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知識背景

        隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，諸如視頻直播、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等實(shí)時業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，多個接收者需要同時從一個或多個源節(jié)點(diǎn)接收相同的流媒體數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⑷萘看蟠笤黾?，占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬。對這些應(yīng)用需求，傳統(tǒng)的點(diǎn)播技術(shù)，不僅對源節(jié)點(diǎn)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗很大，同時用戶數(shù)量的擴(kuò)展受到限制。比較而言，組播是一個很好的傳輸方案。由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中路由器需要預(yù)先配置，然后才可以動態(tài)支持組播訂閱者的加入、離開操作和組播樹的生成操作，并且傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的路由器沒有針對用戶對帶寬的大需求來動態(tài)選擇傳輸路徑，很容易造成鏈路擁塞，不能夠?yàn)橛脩籼峁┹^好的服務(wù)質(zhì)量，難以在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署。

        以 OpenFlow 技術(shù)為核心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）框架具有集中控制的功能，能夠自己感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，在?xì)粒度的路徑選擇、接入控制、負(fù)載均衡方面有著天然的優(yōu)勢，為 IPv6 組播功能的實(shí)現(xiàn)提供了好的解決方案。為了解決 SDN 網(wǎng)絡(luò)下的 IPv6 組播問題，提出了在 SDN 控制器中設(shè)計(jì)組成員管理、帶寬拓?fù)渚S護(hù)、組播樹的構(gòu)建三個功能模塊，不再需要部署分布式的組播路由協(xié)議。

SDN介紹

        SDN是來源于斯坦福大學(xué)的 Clean Slate 項(xiàng)目組，他們有一個宏偉的目標(biāo)，就是要重造因特網(wǎng)，改變現(xiàn)有的僵化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，以求建立一個可擴(kuò)展的高性能的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。2009年，SDN概念入圍 Technology Review 年度十大前沿技術(shù)。 2012 年 4 月，ONF組織發(fā)布了 SDN 白皮書，提出了一種類似于操作系統(tǒng)的思想:把網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當(dāng)成被管理的資源，控制器相當(dāng)于一個操作系統(tǒng)，管理這些資源。這個控制器抽象網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，并把這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息提供給上層應(yīng)用。上層應(yīng)用通過統(tǒng)一的可編程的接口來對這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置和管理，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能，不用再去關(guān)心底層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖儎?。提出?SDN三層模型(物理設(shè)備層、控制層、應(yīng)用層)獲得了業(yè)界廣泛認(rèn)同。

        在 SDN 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐方面，OFELIA、Internet2、FIRE和 GENI等科研組織在真實(shí)環(huán)境中部署了 SDN 網(wǎng)絡(luò)。華為、銳捷、思科、Pica8 等廠商積極投入人力、物力進(jìn)行研究，研發(fā)出支持 OpenFlow 協(xié)議的 SDN 控制器或 SDN 交換機(jī)。在 SDN 網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)部署方面，Google 把基于 OpenFlow 技術(shù)的 SDN 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署在數(shù)據(jù)中心，使網(wǎng)絡(luò)資源利用率得到了顯著提高并且降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的復(fù)雜度。

        SDN的網(wǎng)路架構(gòu)圖如下所示：應(yīng)用層主要是完成用戶意圖的各種上層應(yīng)用程序，對網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理。控制層的核心功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑計(jì)算和邊界業(yè)務(wù)路由計(jì)算、流表控制和下發(fā)等功能。轉(zhuǎn)發(fā)層主要由交換機(jī)之間的鏈路構(gòu)成基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)發(fā)過程中所需要的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)是控制器下發(fā)的流表，交換機(jī)依據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)，本身不具有邏輯判斷功能。

ONOS控制器

        SDN 控制器對整個 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能有著決定性的作用。目前，已經(jīng)有二十多種由不同語言、不同機(jī)構(gòu)研發(fā)的控制器，特別是開源社區(qū)提供了很多的控制器，如Nox,RYU,Floodlight,OpendayLight,ONOS等。其中，ONOS控制器是第一款面向運(yùn)營商的商業(yè)級別控制器。支持多種南向接口協(xié)議，抽象屏蔽了協(xié)議差異性，以高可靠性和高可用性著稱，更適合運(yùn)營商場景。ONOS的設(shè)計(jì)高度層次化、模塊化、抽象化。ONOS的內(nèi)核是由很多遵循同一架構(gòu)設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)組成的，核心層在設(shè)計(jì)上遵循“針對接口編程，不針對具體實(shí)現(xiàn)編程”的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則，將子系統(tǒng)提供的服務(wù)功能抽象成接口，呈現(xiàn)給頂層的應(yīng)用和底層的協(xié)議插件。子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

• App Component：應(yīng)用程序通過AdminService和其他服務(wù)接口聚合消息，被Manager Component使用和操作。 

• Manager Component：對網(wǎng)絡(luò)的抽象，是協(xié)議無關(guān)的，對上提供統(tǒng)一的北向接口。主要包括Manager和Store，Store則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲，查詢，更新以及東西向同步等，所有來自Manager中與數(shù)據(jù)相關(guān)的操作都會通過Store來完成。Manager也會將Store中的事件拋出并實(shí)現(xiàn)ListenerService接口，其它應(yīng)用通過ListenerService接口即可實(shí)現(xiàn)事件的監(jiān)聽。

• Provider Component：Provider是協(xié)議相關(guān)的，主要為核心層提供抽象的數(shù)據(jù)類型，Provider通過核心層提供的ProviderService接口向核心層注入網(wǎng)絡(luò)信息，Provider也會暴露Provider接口給核心層，接收來自核心層的command消息。每個Provider需要在ProviderRegistry進(jìn)行注冊，才能被ProviderService識別。

架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

        在ONOS控制器的適配層、核心層和應(yīng)用層開發(fā)實(shí)現(xiàn)IPv6組播功能。包括適配層對交換機(jī)端口狀態(tài)的維護(hù)；核心層對訂閱者信息和訂閱者直連交換機(jī)信息的維護(hù)；應(yīng)用層對組播路徑選擇的維護(hù)。架構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖如下圖所示。

        帶寬拓?fù)溥m配器組件實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)及其端口狀態(tài)的維護(hù)，OpenFlowDeviceProvider類是ONOS控制器中已經(jīng)存在的交換設(shè)備抽象類，但沒有提供獲取實(shí)時端口帶寬的方式。為了獲得實(shí)時的端口可用帶寬信息，在OpenFlowDeviceProvider類中設(shè)計(jì)了PortStatsCollector類。

        組成員管理組件需要實(shí)現(xiàn)對組播訂閱者的維護(hù)和訂閱者端交換機(jī)信息的維護(hù)，并通知組播選路模塊給組播訂閱者選擇路徑。組成員管理組件的實(shí)現(xiàn)依賴設(shè)備管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)包管理子系統(tǒng)、主機(jī)管理子系統(tǒng)，該組件由組播訂閱者信息維護(hù)和訂閱者端交換機(jī)維護(hù)兩部分組成。

        組播選路組件，當(dāng)有組播訂閱者加入組播組時，組播選路組件要依據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌穾捫畔榻M播訂閱者選擇傳輸路徑，并且要考慮組播訂閱者是新加入一個組播組還是加入一個已經(jīng)存在的組播組，針對兩種這兩種情況有不同的選路算法。如果是新加入一個組播組，則組播流量是從組播發(fā)送端傳送給接收者的；如果是加入已經(jīng)存在的組播組，則組播流量是從轉(zhuǎn)發(fā)組播流量的交換機(jī)多端口復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)過來的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

         數(shù)據(jù)平面用Mininet模擬器模擬6臺交換機(jī)，Mininet在Mininet模擬器中通過xterm命令開啟三個主機(jī)是一個能夠創(chuàng)建包含虛擬主機(jī)、交換機(jī)、控制器和鏈路的網(wǎng)絡(luò)平臺仿真器，Mininet主機(jī)運(yùn)行的是標(biāo)準(zhǔn)的Linux網(wǎng)絡(luò)軟件，Mininet的虛擬主機(jī)、交換機(jī)、鏈路和控制器是由軟件創(chuàng)建，使之看起來像一個完整的網(wǎng)絡(luò)。在Mininet模擬器中通過xterm命令開啟三個主機(jī)，給組播發(fā)送端配置的IPv6地址為fc00::1/64，兩個訂閱者配置的IPv6地址為fc00::2/64和fc00::3/4。三個主機(jī)分別運(yùn)行各自的接收組播流量的程序，輸出接收組播流量的來源和接收時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖，兩個訂閱者可以同一時刻能收到相同的數(shù)據(jù)。

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