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摘要：随着云网络的快速发展，其所提供的云计算和云存储服务，打破了传统物理存储和计算资源的局限制，为人们提供了更加灵活和可扩展性的云应用。本文基于云网络、采用数控分离及可编程的SDN技术综合设计了基于云网络的SDN绿色运维系统。本系统使用RYU控制器，实现了拓扑自动发现、流量监控、网络性能评估、主动节能等模块。同时，本文所设计的系统引入代数连通度作为衡量拓扑连通性指标评估网络稳定性，在保证网络性能稳定的前提实现了基于云网络的SDN运维管理和绿色节能运行系统。
关键词：云网络；SDN(Software Define Network)；RYU；能效
SDN Operation and Maintenance Energy-saving System Based on Cloud Network
ZHANG Meiqiong
(Concord University College Fujian Normal University,Fuzhou Fujian 350117)
【Abstract】：With the rapid development of could,the computing and storage services of cloud provides people with more flexible applications.This paper analyzed the limitations of traditional physical network,combined with cloud and SDN with the separation of Control and Date,proposed a green sdn system based cloud.The system is based on RYU controller and has modules such as automatic topology discovery,traffic monitoring,network performance evaluation,active energy saving and so on.At the same time,the system designed in this paper use algebraic connectivity as a measure oftopological connectivity to evaluate network stability.On the premise of ensuring the stability of network performance,it realizes SDN green energy-saving operation system based on cloud.
【Key words】：cloud;SDN;RYU;energy saving
0概述
传统的网络运维管理分散，网络和云管平台、安全、业务系统相互独立，运行策略维护和更新需要繁琐的操作，且其效率低、人力成本高；其次，传统网络结构，配置、拓扑、链路状态等都存在不可视化，运维人员只能依赖经验和记忆，变更调整网络，其局部的操作调整可能产生其他方面的安全隐患；再者，传统网络管理因模式单一，大多基于单设备或单机架构管理具有错漏多，排除故障难等。随着云计算、软件定义网络等创新技术的交叉融合应用发展，云网络的技术范畴也在不断的延伸，SDN的概念被大家广泛接受和认同。SDN架构中控制和数据平面的分离使的控制运维策略完全从设备中抽象出来并进行集中化设置。因此，本文在SDN控制器的API接口上开发应用软件，结合流量监控，动态调整SDN控制器的控制策略，实现了基于云网络环境的SDN绿色运维系统。
1关键技术介绍
1.1云计算网络
随着网络应用的普及和发展，人们对网络应用所提供的服务需求更加多样化。为了更好地满足用户的需求，越来越多的组织需要在云服务中运行其业务程序，此情下对应的云计算也相应稳步增长。随着云计算应用的增长，云网络也渐以普及。云网络的目标是为其所部署的对应业务提供可靠而又连续的较高水平的服务质量。为了提供面向不同业务的多样性和保证客户满意的保证高可靠性的服务。云网络需要创建在服务和业务数据中心之间创建流动的资源池，以满足不同需求的用户对数据存储和应用运行的需求。如：在客户需要时根据业务变化增降带宽；在对应的业务流情况下酌情修改存储网络、数据中心等之间的吞吐能力，并服务器之间实现无阻断的连接以及虚拟机（VM）的自动迁移等功能。
云计算网络可由三个相互依赖又具有一定的功能独立性结构组成，分别是：前端；中间层；存储网络。三个结构协同实现[1-2]：（1）基于资源池生成对应的虚拟资源；（2）提供连接虚拟资源。为了实现以上功能，云计算网络目前主流形式有三种：公共云、私有云和混合云。公共云（Public Cloud）是基于标准云计算（Cloud Computing）提供的服务模式，其相应的应用运行和数据存储资源池由服务供应商提供，有需求的客户可通过支付费用获取订购资源。
私有云企业或公司根据自己的业务需求采用虚拟化等云计算技术构建的专有网络或数据中心资源，由构建的企业管理对资源进行分配管理。第三种模式是混合云（Hybrid Cloud），由私有云企业和外部公有云双方共同协商构建和维护，该方式也称为此“托管式专用”模式以支持一个公司企业数据中心内的专用云。
本文根据项目所应用的背景和实际情况，租用腾讯公有云资源进行系统核心应用部署。
1.2 SDN技术
软件定义网络（SoftwareﾠDefinedﾠNetwork，SDN）是由美国斯坦福大学Clean-Slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，其打破了传统网络架构中数控绑定性，具有数控解耦性。在SDN中OpenFlow将底层硬件的控制逻辑与数据转发分离，从而实现了更灵活的流量的控制。SDN环境可以更加方便和智能地进行网络应用设计，同时也提高了为核心网络及业务创新部署的可行性。SDN网络架构有控制层、转发层、北向接口、南向接口等。
控制层：控制层可定义网络业务流量转发路径策略定义和分发，是SDN系统的控制中心。目前常见的控制系统有RYU,ODL等，Ryu是由日本NTT公司负责设计研发的一款开源SDN控制器。另外，Big Network Controller和Floodlight的API（Application Programming Interface）完全兼容，因此基于Floodlight编写的应用程序可以直接应用于商业版本的控制器。Ryu是完全由Python语言实现，使用者可以用Python语言在其上实现自己的应用。
转发层：按照控制中心下发的转发策略匹配执行用
户数据的，这一层有具体网络结构中的转发设备执行。
北向接口：其是应用和控制之间通信的接口，应用层可以调用控制器的API接口实现对设备转发策略的具体实现。
南向接口，使用该接口控制器通过使用OpenFlow或其他相应的协议下发数据转发流表。
1.3节能技术
网络在快速发展的同时也面临许多挑战，近年来，随着互联网用户数量的增加、网络规模的扩大以及新型网络应用的涌现，网络能耗激增，互联网能耗问题受到学术界和产业界的广泛关注[1-3]。
随着大数据时代的到来，现有存在数据中心的“胖树结构”等形式以及人们生活作息规律、业务的动态性都因素都影响着网络的能效。在SDN架构下能源消耗问题依然存在，尤其是在轻负载时段。目前，国内外针对网络上的能效问题主要围绕以下方面展开：（1）根据流量矩阵进行预测，并提出相应的节能模型；（2）根据网络拓扑图论，关闭空闲的链路，提高网络的总体能效[2]。
2系统模型以及实现
本文所提出的基于RYU的网络运维平台主要包括拓扑自动发现，流量监控，网络性能评估，节能模块等。首先是拓扑自动发现，运用OpenFlow协议的RYU控制器通过LLDP协议进行链路发现，并根据收集的链路信息来识别网络结构，生成网络拓扑矩阵。第二是网络性能评估，通过iper测试对网络的链路利用率，抖动率，丢包率进行评估，直观展示网络现状。第三是节能策略，节能策略分为手动和自动两种方式。在实现节能过程中通过控制器部署对应的节能策略实施空闲链路以及对应接口的开启/关闭状态减少轻负载或零负载空转所产生的能源浪费，从而提升网络能效。
通过SDN的北向接口和南向接口进行设计，将本文的RYU控制器部署在云网络上。其中南向接口协议OpenFlow实现的包括链路发现、拓扑管理，主要是控制其利用南向接口的上行通道对底层交换设备上报信息进行监控和统计。北向接口是通过控制器向上层业务应用开放的接口，使得业务应用能够便利地调用底层地网络资源和能力，利用SDN网络开放可编程的接口进行节能策略功能实现。整体设计图如图1所示。
2.1拓扑自动发现
网络拓扑自动发现是网络管理技术中既基本又重要的技术，目前拓扑发现所利用到的协议有SNMP、ARP、ICMP、LLDP等，基于SNMP协议的技术适合于在较大范围发现网关设备[4]，基于ARP和ICMP的方法则适合局域网的拓扑发现,而基于LLDP的方法适合第二层网络的发现，其也是ONF定义下的SDN标准拓扑发现协议。本项目所采用的是OpenFlow协议的RYU控制器通过LLDP协议进行链路发现，并根据收集的链路信息来识别网络结构，生成网络拓扑。OpenFlow交换机与控制器建立连接，交换机主动上报端口等状态信息；SDN控制器可以根据Pack In中的LLDP报文可知发送的源交换机及源端口，根据Packet In报文携带的交换机及端口信息可知目的交换机以及目的端口，计算出交换机之间的拓扑结构。
2.2性能评估
在网络性能评估中采用随机模型来模拟真实流量情况，统计出在测试时间内服务器端总共接收的数据量、平均带宽数据、平均延时抖动和平均丢包情况。任意一台主机以等概率随机地向另外一台主机发起一条UDP数据流。编写mininet net.py文件的mininet类，在两个主机之间进行iperf测试，并且在server端记录，实现iperf_ single函数，为mininet添加自定义命令iperfmulti，依次为每一台主机随机选择另一台主机作为iperf的服务器端，通过调用iperf_single,自身以客户端身份按照指定参数发送UDP流，服务器生成的报告以重定向的方式输出到文件中，使用iperfmulti命令，主机随机地向另一台主机发起一条恒定带宽的UDP数据流。将结果存入云数据库中，对数据进行链路利用率，抖动率，丢包率的计算，并将其进行可视化展示。
2.3节能策略
对于性能评估结果中存在的可能存在的能耗问题，本文所实现的系统中引入了网络拓扑图论对应的特征值进行代数连通度计算[4]，并基于代数连通度的实现了节能模块，该模块通过代数连通度变化量计算网络拓扑中各链路的关键度Lci，并按Lci值越小越优先的顺序选择相应的链路进行可休眠列队，最后在保障网络连通稳定性的前提下实现节能，且节能后网络连通性得到保证。网络状态主动节能方式通过基于代数连通度变化量计算网络拓扑中各链路的关键度。主动节能方式主要根据不同时间段业务的动态规律性的链路空闲状况，设置为基于时间段因子的链路预关闭模式。当突发的链路的利用率较低时，也可通过手动方式关闭链路，在保障网络连通稳定的前提下解决链路中存在的资源能耗问题。本节能模块包含了三种模式，分别为正常模式，自动模式和手动模式，其中正常模式显示正常网络下的拓扑信息以及业务流量信息；自动模式下根据客户业务行为在不同时段所展现的规律，自动化部署特定链路进入休眠或激活状态；手动模式主要运用在业务极为空闲的情况下通过手动关闭链路节约网络资源。同时，为了避免非预测流量引发的链路过载导致网络拥塞情况发生，本文所设计的系统可将预部署主动节能方式下开启所关闭的链路，使得控制器在网络性能管控上更加稳定可靠。
3总结与展望
基于云网络的SDN绿色运维系统充分利用云网络资源灵活性的特点和SDN中数控解耦的优势，选用RYU控制器结合Python语开发实现。系统利用SDN转控分离和集中控制的思想，实现自动化拓扑发现，网络流量监控，节能策略等模块的可视化管理。然后，系统进一步引入代数连通度实现了节能的合理设计和有效部署，可根据网络业务流量情况实现性能稳定的前提下，最大可能提升网络设备以及链路的电能源效率，降低能源浪费，对响应国家提倡的节能减排行动具有重要的积极意义。
参考文献
[1]张睿哲,杨照峰.云网络中一种基于高服务质量的故障检测方案[J].计算机应用与软件,2015,32(6):320-327.
[2]张梅琼.基于节点度序列的软件定义网络节能算法[J].微电子学与计算机,2021,38(10):65-72.
[3]Abbas Bradai,Mubashir Husain Rehmani,Israat Haque,Michele Nogueira,Syed Hashim Raza Bukhari.Software-Defined Networking(SDN)and Network Function Virtualization(NFV)for a Hyperconnected World:Challenges,Applications,and Major Advancements[J].Journal of Network and Systems Management,2020,28(3).
[4]张梅琼.基于代数连通度的软件定义网络节能算法[J].福建师范大学学报(自然科学版),2021,37(3):20-28.
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