面向软件定义网络的高性能计算网络技术前瞻

王晓玲

摘 要：高性能计算网络将会进一步促进我国下一代网络技术和相关产业的快速发展，针对当前的问题和趋势，基于SDN构建适用于高性能计算的按照业务进行调度网络环境，通过相关网络设备实现控制与转发分离、逻辑集中控制和开放API，提高高性能计算的网络管理效率和带宽利用率，解决高性能计算领域网络发展建设需求。因此，研究和开发基于SDN的高性能计算网络系统，对于提升科学计算领域网络效率，推进科学计算业务应用的深化发展，具有重要意义。

关键词：SDN；高性能；计算网络；软件定义网络

云计算、虚拟化网络、物联网、移动互联网、大数据时代的出现，加快了网络架构变革的脚步，传统网络架构在处理以大数据、智能分析、网络虚拟化为代表的新业务、新应用时的能力日渐捉襟见肘。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）作为一种新兴的网络架构，具备动态的、可管理的、性价比高、适应能力强等特点，非常适合处理高带宽、动态性的应用。软件定义网络（Software Defined Network，SDN），最初是由美国斯坦福大学clean slate研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心思想是通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

分析近几年SDN技术的发展情况，可以看出，国内外从学术界到商业界，都在十分积极的推动着SDN技术的发展。从技术发展的比较角度来看，国内在SDN技术方面已经从高校的试探性实验研究发展到百度已经研发出几块成型的SDN产品，并在继续做进一步的探索和尝试；国外在SDN技术方面也已经从高校实验室SDN概念的提出发展到各大运营商和各大公司积极制定各种SDN技术标准，甚至谷歌已经在单一的小型化网络中成功应用了SDN技术。从这些发展比较中，我们有理由相信，SDN技术能够得到进一步的发展。

SDN技术核心思想就是将网络设备配置平面从嵌入式节点独立出来到软件平台，由软件驱动的中央控制节点自动化控制的网络架构。采用SDN网络架构可以灵活控制数据传输过程，降低网络复杂度，减轻大数据传输过程中的管理工作等。通过构建SDN高性能计算网络系统架构、研制SDN控制器和交换机设备原型机、真实环境应用示范与改进、解决方案优化升级等步骤，研制针对于高性能计算应用的业务网络系统，满足高性能计算的大数据和领域云高性能计算业务特色。主要从以下几个方向上进行技术上的突破：基于ONF架构扩展的资源弹性调度高性能计算SDN网络架构的设计；SDN下DPI/CFI/DFI相结合的多业务动态感知和检测技术的开发；基于业务实时状态、需求的资源最优分配算法和拓扑调整算法的研究；网络级自恢复高可靠性设计；可自优化的智能绿色节能设计。

SDN将网络控制与数据转发相分离，把传统網络设备拆分为应用、网络操作系统以及转发设备的三层架构。

在理想情况下，三层架构通过如下方式协作：

1）转发设备向网络操作系统提供标准的应用接口，即南向接口；

2）网络操作系统封装管理控制能力（即北向接口）并向上层应用开放；

3）上层应用、网络操作系统和转发设备间通过标准的协议进行通信。

网络操作系统掌握网络的控制权，而转发设备将由于功能越来越趋于同质化，导致其利润越来越薄，网络设备价值链的核心将开始分化。网络交换芯片（尤其是流表处理器）和网络操作系统将是一个核心价值所在。

当前IP网在服务质量保证、网络可扩展性方面存在问题，而SDN控制面集中地特性决定了SDN在解决这些问题方面可以有所作为。

SDN在服务质量保证方面的几个改进方向包括：

1）合理的SDN架构和组件分工，能满足基于整网业务识别和资源弹性调度功能的扩展；

2）业务感知和检测技术；

3）基于业务感知和检测的资源弹性调度，保证业务体验和资源利用率；

4）多网络控制器协调控制；

5）SDN下整网统一控制的节能技术；

6）高性能数据转发设备和网络控制设备。

实现SDN设备软硬件架构平台搭建的基础上，进一步搭建了一系列SDN相关的业务应用平台，通过这些基于SDN的系统平台的搭建，能够实现以下主要功能：基于ONF架构扩展的资源弹性调度高性能计算SDN网络架构；SDN下DPI/CFI/DFI相结合的多业务动态感知和检测技术；整网和节点相结合的业务需求资源弹性调度技术；基于业务实时状态、需求的资源最优分配算法和拓扑调整算法；分级SDN控制设备的分布处理和热备份可靠技术；基于SDN业务数据流聚合、调度节能技术。

通过瞄准SDN网络建设和应用中面临的关键问题，致力于搭建研发高性能计算网络技术及其应用的一系列基于SDN的相关平台，研发具有自主知识产权的关键设备和软件，为下一代网络技术与产业发展提供有力的技术保障。

结语：完成对SDN研究的业务扩展与应用工作，通过在数据中心的SDN网络业务系统的验证与示范应用的试验过程中，不断积累技术和经验，加强国际优势资源的整合利用；以市场为导向，加强业务应用创新；建立长期产学研相结合的市场化合作机制，联合研发关键技术和设备，加速科研成果转化。提升下一代网络的性能指标；在十三五期间办成具有特色高性能计算网络技术与应用创新基地，取得一批具有实用化或产业化网络技术与应用成果，成为高性能计算网络技术与产业发展和建设信息化社会的有力技术支撑，促进高性能计算网络技术与产业健康、快速发展。

参考文献：

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[5] 赵慧玲.SDN：网络变革的探讨.2013中国SDN大会，北京.2013，4.