穆琙博 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

郭晨 中國信息通信研究院電信設(shè)備認(rèn)證中心助理工程師

馬軍鋒 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

基于OpenFlow的SDN測試技術(shù)的研究

穆琙博 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

郭晨 中國信息通信研究院電信設(shè)備認(rèn)證中心助理工程師

馬軍鋒 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

當(dāng)前，SDN產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是支持OpenFlow協(xié)議的SDN交換設(shè)備得到了業(yè)界主流設(shè)備制造商的大力支持。然而，隨著商用化應(yīng)用的不斷深入，SDN產(chǎn)業(yè)遇到了一些問題，如市場競爭紊亂、設(shè)備良莠不齊等。要推動(dòng)SDN產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步向規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，就必須從測試工作入手，借鑒傳統(tǒng)設(shè)備的測試經(jīng)驗(yàn)，對SDN設(shè)備的測試方法和測試工具進(jìn)行全面研究，找出符合SDN設(shè)備特點(diǎn)的測試技術(shù)。

SDN OpenFlow ONF OF-Test

1 引言

SDN（Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，其最大特點(diǎn)在于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，網(wǎng)絡(luò)控制集中以及網(wǎng)絡(luò)能力向上層應(yīng)用開放。SDN這種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和靈活的軟件編程能力，為應(yīng)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)架在投資成本、運(yùn)維復(fù)雜性和可管理性方面存在的缺陷提供了可靠的解決方案。OpenFlow作為一種實(shí)現(xiàn)SDN體系內(nèi)控制器和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。自O(shè)NF（Open Networking Foundation，開放網(wǎng)絡(luò)基金會）2009年12月發(fā)布OpenFlow協(xié)議1.0版本以來，到2014年12月先后推出了多個(gè)版本，最新版本是1.5。如今，OpenFlow協(xié)議開始走向市場。在當(dāng)前的SDN產(chǎn)業(yè)中，支持OpenFlow協(xié)議的SDN設(shè)備得到了世界各大廠商的大力推崇，這使得OpenFlow協(xié)議逐步成為業(yè)界認(rèn)可的主流南向協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一。

隨著OpenFlow協(xié)議商用化應(yīng)用的不斷深入，SDN產(chǎn)業(yè)需要進(jìn)一步向規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。特別是對于支持SDN南向接口的交換設(shè)備，當(dāng)前的市場競爭日益激烈，設(shè)備產(chǎn)品卻良莠不齊，這已經(jīng)成為阻撓產(chǎn)業(yè)繼續(xù)前進(jìn)的瓶頸問題。從傳統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展歷程來看，公認(rèn)有效的測試技術(shù)將成為解決這一問題的唯一方法。

2 SDN測試方法的分析

圖1 ONF提出的SDN構(gòu)架

從ONF提出的SDN典型架構(gòu)來看（見圖1），SDN的測試應(yīng)該由控制器和交換設(shè)備測試兩部分構(gòu)成。然而，與南向接口已形成OpenFlow等國際標(biāo)準(zhǔn)不同，北向接口方面目前還缺乏業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)前SDN的測試工作主要圍繞支持OpenFlow協(xié)議的交換設(shè)備展開。

對于一種新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，尤其是OpenFlow這種仍然處于發(fā)展中，定義詮釋和協(xié)議范圍在不斷升級變化的通信協(xié)議，要進(jìn)行相關(guān)測試，就應(yīng)當(dāng)遵從易于擴(kuò)展，逐步深入的原則逐一展開工作。按照這一指導(dǎo)思想，對基于OpenFlow的SDN測試方法可以按照如下順序依次展開研究：

●功能測試。

●協(xié)議一致性測試。

●互通性測試和性能。

●可擴(kuò)展性。

●穩(wěn)定性測試。

2.1 功能測試

功能測試主要用于對交換設(shè)備的功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證。在開始進(jìn)行SDN交換設(shè)備的測試工作時(shí)，通常應(yīng)當(dāng)首先進(jìn)行功能測試。這一方面是因?yàn)镺penFlow協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了交換設(shè)備必須支持的必選功能，還定義了許多可選功能，而目前主要設(shè)備制造商對此的支持力度不盡相同；另一方面，考慮到當(dāng)前的SDN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于云數(shù)據(jù)中心、寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等多種場景之中，廠商在不同場景下實(shí)現(xiàn)Open-Flow協(xié)議時(shí)，往往會根據(jù)場景需要增減一些功能，因此率先明確被測設(shè)備支持的功能情況，將成為設(shè)計(jì)其他測試案例的先決條件。

目前的功能測試，按測試范圍可以分為回歸和新功能測試兩種。二者的區(qū)別在于，回歸測試要求測試時(shí)，確保新增加的功能與之前功能的兼容性，即測試每個(gè)新增的測試點(diǎn)時(shí)，都必須對當(dāng)前所有的功能進(jìn)行統(tǒng)一測試；而新功能測試可以只關(guān)注新增加測試點(diǎn)的實(shí)際情況。功能測試常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖2。

2.2 協(xié)議一致性測試

協(xié)議一致性測試主要是圍繞交換設(shè)備對OpenFlow協(xié)議的符合情況進(jìn)行測試和驗(yàn)證。與功能測試相比，一致性測試更為正式，通常需要根據(jù)被測設(shè)備的實(shí)際情況，對協(xié)議規(guī)范的每個(gè)子部分情況以及相關(guān)子部分組成的組合情況進(jìn)行遍歷測試，以保障交換設(shè)備能夠正常執(zhí)行Open-Flow協(xié)議。一致性測試是進(jìn)行交換設(shè)備認(rèn)證的基礎(chǔ)，也是設(shè)備之間進(jìn)行規(guī)范性比較的起點(diǎn)，為后續(xù)的互通性測試奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)前OpenFlow的協(xié)議一致性測試主要由ONF的測試和互通性工作組負(fù)責(zé)指導(dǎo)，ONF還在北美、歐洲和亞洲地區(qū)與世界知名的研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，設(shè)立了六大測試認(rèn)證中心，負(fù)責(zé)開展OpenFlow的協(xié)議一致性測試活動(dòng)。截止到目前，ONF發(fā)布了面向OpenFlow1.0版本的一致性測試規(guī)范，針對1.3版本的一致性測試規(guī)范正在推進(jìn)當(dāng)中。

一致性測試的測試內(nèi)容主要包括正向和反向測試兩部分。其中，正向測試指規(guī)范提到的功能和選項(xiàng)都必須得到正確的結(jié)果，而反向測試則關(guān)注被測設(shè)備在輸入不正確的前提下如何運(yùn)行。一致性測試常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖3。

2.3 互通性測試

圖2 功能測試拓?fù)鋱D

互通性測試是指不同廠商交換設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)互通能力的測試?；ネㄐ詼y試是成功部署OpenFlow產(chǎn)品所必須的第一步工作。通過對多廠商設(shè)備進(jìn)行互通性測試，SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以避免局限于特定產(chǎn)品，進(jìn)而促進(jìn)了市場的有益競爭，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

基于OpenFlow的互通性測試工作當(dāng)前還處于初級階段。ONF早在2012年4月就發(fā)布了互通性測試的技術(shù)白皮書，到2013年6月，ONF開始組織基于Open-Flow互通互聯(lián)的Plugfest測試。盡管這些活動(dòng)推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但也暴露出OpenFlow協(xié)議在互通性方面的一些問題。

圖3 一致性測試圖

（1）鏈路發(fā)現(xiàn)問題

支持OpenFlow的交換設(shè)備依賴LLDP（鏈路發(fā)現(xiàn)層協(xié)議）來提供路徑信息，而LLDP是一種獨(dú)立于OpenFlow協(xié)議的鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議，其向上API在與OpenFlow協(xié)議的配合方面存在不協(xié)調(diào)的問題。

（2）指令集復(fù)雜問題

對比傳統(tǒng)交換設(shè)備，OpenFlow協(xié)議支持的基本指令集相對復(fù)雜。因而，在設(shè)計(jì)互聯(lián)互通測試案例時(shí)，案例復(fù)雜度也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)有所提高。然而，從目前的測試情況來看，互通性測試仍然局限在簡單的鏈路拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步如何開展指令協(xié)同的測試工作仍然處于討論階段。

2.4 性能、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性測試

性能測試是指對交換設(shè)備的性能進(jìn)行測試。由于SDN交換設(shè)備的發(fā)展目標(biāo)是替代傳統(tǒng)的交換設(shè)備，因此性能測試將是具有決定性意義的測試指標(biāo)，同時(shí)考慮到OpenFlow設(shè)備的商用可行性，可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性也將成為重要的測試指標(biāo)。借鑒傳統(tǒng)交換設(shè)備的測試點(diǎn)和測試方法，本文給出對SDN交換設(shè)備進(jìn)行性能、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性測試的相關(guān)指標(biāo)：

（1）性能測試

●吞吐量：以Mbit/s為單位，考察SDN交換設(shè)備每秒成功轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量，包括單端口和整機(jī)設(shè)備兩種吞吐量。

●延時(shí)：以ns為單位，考察SDN交換設(shè)備在不同幀長格式下的數(shù)據(jù)包延遲情況。

●連接速度：以每秒連接數(shù)為單位，考察SDN交換設(shè)備與控制器之間建立連接的速率。

（2）可擴(kuò)展性測試

●表容量：考察SDN交換設(shè)備上流表、Meter表和組表的容量。

●端口數(shù)：考察SDN交換設(shè)備上邏輯、物理和預(yù)留端口的數(shù)量。

（3）穩(wěn)定性測試

●鏈路切換時(shí)間：考察SDN交換設(shè)備在進(jìn)行不同路徑切換時(shí)的延時(shí)數(shù)值。

3 SDN測試工具的探討

隨著SDN測試工作的不斷成熟，在ONF方面，一套命名為OF-Test的開源測試軟件被指定為標(biāo)準(zhǔn)測試工具；隨后，兩大傳統(tǒng)測試設(shè)備廠商Ixia和Spirent紛紛主動(dòng)出擊。較早加入ONF，并在測試與互通性小組承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)工作的Ixia，在OpenFlow1.0測試規(guī)范的基礎(chǔ)上，推出了一套一致性測試套件IxAnvl；同時(shí)，Spirent則與InCNTRE實(shí)驗(yàn)室合作，以O(shè)F-Test為基礎(chǔ)，開發(fā)出ITest測試套件；其他各個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司組織也紛紛推出自己的測試工具套件。綜合考慮之后，包括兩大主要設(shè)備廠商在內(nèi)的大多數(shù)測試工具套件，大多數(shù)都是基于OF-Test集成開發(fā)而成。因此，分析清楚OF-Test軟件的工作原理和組件構(gòu)架，對于進(jìn)行SDN測試工具的研究工作意義重大。

OF-Test是一套使用Python語言開發(fā)的開源測試軟件，其涵蓋內(nèi)容包括基于OpenFlow交換機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試框架和相應(yīng)的測試?yán)?。OF-Test遵循Python標(biāo)準(zhǔn)庫的Unittest構(gòu)架，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的測試功能。

（1）工作原理

如圖4所示，OF-Test通過控制和數(shù)據(jù)平面兩部分發(fā)揮作用。控制平面模擬了SDN網(wǎng)絡(luò)的控制器部分和OpenFlow協(xié)議的控制信道；數(shù)據(jù)平面則模擬了測試交換設(shè)備所必須的流量信道和分析組件。被測設(shè)備同時(shí)與OF-Test的控制平面和數(shù)據(jù)平面相連通，協(xié)調(diào)兩個(gè)平面完成測試工作。

圖4 OF-Test工作原理圖

（2）模塊功能

如圖5所示，OF-Test軟件主要由初始化、核心、協(xié)議實(shí)現(xiàn)和測試?yán)K構(gòu)成。

圖5 OF-Test模塊組件圖

●初始化模塊

全局環(huán)境的初始化配置模塊。作為OF-Test軟件的入口部分，初始化模塊實(shí)現(xiàn)對各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行預(yù)指定的功能。

●核心模塊

OF-Test軟件運(yùn)行的核心類，由控制平面核心類和數(shù)據(jù)平面核心類構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)控制器、控制信道和數(shù)據(jù)通道的核心功能。

●協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊

OpenFlow協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模塊。通過API接口的方式，協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊向核心模塊和測試?yán)K提供對OpenFlow協(xié)議的支持。

●測試?yán)K

OF-Test軟件進(jìn)行測試時(shí)運(yùn)行的各個(gè)測試腳本。通過運(yùn)行符合ONF測試規(guī)范的測試?yán)琌F-Test可以判斷被測設(shè)備對OpenFlow協(xié)議的實(shí)際支持情況。

OF-Test軟件的正常運(yùn)行，還需要得到標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)模塊和運(yùn)行平臺模塊的支持。

●標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)模塊

OF-Test依賴的Python標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)模塊主要包括線程、時(shí)鐘、標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出和日志模塊。這些模塊為OF-Test軟件構(gòu)架提供了繼承的基礎(chǔ)，因此也是OF-Test軟件的基礎(chǔ)。

●運(yùn)行平臺模塊

Python用于測試的標(biāo)準(zhǔn)工具包Unittest是Oftest測試?yán)K的主要運(yùn)行平臺，因此OF-Test測試?yán)脑O(shè)計(jì)必須符合Unittest的結(jié)構(gòu)要求。

4 測試工作中的問題

SDN測試工作隨著SDN產(chǎn)業(yè)的不斷成熟而漸進(jìn)發(fā)展，并逐步形成了規(guī)模。到目前為止，盡管得到了眾多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)組織的支持，圍繞SDN技術(shù)的測試工作還是面臨一些困難。

（1）測試范圍的局限性

分析業(yè)界已經(jīng)開展的測試活動(dòng)，大都僅圍繞交換設(shè)備部分展開，而對于控制器部分及整體解決方案的測試工作，目前尚處于研究和探討階段。一方面，控制器北向接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢；另一方面，從SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷出發(fā)，控制器部分是否需要進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化，業(yè)界還未形成結(jié)論。

（2）測試規(guī)范嚴(yán)重滯后

從2009年12月開始截止到目前，OpenFlow協(xié)議已經(jīng)發(fā)布了6個(gè)大的標(biāo)準(zhǔn)版本，十幾個(gè)階段性的標(biāo)準(zhǔn)版本。然而，ONF正式發(fā)布的測試規(guī)范仍然停留在最基本的1.0.1版本。測試規(guī)范不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于Open-

華為榮獲最佳流量管理解決方案獎(jiǎng)

華為在4月14日德國柏林舉辦的策略控制論壇（Policy ControlForum）上，榮獲2015年度“最佳流量管理解決方案獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)項(xiàng)充分肯定了華為在策略控制（PCC）行業(yè)的領(lǐng)先地位以及在流量經(jīng)營領(lǐng)域所取得的成就和貢獻(xiàn)。

華為核心網(wǎng)產(chǎn)品線融合數(shù)據(jù)總裁王松濤發(fā)表獲獎(jiǎng)感言時(shí)提到：“在MBB時(shí)代，運(yùn)營商所面臨的最核心的問題就是如何在提供高價(jià)值服務(wù)以及用戶體驗(yàn)的同時(shí)，將迅速增長的流量轉(zhuǎn)化為收入。華為流量經(jīng)營解決方案能夠通過對網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)洞察，然后通過大數(shù)據(jù)分析對策略進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，最大程度提升網(wǎng)絡(luò)效率和用戶的體驗(yàn)。”

華為FusionEngine解決方案亮相2015英特爾信息技術(shù)峰會

華為在2015英特爾信息技術(shù)峰會上展示了其先進(jìn)的COTS（通用硬件）服務(wù)器解決方案FusionEngine。該方案融合了華為深厚的通信積累和先進(jìn)的IT技術(shù)，可以在電信網(wǎng)絡(luò)虛擬化場景下，保證電信業(yè)務(wù)所需要的高帶寬、低時(shí)延、高可靠等要求，為運(yùn)營商多樣化的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大的支持。

作為一款電信級COTS服務(wù)器，F(xiàn)usionEngine為華為CloudEdge解決方案提供最佳的硬件平臺，構(gòu)建面向未來的下一代MBB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。截止目前，F(xiàn)usionEngine已經(jīng)在歐洲、中國等地運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了預(yù)商用部署，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入、手機(jī)游戲加速、位置服務(wù)等業(yè)務(wù)提供了強(qiáng)大的硬件支持，在中國某運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中，該方案的使用使手機(jī)游戲時(shí)延從350ms縮短到50ms。 Flow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也落后于SDN市場發(fā)展的需要。從CAICT（中國信息通信研究院）的ONF一致性認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際工作來看，目前市場上主流的SDN交換設(shè)備大多數(shù)已經(jīng)支持OpenFlow1.3版本，然而ONF對于OpenFlow1.3版本的測試規(guī)范仍然處于討論階段。

（3）測試工具不成熟

OF-Test作為ONF唯一指定的標(biāo)準(zhǔn)測試套件，目前的開發(fā)進(jìn)展與測試規(guī)范保持同步，面臨著嚴(yán)重的滯后問題。此外，OF-Test軟件運(yùn)行時(shí)的界面友好性和測試結(jié)果展示時(shí)的界面友好性也值得進(jìn)一步的升級。

（4）交換設(shè)備良莠不齊

當(dāng)前主流的交換設(shè)備生產(chǎn)商紛紛推出了支持OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的交換設(shè)備，但從實(shí)際的測試工作來看，各廠家設(shè)備對于OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)支持情況參差不齊。這樣紊亂的市場現(xiàn)狀，阻撓了SDN產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，成為了繼續(xù)前進(jìn)的瓶頸問題。

5 結(jié)束語

當(dāng)今，SDN技術(shù)在ONF等國際組織的推動(dòng)下，取得了長足的發(fā)展，其中最為突出的OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議已經(jīng)進(jìn)入到了設(shè)備商用化階段。然而，到目前為止，要進(jìn)一步推動(dòng)SDN產(chǎn)業(yè)發(fā)展，應(yīng)對當(dāng)前市場競爭的紊亂現(xiàn)狀，業(yè)界必須由SDN相關(guān)的測試工作入手，根據(jù)SDN網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)特點(diǎn)，從測試方法論到測試工具全面升級，只有這樣才能推動(dòng)SDN產(chǎn)業(yè)更快、更好的向前發(fā)展。

1 劉露,陳清金,張?jiān)朴?對SDN技術(shù)的研究和思考.互聯(lián)網(wǎng)天地.2012

2 全球SDN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展.http∶//www.c114.net/news/212/ a771039.html.2013,6

StudyonSDNTestingTechnology BasedonOpenFlow

Nowadays, SDN industry embraces a booming development. SDN devices with OpenFlow protocol have gained the industry’s strongly support. However, as deeper growth of commercial use, SDN industry encounters serveral problems,such as chaos of market competition and mixed bag for devices. For further normalization and standardization development of SDN industry, it’s necessary to do testing work well first. Drawing lessons from traditional device testing work, a fully research on testing methodology and tools will be helpful to figure out the testing techology forSDNdevices.

SDN,OpenFlow,ONF,OF-Test

2015-03-30）