配置备份路径，当交换机失效时，可在短时间内启用备份路径。

故障恢复机制中，当链路故障发生，交换机发送端口状态消息至控制器，控制器更新网络拓扑。在流表项超时过后，进入的数据包无法与之匹配，触发交换机发送packet_in消息到控制器，控制器进行重路由并下发流表到交换机。其具体状态转移如表1所示，根据此表可得此时的故障恢复时间T=T1+T2+T3+T4。

表1SDN中故障恢复状态转移表

0引言

软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）作为一种新型的网络架构，它区别于传统网络的是将控制面和数据面相分离，以实现网络的灵活性和可编程性，极大地提升了网络的管控效率和开放程度。SDN提供了分布式网络状态的集中视图的应用程序，从而简化了网络控制和管理。基于这些特点，SDN已逐渐在云数据中心、企业网络、广域网等大型网络场景中应用。

在现代具有大规模服务器和带宽密集型数据中心网络中，SDN技术可以提供大规模、高拓展性、灵活资源调度和高带宽等网络需求，表现出了天然适用于新型数据中心网络的特性，因此SDN的首要应用场景是数据中心网络[1]。由于数据中心网络中广泛采用了低成本的低端设备，从而存在链路失效、服务器失效和交换机失效等多种故障和差错，而持续的可靠服务能力需要数据中心网络提供高效的失效恢复策略和容错机制[2]。本文以此为研究出发点，通过对SDN技术特征和链路故障管理的分析，对现有的SDN中链路故障恢复方法进行了深入剖析，以便对未来在SDN中故障管理机制的研究提供借鉴。

1SDN技术特征

SDN是一种数据控制分离、软件可编程的新型网络体系架构，其基本架构主要分为基础设施层、控制层和应用层.基础设施层表示网络的底层转发设备,包含了特定的转发面抽象。中间的控制层集中维护网络状态，并通过南向接口获取底层基础设施信息[3]。控制层的SDN控制软件也被称作网络操作系统，它负责整个网络的管控功能，是整个网络的核心。Open-[4]

Flow作为SDN控制平面和数据平面之间最流行的通用标准接口，起源于斯坦福大学的CleanSlate项目组，由NickMcKeown教授首次提出。作为南向接口的标准协议，Open-Flow从最初的1.0版本演进到最新的1.5版本。

S.Sharmaetal.[5]提出的一种快速恢复机制，在链路故障发生时，交换机发送端口状态到控制器，控制器将相关流表项直接删除，再进行重路由并下发流表，而不是等到流表项超时或packet_in消息的触发。文献[6]省略了状态St，恢复时间T=T1+T2+T4,但是它用的OpenFlow1.0版，路径选择算法采用learningbridging，无法选择最优路径。

A.Sgambellurietal.[6]提出一种路径保护机制，控制器预先配置好主路径和备份路径。当故障发生时，相关交换机可以及时地切换到备份路径，主要是利用OpenFlow1.0版中对主备路径设置不同的优先级来实现路径保护，主路经设置高优先级，备份路径设置较低优先级。此机制确保了当链路故障发生时，由故障链路相连的交换机本地进行恢复，这种方式最小

2SDN中链路故障恢复机制分析

传统网络中的节点和链路失效在SDN中依然存在，作为

最有可能成为下一代网络架构的SDN网络，SDN必须具有较２０

基于阈值的混合中继选择与功率分配算法

张明磊1，宋

昕2，张卫丹3，刘文敏1

（1.东北大学计算机科学与工程学院辽宁沈阳110819；河北秦皇岛066004；江苏省南京市210012）2.东北大学秦皇岛分校，3.中邮建技术有限公司，

摘要：针对协作通信系统，在保证系统满足一定总发射功率的前提下，以最小化系统中断概率为目标，提出并分析两种基

于阈值的混合中继选择和功率分配算法。这两种策略算法复杂度较低，能节省系统开销。仿真结果表明，HADF的系统中断性能优于AF和DT方式；相对于IDFO和DT而言，IHDDF的中断概率比较小；在特定信道状态下，IHDDF相对于HADF方法具有更好的中断性能。关键词：中断概率；基于阈值；混合中继选择；功率优化中图分类号：TN911.7文献标识码：A文章编号：1673-1131（2016）12-0021-04协作通信通过彼此共享网络内不同终端节点的信道资源，构成虚拟多天线阵而获得空间分集增益，能够有效抵抗无线信道的衰落效应[1-3]。采用协同通信后系统性能的提升在很大程度上依赖于有效、合理的资源分配，包括中继节点的选择和功率控制等。

在系统传输功率受限的情况下，能量效率问题是无线协作网络通信中考虑的一个重要因素[4-6]。因此，如何规划协作网中各节点能量分配成为研究的重点。文献[7]针对AF协同通信网络，基于选择性转发，考虑信道状态信息（CSI），提出了三种最大化网络寿命的联合中继选择与功率分配算法，提高了效率，获得了次优系统性能。而文献[8]提出了一种基于DF的中继选择算法，能在满足一定中断概率条件下，使得系统总发射功率最小。但是上述文献仅针对单源—单目的节点对展开。针对多源、多中继协同通信研究，文献[9]针对DF协作通信网络，提出对源—目的节点选择单中继转发，与分布式空时编码（DSTC）相比，中断概率性能更好。文献[10]针对DF协

同通信网络，提出了一种满足源节点业务QoS需求、最小化系

统传输功率的中继选择与功率分配算法，在满足系统服务质量的同时，提高了功率效率。但上述协同网络中的中继选择与功率分配算法都是基于瞬时信道信息的，这就需要对信道准确估计并及时反馈，会增加系统信息交互开销。

针对上述问题，在系统发射功率受限的情况下，为降低系统的中断概率，提出了IHDDF和HADF策略。在HADF策略中，设计出一个特殊系统总发射功率阈值，将系统要求的总发射功率同这个阈值进行比较，然后判断系统是采用AF方式还是DT的方式进行功率优化。在IHDDF策略中，当总发射功率大于阈值，系统采用IDFO方式进行功率优化，否则，采用DT方式进行功率优化。这两种算法运算复杂度低，且无需在传输中实时更新，能节省系统开销。

1信号模型

三节点协作中继网络模型如图1所示，该系统有一个源

化了恢复时间T=T1+Ts，Ts为交换机中主备路径的切换时间。

[7]

S.Sharmaetal.也提出了一种路径保护机制，它利用双向转发检测（BidirectionalForwardingDetection，BFD）和Open-Flow1.1中的组表来实现路径故障检测和主备路径的切换。当交换机端口状态变为down，BFD会话宣布动作桶中主路径的转发规则失效并切换到备份路径转发。此方法优化了Sf状态和切换机制，缩短了T1和Ts。

通过比较上述三种恢复方案可以得出保护机制相比恢复机制而言，能够明显缩短故障恢复时间，减少丢包率，对网络整体性能有明显提高。

[3][4]

[5]

3结语

SDN以其灵活性和可管控性，在处理网络故障的能力上相对于传统网络来说有明显优势，但是随着其在数据中心网络中的应用，其处理故障的时间与网络的整体性能不能满足要求。因此，研究SDN故障恢复技术有着重要的实际意义，并逐渐成为学者们研究的热点。本文通过对SDN技术特征和链路故障管理的分析，对现有的SDN中链路故障恢复方法进行了深入剖析，以便对未来在SDN中故障管理机制的研究提供借鉴。参考文献：[1]

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左青云,陈鸣,赵广松,等.基于OpenFlow的SDN技术研究[J].软件学报,2013,05:1078-1097

NMcKeown,TAnderson,HBalakrishnan,etal.OpenFlow:enablinginnovationincampusnetworks[J].ACMSIGCOM-MComputerCommunicationReview.2008,38(2):69-74.S.Sharma,D.Staessens,D.Colle,M.Pickavet,andP.Demeester,“EnablingfastfailurerecoveryinOpenFlownetworks,”8thInt.WorkshopontheDesignofReliable-Com-municationNetworks(DRCN),pp.164-171,Oct.2011.A.Sgambelluri,A.Giorgetti,F.Cugini,F.Paolucci,andP.Castoldi,“Openflow-BasedSegmentProtectioninEthernetNetworks,”JournalofOpticalCommunicationsandNet-working,Vol.5,Issue9,pp.1066-1075,Sep.2013.

S.Sharma,D.Staessens,D.Colle,M.Pickavet,andP.Demees-ter,“OpenFlow:Meetingcarrier-graderecoveryrequirements,”Comput.Commun.,Vol.36,No.6,pp.656-665,Mar.2013.

作者简介：李书（1989-），女，四川遂宁人，硕士研究生，主要研究方向为下一代网络技术、SDN；陶君（1989-），男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向为下一代网络技术、SDN；张丹（1989-），女，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向为下一代网络技术、SDN。

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