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秒速赛车软件定义无线网络-综述与展望(下

发布时间:2018-02-17 06:57
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  今日荐文的作者为北京工业大学信息学部信息与通信工程学院,先进信息网络北京实验室专家李嘉麒;北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心,北京工业大学信息学部信息与通信工程学院,先进信息网络北京实验室专家孙恩昌;北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心,北京工业大学信息学部信息与通信工程学院专家王卓;济南军区空军94370部队专家王金京; 北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心,北京工业大学信息学部信息与通信工程学院,先进信息网络北京实验室专家张延华。本篇节选自论文《软件定义无线网络-综述与展望》,发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。

  摘 要:为了应对封闭、僵化、难以在传输速率和容量上做出突破的传统网络,研究者提出软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)的概念,SDN将控制功能从数据转发层中分离出来,使得终端接入、数据转发等功能统一由控制器控制,同时开放网络设备的可编程接口,提高了网络的灵活性和可控性。SDN与无线网络相结合,形成软件定义无线网络(Software-Defined Wireless Networking,SDWN)。本文主要综述了包括接口、协议、平面等软件定义无线网络相关的基本概念以及SDWN的基本体系结构(应用层、控制层以及基础设施层等);分析了SDWN实现过程中的关键问题如切换管理、负载均衡、协同管理等;从切换及虚拟技术、协议稳定性、可扩展性方面论述了相关技术所面临的挑战以及目前的研究工作重点;最后,从以上挑战出发,展望了SDWN未来的主要研究方向。

  SDWN相对于原有的无线网络架构,是对原有无线网络技术的全面升级,而不是简单的将控制平面与数据平面分离。主要体现在如下几个方面:

  切换管理一直是无线通信中的重点和难点。由于终端节点的移动将引起节点切换问题。同时,在SDWN网络中,随着网络控制功能的丰富,终端会因为各种不同的部署进行切换,在使用不同业务时可能也涉及到节点切换问题。节点切换的速度以及切换前后用户得到服务的变化,是SDWN性能评价的重要指标之一。

  文献[25]中,以信号强度为切换标准,当新信号强度大于当前信号强度一定阈值时,则通过虚拟AP进行无缝切换。文献[26]在此之上加以改进,提出不应只考虑信号强度问题而频繁切换,应由用户在实时虚拟化接入节点的节点中选择。文献[27]提出,应由控制器收集信息,同时定义另外的转发规则供交换机和网关使用,关联终端与另外设备。文献[28]则对多个网络参数进行综合计算,给出切换决策方案并选出最好的切换网络。

  上述几种方法都是通过迁移虚拟AP的方法实现节点切换。可以发现,在SDWN中,物理AP的差异性被减弱,只作为转发数据使用,终端的接入认证过程由虚拟接入点和控制器完成。因此,也有一些研究关注于AP的虚拟化方法。例如,文献[29-30]提出,对物理AP进行虚拟化,使物理AP只负责帧的转发,其他功能则全部由虚拟AP完成。文献[31]的思想与之前类似,且加以改良,将一定范围内所有物理AP虚拟为一个“大AP”。控制器控制终端在“大AP”内直接切换,使得切换过程更加流畅。文献[32-33]也介绍了几种不同的在物理AP上实现虚拟化功能的方法。

  综上,节点切换问题中,有两大问题将是今后研究的热点,即终端的无缝切换技术和接入点的虚拟化技术。

  SDWN中,AP的负载能力有限,若单个AP上有过多的业务时,则会使AP过载,从而无法保证服务质量。针对此问题,文献[34-35]提出,当某一区域内同时包含有负载较小和较大的AP时,控制器应将更多客户端(包括已经连接到负载较大AP上的)接入到负载较小的AP。文献[36]提出的方案让控制器在获取网络状况(拓扑结构、负载等)的同时,可以重定向服务请求,为终端选择更加适合的服务器,实现流量均衡。

  对于AP负载变动较为频繁,或终端频繁的移动,会引发负载抖动,使网络资源消耗过多。一些研究者针对此情况,采用服务质量或能效功率作为参数,综合考虑后决定是否切换AP。文献[37]提出切换质量偏置值调整的负载均衡算法,在保证用户满意度的同时对基站能效做出了较大的优化。文献[38]将服务质量匹配度函数和负载均衡指数线性组合成联合优化函数,在进行网络负载均衡的同时,能够有效降低业务阻塞率,从而有效提升异构无线网络的整体性能。

  为了解决当前互联网面临的固有的问题[39],网络虚拟化[40](Network Virtualization,NV)近几年的发展十分迅速[41]。

  传统的网络虚拟化技术以虚拟局域网(Virtual Local Area Network, VLAN)与虚拟专用网(Virtual Private Network,VPN)为代表,通过协议封装在物理网络上提供互相隔离的虚拟专用网络。近年来,网络虚拟化已扩展到移动和无线],形成了无线网络虚拟化(Wireless Network Virtualization,WNV)。WNV中,物理节点和物理链路被虚拟化为不同虚拟网络的虚拟节点和虚拟链接。

  SDWN解耦控制层面与数据平面,引入控制中心化,这些思想可以显著提高WNV的可编程性和定制性,同时为WNV提供最优的控制和操作策略。另一方面,虚拟化思想增强了网络的灵活性和伸缩性,能大幅提高SDWN的网络资源利用率。因此,虽然WNV和SDWN的研究动机、目标、技术细节、实现方法等不尽相同,但WNV与SDWN高度互补,为未来的移动和无线]。

  目前,研究者已经应用WNV构建了WLAN(802.11)网络[44]、Wimax网络[45]、LTE网络[46]等,下一步的研究工作应着重于如何在相同的物理基础设施上构建不同的网络以及在构建不同网络后如何更加合理的调配网络资源。基站应首先完成下层网络信息的汇总,上报给SDWN控制器后,根据现实的情况,合理分配资源的流动,并依照使用者的需要分配网络资源[47]。这是未来WNV相关研究中的重点。

  控制器在整个SDN或SDWN中的地位举足轻重,是全网信息的汇聚地,是全网指令的出发地。控制器的性能直接关系整个网络的性能。应用的种类、数量越丰富,网络的规模越大,对控制器性能的要求就越高。单个控制器性能的提升速度将无法满足对控制器要求的提高速度。若控制器性能落后,可能会使网络的性能降级,甚至导致网络瘫痪。文献[48]中提出,可以在控制器之外增加一个新模块,此方法可以对控制器的性能问题有所缓解,然而,面对广域SDWN的问题,单个控制器无法有效应对。因此,应选择使用SDWN控制器集群来解决上述问题。

  SDWN控制平面使用分布式集群后,首先会面临一致性与可用性的协调问题[49]。为了提高SDWN网络的一致性,文献[50]为了增强SDWN控制层面的一致性,在基础设施上添加控制算法,然而,此方法与SDWN的核心思想相违背。文献[51]则利用带复制的事务性数据库模式和DHT分布式哈希表模式来解决一致性问题。文献[52]采用了层次策略方案,解决了并发策略一致性问题。

  文献[53]基于分布式集群技术思想,提出控制平面的扩展方案和阶段性的一致性更新算法,解决了SDN集中式控制架构无法适应大规模网络、网络扩展性差以及可能存在的逻辑一致性问题。文献[54]则从3类典型的一致性问题入手,研究一致性、性能及可用性三者之间的量化关系,寻求SDN多控制器间的协同优化配置。

  在保证一致性的前提下,系统的可用性是保证用户体验的关键[55]。文献[56]为了保证系统的可用性,牺牲了一定的一致性,使系统应对故障的能力更强。文献[57]设计并实现了网络分区算法,使得多个控制器共同承担整个网络拓扑的管理工作,从而提高控制平面的可用性。文献[58]则对控制器进行热备份,实现合理的网络构建。

  东西向接口协议在控制器集群中至关重要,能有效的解决控制器扩展问题。对SDWN网络来说,控制器集群问题还需要进一步研究,例如东西向接口标准的制定与优化,集群方式的选取等等。

  作为SWDN目前最典型的南向协议,OpenFlow自从提出就备受瞩目。OpenFlow版本从最初的1.0演进到如今的1.5,其匹配域的个数从最初的12个增长至45个,(表1所示)。每增加一个匹配域就需要重新对控制器和交换机进行编程,同时修改两端的协议栈。这一问题使得OpenFlow交换机的使用寿命大大缩短,同时也增加了设计难度。

  有关SDWN的研究已经得到各方面的关注,但目前SDWN的相关研究尚不成熟,技术也有待完善。SDWN带来许多的发展机遇,同时也面临诸多挑战。

  随着SDWN的持续发展,各种负载均衡、虚拟化算法层出不穷。控制器可能根据业务特性、AP负载、信号强度、终端种类等各种因素切换终端所连接的AP,而无缝切换技术的成熟与否是以上算法能否顺利实现的关键。

  相应的,无缝切换技术的演进也加大了对于AP虚拟化技术的要求。虚拟化程度越高,进行节点切换时用户受到的影响就越小。一定的虚拟化技术也是切换技术提高过程中的一大研究内容。

  SDWN相比于传统无线网络,由于控制能力的抽离,AP可以承担足够少的功能,因此如何建立一个功能齐全的、稳定的虚拟AP在切换过程乃至整个SDWN网络服务中都至关重要。现有的一些AP虚拟技术已经能使得AP仅仅承担转发数据的业务,其他功能都抽象到虚拟AP上进行。在未来的研究中,对于虚拟AP的构建将会越来越完善,虚拟AP也许会承担部分数据转发业务,使得终端对于物理AP的依赖降低到最小,配合完备的切换技术,可以大大提高服务质量。

  目前,P4被认为是最有希望代替OpenFlow成为SDWN南向标准协议。实际上,P4更加符合网络编程语言的特性,其目的是让用户能够对目标设备进行编程(网络芯片、网卡、交换机等),从而使转发更加灵活。

  P4的目标是作为一个统一的高级语言,只关注于描述数据包解析处理过程,底层的行为则交由目标设备的编译器完成。P4以其灵活性以及设备无关性赢得了广大学者的认可,使网络编程更加简单,使SDN可编程能力大大提高。因此,未来的南向协议应该以P4语言为基础,且在转发上更加灵活,在部署上更加稳定。

  另一方面,无论是无线或是有线网络,分布式控制结构已经非常成熟。OpenFlow采用控制中心化思想,将控制功能集中于控制器上,会引发诸如控制器性能不足,通信协议灵活度不够等问题。P4旨在开放可编程数据面,使数据面的功能和配置可由软件以一套标准的语言自由定义,并不强调必须对控制器编程。因此,未来的SDWN网络中,会更多的开放网络设备的可编程性,调动广大网络运营、开发、研究人员的集体智慧,加速网络生态圈的创新与发展,增加设备的重配置性能,有效降低网络协议升级或增加的硬件成本。

  随着网络规模不断扩大,控制器需要处理的数据越来越多,单个控制器可能无法处理过多请求[61]。简单地提高单个集中控制器的性能,而不是从架构层面上做出改变,并不能适应广泛和日益密集的网络规模。因此,SDWN可以由多个物理隔离的控制器进行控制。这些控制器不会与“集中控制”的原则冲突,而是能够有效地沟通和合作。

  控制器集群化后,当单个控制器失效时,集群中的其他控制器能够有效地分担失效控制器的任务。同时,面对交换机流量的日益增长,SDWN控制器集群以其良好的扩展性可以轻松应对。SDWN控制器集群在广域网环境中能够有效降低传输延迟,发挥的作用较局域网中更加显著。

  当集群中有控制器失效时,应将失效控制器上的数据发送到其他控制器上,同时更新全网拓扑。若主控制器失效,则需立即选举出新的主控制器。选举算法的设计不能太复杂,同时还应考虑带宽、延迟等因素。

  集群中各个控制器需要由负载均衡技术来平衡控制器之间的负载。由于控制器和交换机之间大多为有线连接,因此可以采用有线负载均衡技术。

  SDWN网络的一大优势是全网视野,控制器集群后,各个控制器都应实时监控拓扑的变化情况,并及时报告给主控制器。主控制器将信息汇总后,再发送给其它控制器。这样,可以使集群对于网络的控制更加有效。

  首先,本文综述了SDWN基本概念,同时,从应用平面、控制平面、数据平面、北向接口、南向接口、东西向接口六个方面详细介绍了SDWN体系架构。

  其次,本文讨论了SDWN实现过程中需要注意的一些关键问题(切换管理、负载均衡、无线网络虚拟化以及协同控制等问题),同时从这些关键问题近年的研究情况出发,讨论了未来研究工作的方向与研究工作中应该注意的问题。

  随后,本文在现有的无线网络基础上,展望了未来SDWN研究工作中有可能遇到的挑战,无论是从切换和虚拟技术、南向协议稳定性还是多控制器协同控制方面,这些挑战都是SDWN已经或是即将遇到的难点。攻克这些难点将是SDWN实现过程中极为重要的一环。

  最后,针对SDWN未来研究工作中会遇到的难题与挑战,本文提出了可供选择的解决方向。加强AP虚拟化程度以保证AP切换的顺利进行;以P4等更加完善的南向协议补充或取代现有的OpenFlow协议来解决协议稳定性问题;开放东西向接口,使用控制器集群应对单个控制器性能不足及控制层面扩展问题。

  在未来的研究工作中,解决这些问题,克服这些挑战,将能为用户提供更好的服务体验,这也是研究者提出软件定义网络的初衷。随着对于SDWN的深入研究,相信这些问题一定会在不久的将来得到解决。

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