基于語義網(wǎng)的SDN網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口研究

1、https:/基于語義網(wǎng)的基于語義網(wǎng)的 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口研究網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口研究摘要：SDN 是未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一大方向，其北向接口提供了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的編程和人機(jī)接口。目前北向接口的研究主要集中在異構(gòu)性消除、可編程性提高、提供網(wǎng)絡(luò)新功能和改善性能等方面，而 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理研究尚處于起步階段。語義網(wǎng)具備強(qiáng)大的層次化描述能力，便捷靈活的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，豐富的工具及方法論支持，良好的可移植性，有利于在北向接口上提供基于虛擬網(wǎng)絡(luò)上的視圖管理功能，為 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理帶來便利，并提高上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的可移植性。本文提出結(jié)合語義網(wǎng)（Semantic Web）技術(shù)，結(jié)合基于語義網(wǎng)的SDN

2、網(wǎng)絡(luò)資源管理平臺(tái)，研究基于語義網(wǎng)的 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口。關(guān)鍵詞：SDN；語義網(wǎng)；北向接口；網(wǎng)絡(luò)資源；服務(wù)質(zhì)量中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）17-0016-05軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN）是由美國 GENI 項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)的 MacKneow 教授在主導(dǎo)的 Clean Slate 項(xiàng)目中提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)不同，SDN 的核心是在網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè) SDN控制器（Control-ler），通過核心技術(shù) OpenFlow 通過將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層和設(shè)備控制層分離，從而簡化網(wǎng)

3、絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)資源的管理是 SDN 的一個(gè)重要維度，但如何在較高的抽象層次上實(shí)現(xiàn) SDN 網(wǎng)絡(luò)資源的高效管理，尚未形成較理想的框架。語義網(wǎng)（Semantic Web）是未來網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)想，它可以形成一個(gè)機(jī)器可讀的虛擬網(wǎng)絡(luò)圖數(shù)據(jù)庫。它具有十分強(qiáng)大的推理能力，它可以使用 OWL（WebOntology Language，網(wǎng)絡(luò)本體語言）對(duì) SDN 網(wǎng)絡(luò)資源以及相關(guān)的業(yè)務(wù)資源進(jìn)行建模，使用 RDF（Resource Description Framework，資源描述框架）給抽象的業(yè)務(wù)資源和網(wǎng)絡(luò)資源帶來具體化的描述。其便捷靈活的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)

4、構(gòu)，豐富的工具及方法論支持，良好的可移植性，為構(gòu)建 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口，實(shí)現(xiàn)抽象化、虛擬化的網(wǎng)絡(luò)管理，提供了良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。為構(gòu)建SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理北向接口，提供了靈活的基礎(chǔ)。本文結(jié)合語義網(wǎng)技術(shù)對(duì) SDN 的北向接口進(jìn)行擴(kuò)展，彌補(bǔ)現(xiàn)有 SDN 對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源管理方面的不足，提供 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理的編程和人機(jī)接口。1 SDN 北向接口筆者從不同的抽象層次，將當(dāng)前北向接口研究總結(jié)為幾大方面，分別是：1）可移植性北向接口：主要致力于解決異構(gòu) OpenFlow 協(xié)議或者硬件之間的差異性，從而為上層應(yīng)用提供一個(gè)可移植性層，主要工作包括 tinyNBI、NOSIX 等。https:/2）

5、可編程性北向接口：主要致力于實(shí)現(xiàn)專用的 SDN 網(wǎng)絡(luò)程語言，或嵌入到現(xiàn)有的高級(jí)語言中，提高 SDN 網(wǎng)絡(luò)的可編程性，實(shí)現(xiàn)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)行為的控制，主要工作包括 Frenetic、NetCorete 等。3）網(wǎng)絡(luò)虛擬化北向接口：通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化，在物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)視圖，主要工作包括 FlowVisor、libNetVirt 等?？梢钥吹浆F(xiàn)有的幾類北向接口，主要從異構(gòu)性消除、可編程性提高、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等角度進(jìn)行研究，對(duì) SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理方面的研究目前比較少見，使得用戶和上層應(yīng)用難以找到滿足其需求的個(gè)體資源（如某個(gè)交換設(shè)備）或群體資源（如滿足服務(wù)質(zhì)量的路徑）。筆者認(rèn)為應(yīng)該采用平臺(tái)中

6、立的語義網(wǎng)技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行建模，盡可能同底層物理設(shè)備解耦，并利用北向接口對(duì)其進(jìn)行虛擬化、抽象化的管理，方便 SDN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 特別是網(wǎng)絡(luò)資源密集型應(yīng)用的開發(fā)。2 基于語義網(wǎng)的 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源管理平臺(tái)2.1 構(gòu)建模型1）首先進(jìn)行安裝 Protege，并配置好環(huán)境變量。2）SDN 本體模型構(gòu)建：a）新建一個(gè) OWL 項(xiàng)目，在 Active Ontology 的面板中定義本體的 URI 作為模型的命名前綴，在本設(shè)計(jì)中定義 Ontology IRI 為：http：/michellin/ontologies/2016/2/SDN。b）在 Classes 面板中

7、添加資源類，如圖 1 所示。在模型中，將 SDN 網(wǎng)絡(luò)資源抽象為六個(gè)類分別是 Component（組件）、De-vice（設(shè)備）、Hnk（鏈路）、How_table（流表）、Function（功能）以及 Group_tablef 組表）。六個(gè)類下又分別有子類：Component 下的子類為 Port（端口）；Device 的子類為Controller（控制器）、Switch（交換機(jī)）和 Host（主機(jī)）；Link 的子類為各種規(guī)格的傳輸介質(zhì)。Function 的子類為 Action、Instruction、Pipeline_wordflow動(dòng)作指令，F(xiàn)low_table（流表）子類分為 Cou

8、nter、Instruction、Match_Field等；出于篇幅限制，僅給出定義資源圖以及總體模型展示圖。c）在 Object Properties 面板中添加類間屬性。在模型中，定義 9 種類屬性：connects（連接）、contains（包含）、controls（控制）、consistsof（組成）、deploys（部署）、includes（包括）、supports（支持）、isdeployedby（ 被 部 署 ） 以 及 consists （ 由 什 么 組 成 ） 等 。 connects 描 述 交 換 機(jī) 類（Switch）、交換機(jī)端口類（Port）、鏈路類（Hnk）、主機(jī)

9、類（Host）之間的連接關(guān)系；contains 描述端口類（Port）和交換機(jī)類（Switch）的包含關(guān)系；controls 描述控制器類（controller）和交換機(jī)類（Switch）的控制關(guān)系，交換機(jī)https:/supports 功能（Function）等。 d）在 Datatype Properties 面板中添加類的數(shù)值關(guān)系。在模型中，添加了 5 個(gè)類屬性：Device_property（設(shè)備屬性）、Match_Field（匹配領(lǐng)域）、IP、MAC、QoS（服務(wù)質(zhì)量）。在設(shè)計(jì)中主要用到的 是 設(shè) 備 屬 性 和 服 務(wù) 質(zhì) 量 屬 性 ， 其 余 的 屬 性 作 為 后 續(xù) 拓 展

10、 開 發(fā) 。 在Device_property 屬性類下有 CPU 和 RAM 子類，用于描述交換機(jī)的設(shè)備狀態(tài)信息。在 QoS 屬性類下有：Available（可用性）、Bandwidth（帶寬）、Delay（時(shí)延）、Drop（丟包率）、Jiuer（抖動(dòng)）以及 Total_QoS（總 QoS）等服務(wù)質(zhì)量子類，用于描述交換機(jī)端口的服務(wù)質(zhì)量。定義 Device_property 和 QoS 的數(shù)值類型都為雙精度浮點(diǎn)型（double）。e）SDN 本體模型構(gòu)建完成后，以 XML 的格式保存并命名為“SDN.owl”?？傮w模型展示圖如 2 所示。2.2 實(shí)例化本體模型利用 Jena 框架的 Model

11、Factory 創(chuàng)建本體模型，例如使用如下代碼構(gòu)建一個(gè)本體模型：OntModel model=ModelFactory.cre-ateOntologyModel（）。并以 字 符 流 的 形 式 讀 取 之 前 定 義 好 的 本 地 模 型 。 結(jié) 合 提 供 的 API 如/wm/core/controller/switches/json 獲取底層實(shí)際交換機(jī)信息。使用類似的語句進(jìn)行實(shí)例化模型。Individual swIndi=model.createlndividual（ns+switchDHD，Switch）；結(jié)合本體模型以及從控制器已獲取的 topo 信息，利用 Jean 框架和 J

12、SON 文本格式構(gòu)建一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò) RDF 圖，以便上層應(yīng)用使用。2.3 SPARQL 查詢的實(shí)現(xiàn)1 ） 最 短 路 徑 查 詢 的 實(shí) 現(xiàn) ： Jena 框 架 中 的 OntTools 類 包 含 了findShortestPath（）的函數(shù)該函數(shù)可以找到兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，將最短路徑的中間節(jié)點(diǎn)和距離返回。它需要傳人四個(gè)參數(shù)，分別是：本體模型、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和過濾條件（可指定中間經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)），可直接調(diào)用。2）單一的 QoS 和多種 QoS 查詢，可以直接通過非常簡便的 SPARQL 語句實(shí)現(xiàn)，如下例 1 和例 2。2.4 應(yīng)用層可視化設(shè)計(jì)利用 D3.is 實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)圖以及語義網(wǎng)三元組節(jié)點(diǎn)

13、圖的可視化利用，CSS，javaScript，Ajax JsPlumb，等主流的技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁面的動(dòng)態(tài)交互以及自定義的topo 的實(shí)現(xiàn)。3 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果1）啟動(dòng) Ubuntu 15.10 系統(tǒng)，打開終端進(jìn)入 Hoodlight-1.2/target 目錄輸入如 下 命 令 啟 動(dòng)Hoodlight1.2 （ 指 定 默 認(rèn) 的 配 置 文 件 即perties）java-iar Floodlight.iar cf perties2）建拓?fù)淠K及視圖展示模塊驗(yàn)證，將項(xiàng)目部署到 Tom-cat 服務(wù)器后，

14、運(yùn)行 Tomcat，打開瀏覽器輸入 http：localhost：8082/SemSDN/訪問平臺(tái)主頁面，如圖 3 所示。首頁具有導(dǎo)航功能，主要分為兩個(gè)模塊，分別是語義網(wǎng)的可視化以及功能展示模塊和建立可拖拽 topo 的模塊。點(diǎn)擊“創(chuàng)建 topo”，進(jìn)入創(chuàng)建 topo 界面，如圖 5-4 所示。該版塊實(shí)現(xiàn)的功能主要有，快速建立典型 topo，包括樹形 topo 和線性 topo。建立自定義 topo，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)已建 topo 的增刪功能。如下圖 4 所示：創(chuàng)建一個(gè)簡單樹形拓?fù)洌仍凇癟ypicalTopo”中選擇“tree”，輸入層數(shù)和葉子數(shù)，點(diǎn)擊“Generate Topology”生成該拓

15、撲的 py-thon 文件并點(diǎn)擊“deploy”按鈕將topo 部署至 Floodlight 控制器中，點(diǎn)擊“ShowTopo”跳轉(zhuǎn)回主界面。生成 topo 文件后 Topo-Maker 界面如圖 5，部署后主界面如圖 6 所示。3）QOS 信息模塊驗(yàn)證點(diǎn)擊 S2 交換機(jī)，在左邊的 Real-time QoS Information 窗口可以顯示該交換機(jī)的 QoS 信息，如圖 7 所示。4）SPARQL 查詢模塊驗(yàn)證返回“TopoMaker”界面，通過手動(dòng)拖拽創(chuàng)建一個(gè)拓?fù)?，如圖 8：點(diǎn)擊“Generate Topology”以及“Deploy to Mininet”按鈕，將創(chuàng)建的拓?fù)渖蓪?duì)應(yīng)的

16、 python 文件，并部署到 Floodlight 控制器上。在右側(cè)模塊的“Shortest Path Query”中，輸入查詢“hi”和“h4”之間的最短路徑，點(diǎn)擊“Query”按鈕。彈出最短路徑查詢結(jié)果的對(duì)話框，如圖 9 所示，最短路徑用藍(lán)色標(biāo)識(shí)，在下方顯示了最短路徑的詳細(xì)信息。5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊驗(yàn)證點(diǎn)擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊右側(cè)的選項(xiàng)卡，可以查看帶寬、時(shí)延、丟包率和總 QoS的柱形圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況。6）典型拓?fù)湫阅軠y(cè)試如圖 14（圖中所有數(shù)據(jù)為五次測(cè)試所得值得平均值），其中樹形 m*n 表示有 m 層且每個(gè)交換機(jī)有 n 個(gè)分支；線性 m*n 表示有 m 個(gè)交換機(jī)且每個(gè)交換機(jī)有n 個(gè)主機(jī)。https:/由上表可得出結(jié)論：當(dāng)節(jié)點(diǎn)不多時(shí)，該系統(tǒng)能夠很快的從控制器中獲取部署的拓?fù)?，并?duì)最短路徑及環(huán)路查詢等 SPAR QL 查詢語句做出快速反應(yīng)并在前臺(tái)顯現(xiàn)出結(jié)果。4 總結(jié)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分