鄧志華，呂光宏

(四川大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

SDN網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性問題的研究

鄧志華，呂光宏

(四川大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

軟定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)將控制平面從數(shù)據(jù)平面中解耦合,通過使用一個統(tǒng)一的控制平面來管理網(wǎng)絡(luò)事件,并通過全局網(wǎng)絡(luò)視圖來同步網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),以此提供一個更加靈活和易于管理的網(wǎng)絡(luò);然而,由于數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離增加了對OpenFlow事件處理額外的計算和網(wǎng)絡(luò)資源消耗,隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增加,不可避免地會使控制器和交換機(jī)以及控制器與控制器之間通信量的增大,因此單一的控制器或者設(shè)計不合理的多控制器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠加锌赡苁筍DN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)可擴(kuò)展性問題。為了解決SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題,文中從引起網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因以及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器件性能兩大方面進(jìn)行分析,分別針對SDN的可擴(kuò)展性問題從減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和設(shè)計更加合理的網(wǎng)絡(luò)器件兩個角度出發(fā),分析并綜述了近兩年在該領(lǐng)域的研究與貢獻(xiàn)。

軟定義網(wǎng)絡(luò);可擴(kuò)展性;網(wǎng)絡(luò)負(fù)載;網(wǎng)絡(luò)器件

0 引 言

SDN控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離使得控制器抽身于復(fù)雜轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù),而去專心處理上層的應(yīng)用決策;交由數(shù)據(jù)平面的交換機(jī)根據(jù)控制器下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這種控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比,能夠很好地降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性以及可管理性。然而,與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展一樣,SDN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展同樣面臨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷變大、網(wǎng)絡(luò)流量不斷攀升的挑戰(zhàn)。因此,如何在保證甚至提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下對不斷擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理顯得尤為重要。在同一網(wǎng)絡(luò)中各方面的性能往往不能共存[1]。譬如要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性,就有可能意味著要以網(wǎng)絡(luò)的容錯性和一致性等為代價;而要實(shí)現(xiàn)控制平面的一致性可能相應(yīng)會增加網(wǎng)絡(luò)流量的冗余度以及影響消息傳遞的實(shí)時性。因此,在提高SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性時需要根據(jù)實(shí)際需求對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

在早期的單控制器網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受到中央控制器硬件性能及網(wǎng)絡(luò)事件處理能力的限制導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性極差,因此出現(xiàn)了各種多控制器的擴(kuò)展方案[2]。在多控制器的SDN網(wǎng)絡(luò)中,多個控制器之間通過交互自身的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)來維護(hù)一張全局網(wǎng)絡(luò)視圖,控制器依據(jù)該網(wǎng)絡(luò)視圖生成對應(yīng)的流轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。然而,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件過于頻繁時,SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、靈活性及容錯性等就可能面臨相應(yīng)的挑戰(zhàn)[3]。

1 減輕SDN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

1.1 規(guī)則處理

為了有效減少控制器和交換機(jī)之間的流量,最直接的方式就是盡可能地減少規(guī)則請求的事件通信流量(在多控制器的SDN網(wǎng)絡(luò)中主要體現(xiàn)在減少交換機(jī)和控制器之間的事件通信量[4])。

1.1.1 匹配規(guī)則緩存

規(guī)則緩存在多控制器可擴(kuò)展方案中體現(xiàn)的是本地化策略。系統(tǒng)啟動時,一般要對網(wǎng)絡(luò)中的組件進(jìn)行初始化操作,其中就包括了對交換機(jī)流表進(jìn)行初始化。該過程包括了對交換機(jī)的一些參數(shù)設(shè)置以及將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則部署到相應(yīng)的交換機(jī)流表中。緩存規(guī)則可以大大減少對控制器的請求和流表的設(shè)置時間,然而交換機(jī)的流表空間十分有限,為了解決這個問題,引入了通配符規(guī)則緩存機(jī)制。相比全匹配規(guī)則,通配符規(guī)則可以提升流表規(guī)則的可重用性并且減少交換機(jī)對控制器的流表設(shè)置請求,增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性[5]。像DevoFlow[6]使用了通配符規(guī)則來處理小尺寸流，SwitchReduce[7]使用通配符來壓縮具有相同行為的規(guī)則以及DomainFlow[8]使用通配符匹配規(guī)則用來抽取匹配好的規(guī)則。在規(guī)則緩存機(jī)制中,與傳統(tǒng)的匹配模式相比,通配符規(guī)則匹配能更好地減少交換機(jī)與控制器的交互以及規(guī)則所占用的流表空間,從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。但通配符規(guī)則匹配存在規(guī)則域的重疊，可能會導(dǎo)致錯誤的匹配問題(見圖1)。

圖1 規(guī)則依賴問題

基于該問題,Yan Bo等提出的CAB[9](一種通配符規(guī)則匹配)通過引入桶的概念將規(guī)則的域空間劃分到桶中,然后存儲關(guān)聯(lián)后的桶和規(guī)則,解決了區(qū)域重疊可能導(dǎo)致規(guī)則匹配出錯的問題。

1.1.2 規(guī)則依賴

緩存規(guī)則是為了減少交換機(jī)與控制器之間的流量通信。然而,交換機(jī)的緩存空間有限,不可能預(yù)先部署所有的規(guī)則到每個交換機(jī),并且靜態(tài)部署的規(guī)則不能適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),因此需要控制器根據(jù)上層決策制定并部署相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則[10]。研究結(jié)果顯示,缺乏對規(guī)則依賴的處理是產(chǎn)生冗余規(guī)則的一個很重要的原因。在現(xiàn)存的SDN策略編譯器中,并沒有處理好策略更新所導(dǎo)致的大量冗余規(guī)則更新的問題,而許多策略的更新只是修改一下優(yōu)先級?；谠搯栴},文獻(xiàn)[11]提出了一種建立編譯與規(guī)則之間的依賴的可擴(kuò)展策略編譯器和一個用來獲取離散分布優(yōu)先數(shù)的在線優(yōu)化算法,基本上解決了因為策略優(yōu)先級更新而帶來的冗余規(guī)則更新的問題。另一方面,一個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更新往往由一系列相互獨(dú)立的子更新組成。因此,這些子更新可以在不考慮安裝順序的情況下平行安裝。像ESPRES[12]正是利用這一特性，提出了一種通過規(guī)則重排和流量控制的方式來充分地利用交換機(jī)有限資源。相比普通的規(guī)則處理,它能夠加快規(guī)則的更新速度，還能減少規(guī)則占用的存儲空間。

1.1.3 規(guī)則壓縮

雖然很多控制器(像NOX、Pox和Ryu等)并不包含交換機(jī)流表的拷貝,但在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中,讓控制器存儲交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)是很有必要的,尤其是在網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢、一致性檢查和規(guī)則空間分析等方面[13]。然而,如果按照傳統(tǒng)的在控制器中保持每個交換機(jī)流表的一個拷貝,這樣無疑將消耗巨大的控制器內(nèi)存空間,致使網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性面臨挑戰(zhàn)。

正如1.1.2節(jié)中提到的,現(xiàn)存的策略編譯器并不能很好地處理策略更新所產(chǎn)生的冗余規(guī)則,而冗余規(guī)則之間存在一定的相關(guān)性,因此可以利用該特性來壓縮規(guī)則、降低規(guī)則占用的存儲空間。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于模型的壓縮方法,該方法通過合并多個流表并整合流表內(nèi)的action字段以及由規(guī)則推導(dǎo)規(guī)則的方式有效減少了流表的尺寸,從而提高了資源的利用率。

1.1.4 規(guī)則優(yōu)化

按照傳統(tǒng)SDN網(wǎng)絡(luò)的流轉(zhuǎn)發(fā)方式,當(dāng)流到達(dá)不能由規(guī)則匹配轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)時,交換機(jī)會請求控制器下發(fā)規(guī)則來處理該流的轉(zhuǎn)發(fā)。同樣地,當(dāng)流轉(zhuǎn)發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)交換機(jī)時,交換機(jī)需要將流轉(zhuǎn)發(fā)到控制器,由控制器安裝規(guī)則到交換機(jī),然后控制器將流返回到該交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種情況一直持續(xù)流到達(dá)出口點(diǎn)進(jìn)行交付。因此,在部署OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的過程中，合理地選擇轉(zhuǎn)發(fā)策略不但能減少規(guī)則對空間和鏈路的消耗，還能有效減少網(wǎng)絡(luò)中的流量。為了避免交換機(jī)請求規(guī)則設(shè)置受轉(zhuǎn)發(fā)路徑長度的影響,ERSDN[14]通過在流的首部加入轉(zhuǎn)發(fā)路徑并通過特殊指令來設(shè)置下一跳交換機(jī)的流表，從而避免了規(guī)則設(shè)置請求隨著轉(zhuǎn)發(fā)路徑的增加而增加,減少了控制器-交換機(jī)規(guī)則設(shè)置請求的流量,提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

除了以上提及的對轉(zhuǎn)發(fā)策略規(guī)則設(shè)置請求優(yōu)化外,對轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的資源消耗優(yōu)化同樣能提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性?，F(xiàn)存的優(yōu)化資源消耗的方式主要有兩種:第一種像Palette[15]和OneBigSwitch[16]，旨在尋找最優(yōu)的資源分配來滿足最小化流和策略的需求。這種方式在解決規(guī)則的選擇和安放問題上遵循端點(diǎn)策略(該策略聲明了包必須嚴(yán)格按照路由策略生成的轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)以到達(dá)出口位置[17])。而另一種像文獻(xiàn)[17]提出的,不去注重包轉(zhuǎn)發(fā)的具體細(xì)節(jié)而盡可能多地去轉(zhuǎn)發(fā),放寬了對路由的限制。這種方式能夠提高路徑的多樣性，增加網(wǎng)絡(luò)容量,因為強(qiáng)制路由方案限制了包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑以及需要對高度復(fù)雜的規(guī)則選擇和安放操作付出很大的代價。

1.2 多控制器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

單控制器注定不能滿足網(wǎng)絡(luò)的要求。首先，隨著網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)數(shù)量的不斷增加,控制器的流量也會隨之增加;其次，對于大直徑的網(wǎng)絡(luò),不管將控制器部署在哪個位置,一些較遠(yuǎn)的交換機(jī)將會出現(xiàn)遠(yuǎn)距離流的設(shè)置延遲;最后,單控制在硬件上存在性能瓶頸。

該節(jié)將從控制器的部署以及最優(yōu)路徑算法為例討論如何通過多控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提升網(wǎng)絡(luò)對事件的處理能力以及通過優(yōu)化路徑來減少網(wǎng)絡(luò)通信流量。

在SDN可擴(kuò)展方案(見表1)中，將HyperFlow作為分布式多控制器擴(kuò)展方案的典型代表。

表1 基于OpenFlow的SDN可擴(kuò)展方案對比

HyperFlow在每個控制器實(shí)例上安裝WheelFS(分布式文件系統(tǒng))來有選擇性地向相鄰的其他控制器發(fā)布能改變系統(tǒng)狀態(tài)的事件,控制器通過交互自身狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有控制器狀態(tài)的匯聚(即全局網(wǎng)絡(luò)視圖)。在HyperFlow網(wǎng)絡(luò)中,所有的控制器擁有相同的全局網(wǎng)絡(luò)視圖,本地服務(wù)請求不用主動與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)交互。除此之外,并非所有的網(wǎng)絡(luò)事件都會改變系統(tǒng)的狀態(tài),因此,HyperFlow對這些事件進(jìn)行有選擇性地發(fā)布。這樣,有效減少了流的設(shè)置時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

類似地,像Pratyaastha[18]能夠通過減少控制器之間的內(nèi)部通信以及控制器的資源消耗，來大大降低流的設(shè)置延遲。初步估計，Pratyaastha能夠減少44%的流設(shè)置延遲以及42%的控制器操作開銷。

在實(shí)施多控制器可擴(kuò)展性方案中,路由方案在可擴(kuò)展性方面亦起著至關(guān)重要的作用。一方面,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓粩嘧兓?要求路由方案能夠及時發(fā)現(xiàn)變化了的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并以此重新尋找最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑以應(yīng)對路徑失效問題。另一方面,路由方案關(guān)系到參與通信的控制器數(shù)量,好的路由方案應(yīng)該盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)路徑上參與轉(zhuǎn)發(fā)的控制器個數(shù),尤其應(yīng)該避免環(huán)路的出現(xiàn)。通常拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)采用生成樹的方法(例如在POX控制器上實(shí)現(xiàn)的最短路徑路由算法[19])。

2 網(wǎng)絡(luò)器件在提高可擴(kuò)展性方面的作用

2.1 交換機(jī)

在傳統(tǒng)的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中,控制平面對整個網(wǎng)絡(luò)提供了統(tǒng)一化的管理,所有的網(wǎng)絡(luò)決策都必須經(jīng)過控制器來下發(fā)。SDN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)控制器通過維護(hù)一張全局網(wǎng)絡(luò)視圖來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。一方面,這種方式容易導(dǎo)致控制器成為網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸;另一方面,這種線下的事件處理方式使得控制器不能實(shí)時偵測到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,因此很容易受到像新流的攻擊、交換機(jī)接口頻變以及事件風(fēng)暴等惡性網(wǎng)絡(luò)事件的影響[20]。雖然交換機(jī)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的執(zhí)行者,掌握了網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信息的第一手資料,但這種“啞”的器件并不具備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息做出相應(yīng)判決的能力,而只能根據(jù)控制器下發(fā)的流表規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或請求控制器處理,從而嚴(yán)重掣肘了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。Neod[21]以固件的方式在交換機(jī)中提供一種輕量級的嵌入式CPU利用率檢測、接口頻變檢測以及事件風(fēng)暴過濾的功能。像這種提供交換機(jī)對某些網(wǎng)絡(luò)事件自行處理的能力,能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

另外,由于缺乏資源,不能支持轉(zhuǎn)發(fā)芯片與CPU間的高頻通信,導(dǎo)致交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)性能低下[22]。因此,提升交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速率能消除轉(zhuǎn)發(fā)平面的性能瓶頸。FAST[23]在交換機(jī)上定義了一種通過預(yù)定義包的動作的匹配規(guī)則來提升包轉(zhuǎn)發(fā)速率的方法;文獻(xiàn)[12]提供了一種通過軟硬件結(jié)合方式對交換機(jī)進(jìn)行抽象的方法,實(shí)現(xiàn)了以低消耗無限制流表緩存的功能，從而提高了包的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

2.2 控制器

在SDN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中,出現(xiàn)了一系列控制器?？刂破鞯募軜?gòu)從單線程到多線程,從單控制器到支持分布式的多控制器。

表2從控制器類型、是否支持多線程以及分布式實(shí)現(xiàn)和開發(fā)語言等方面列舉了近年來的主流控制器。

表2 典型控制器平臺對比

3 結(jié)束語

SDN為從數(shù)據(jù)平面中解耦合控制平面提供了一個更好的網(wǎng)絡(luò)管理平臺,成為越來越多人的選擇。然而,隨著網(wǎng)絡(luò)流量的與日俱增(據(jù)思科對未來網(wǎng)絡(luò)流量的統(tǒng)計,2018年網(wǎng)絡(luò)平均流量將比2013年增長2.8倍[24]),網(wǎng)絡(luò)的中心化控制可能會因為大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載而產(chǎn)生控制平面的可擴(kuò)展性問題。文中針對該問題，從規(guī)則處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兩方面出發(fā)，結(jié)合近年在該方面的研究進(jìn)行了分析和總結(jié)。

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Research on Scalability of SDN

DENG Zhi-hua,Lü Guang-hong

(School of Computer,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Software Defined Network (SDN) provides a more flexible and a better management network,by a united control plane which decoupled from data plane to manage network event and a global network view to synchronize network status.However,as the separation between data plane and control plane increased to OpenFlow event handling additional computing and network resources consumption,with the increase of network traffic,it will inevitably make the traffic increasing between controller and switches,as well as between controller and the controller,and that may lead to scalability issues occurred in SDN network.In order to solve the problem of SDN network scalability,the analysis is conducted from the cause of network congestion and network device performance.Starting from reducing network load and designing more reasonable network device,the contribution and research in this field is analyzed and summarized in past two years.

SDN;scalability;network load;network devices

2015-06-22

2015-09-23

時間：2016-02-18

國家“863”高技術(shù)發(fā)展計劃項目(2008AA01Z105)

鄧志華(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò);呂光宏，教授，研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1636.062.html

TP393

A

1673-629X(2016)03-0014-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.004