魏明軍++張文娜

摘要：文章針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)單一控制器的處理能力不能滿足需求的擴展性問題及當前分布式多控制器平臺無法根據(jù)實際情況改變服務(wù)的問題，在控制層面上提出設(shè)計服務(wù)抽象層，對抽象服務(wù)層在控制器應(yīng)用中對底層的操作或者應(yīng)用之間交互設(shè)計的可行性進行實驗驗證及測試。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；多控制器；服務(wù)抽象層

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是分布式的，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都擁有相對獨立的操作系統(tǒng)和控制層面。設(shè)備與設(shè)備之間通過分布式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換信息和數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的管理和配置工作越來越繁冗和復(fù)雜。通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，管理人員實現(xiàn)創(chuàng)新和升級部署新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得越來越困難。因此需要一種新的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能分類控制數(shù)據(jù)動態(tài)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)與控制。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking）作為一個新興的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)受到廣泛的關(guān)注。文章針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)、可擴展性問題、性能評價問題及其相關(guān)部分測試方法問題，對單一控制器處理能力不足以及當前分布式解決方案無法根據(jù)實際情況改變服務(wù)架構(gòu)的問題，提出了控制平臺架構(gòu)模型。并對已有的架構(gòu)進行分析和總結(jié)，在該模型的基礎(chǔ)上設(shè)計服務(wù)抽象架構(gòu)控制器，并對該控制器進行了功能和性能測試。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)對比

1.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)的特點

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefined Networking）通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離、開放的南北向接口、集中式的控制平面獲取網(wǎng)絡(luò)的全局信息，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)資源進行動態(tài)的全局調(diào)配和優(yōu)化。這一舉措大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制的靈活性，使可管理、可編程、可動態(tài)改變的網(wǎng)絡(luò)成為可能，從而實現(xiàn)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。

1.2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)對比

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是分布式的，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都擁有相對獨立的操作系統(tǒng)和控制層面，設(shè)備與設(shè)備之間通過分布式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換信息和數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)有幾點不足：①網(wǎng)絡(luò)設(shè)備復(fù)雜。②配置困難。

1.3 網(wǎng)絡(luò)特征和底層操作系統(tǒng)綁定，很難添加新特性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)平臺以O(shè)penFlow為主，OpenFlow從轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中分離控制邏輯的方法使數(shù)據(jù)平面具備了靈活的設(shè)備添加和升級的能力。

2 多控制器實驗平臺簡介

2.1 多控制器架構(gòu)分析

多控制器SDN網(wǎng)絡(luò)的典型做法是將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個控制區(qū)域，每個區(qū)域由1個控制器控制。現(xiàn)有的多控制器架構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)的劃分方式來看，可以分為水平式多控制器架構(gòu)和層次化多控制器架構(gòu)2類。

2.2 控制器放置問題分析

分布式地部署多個控制器是解決SDN網(wǎng)絡(luò)的性能、可擴展性以及可靠性問題的重要手段之一。然而，多個控制器的存在也面臨著其他新挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的問題就是如何選擇控制器的數(shù)量以及控制器的放置位置。當前的研究工作主要從幾個方面來考慮控制器的放置方案：基于傳輸延時的控制器放置方式，基于可靠性的控制器放置方式，基于其他指標的控制器放置方式。

2.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制平臺的可靠性分析

SDN采用邏輯上集中式的方式對網(wǎng)絡(luò)進行管理與控制，為了解決集中控制環(huán)境中的故障問題，在網(wǎng)絡(luò)部署多個控制器是解決SDN控制平面可靠性問題的重要手段。SDN控制平面中的故障可以分為控制器故障以及傳輸控制流的節(jié)點或者鏈路的故障。為了克服控制器的故障，主要通過控制器的被動或主動復(fù)制技術(shù)來提高SDN控制平面的可靠性。而在克服傳輸控制流的節(jié)點或鏈路的故障方面，則主要通過路徑保護或者路徑恢復(fù)的方式來提高SDN控制平面的可靠性。多控制器平臺涉及架構(gòu)設(shè)計、控制器放置等方面問題。針對這些問題，文章結(jié)合現(xiàn)有研究分類，通過分析、總結(jié)，可深入了解多控制器平臺存在的問題，并提出解決方案，為之后抽象服務(wù)層的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

3 實驗方案

為了解決集中式控制平臺的處理能力有限、全局視圖信息的收集代價過大等問題，文章采用多控制器滿足需求?？刂破鲬?yīng)該對應(yīng)用透明，即不論服務(wù)如何變化，應(yīng)用的編寫方式是一致的。也就是說，當?shù)讓臃?wù)發(fā)生變化時，原有的應(yīng)用無需任何修改。要做到這一點，則要求底層協(xié)議更改更為慎重，對應(yīng)用也必須相對透明。

3.1 服務(wù)抽象層

設(shè)計采用服務(wù)抽象層做到這一點，可以采用如下的設(shè)計思路：服務(wù)抽象層可以動態(tài)鏈接控制器應(yīng)用與南向協(xié)議提供基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如使用類似拓撲管理模塊，實現(xiàn)拓撲構(gòu)建和設(shè)備發(fā)現(xiàn)的功能。抽象層提供的服務(wù)由控制器基于應(yīng)用或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供的功能為基礎(chǔ)構(gòu)建，基于應(yīng)用對服務(wù)的請求服務(wù)抽象層映射到對應(yīng)的控制器插件，選取恰當?shù)哪舷騾f(xié)議與給定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)通信。

服務(wù)抽象層在服務(wù)和插件間流程設(shè)計方案舉例：①當一個支持OpenFlow協(xié)議的插件接收到一個ARP請求數(shù)據(jù)包，需要分派此數(shù)據(jù)包到ARP處理程序。②協(xié)議插件將調(diào)用數(shù)據(jù)包輸出服務(wù)接口，將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)椒?wù)抽象層。③ARP處理程序，將登記注冊到監(jiān)聽數(shù)據(jù)包服務(wù)接口，在上一步中服務(wù)抽象層接收到的數(shù)據(jù)包將被移交到ARP處理程序?qū)?yīng)的應(yīng)用中。④該應(yīng)用程序現(xiàn)在可以處理此數(shù)據(jù)包。通過以上分析結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對軟件定義網(wǎng)絡(luò)多控制器平臺進行理論分析并進行設(shè)計驗證。

3.2 多控制平臺下網(wǎng)絡(luò)拓撲實驗驗證。

控制器為應(yīng)用提供了邏輯集中的物理網(wǎng)絡(luò)拓撲視圖，為了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用直接管理網(wǎng)絡(luò)規(guī)則策略，控制器支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的變化。和大部分控制器一樣，控制器使用LLDP報文發(fā)現(xiàn)的設(shè)備連接來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲視圖選項提供了交換機和主機拓撲的圖形視圖。在抽象服務(wù)控制的多控制器拓撲中各個管理對應(yīng)控制器存儲和設(shè)備，包括設(shè)備的功能和可達性信息等。這些信息由控制器存儲并且由拓撲管理器管理。其他構(gòu)件組成包括ARP處理程序、主機探索器、設(shè)備管理器、交換機管理器等協(xié)助拓撲管理器生成網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫。

3.3 多控制平臺下服務(wù)抽象實驗驗證。

①實驗環(huán)境配置。在已經(jīng)安裝Mininet環(huán)境的機器中啟動Mininet，對應(yīng)地配置多個主機和交換機。在控制器層啟動一個簡單的轉(zhuǎn)發(fā)包應(yīng)用，它通過ARP包來探測連接到網(wǎng)絡(luò)的每個主機，并給交換機安裝規(guī)則，讓網(wǎng)包能順利轉(zhuǎn)到各個主機。通過拖動設(shè)備，形成邏輯拓撲，并保存配置。②實驗分析。因為控制器是寄存在服務(wù)器中，所以當做好類似以上的配置之后，首先要連接控制器，通過控制器應(yīng)答的狀態(tài)信息來了解網(wǎng)絡(luò)運行情況，其中應(yīng)答201表明操作成功。為了敘述直觀簡潔，文章在試驗中配置了3臺交換機，每臺交換機上使用的南向協(xié)議不同。③獲取刪除主機信息（見圖卜圖3）。

利用仿真實驗進行驗證可以得出結(jié)論：通過獲取拓撲信息，配置與獲取用戶鏈接信息，獲取、刪除主機信息等實驗操作，驗證抽象服務(wù)層在控制器應(yīng)用中對底層的操作或者應(yīng)用之間交互設(shè)計的可行性。真正實現(xiàn)了多控制器多協(xié)議支持和對應(yīng)用的透明，不論服務(wù)如何變化，應(yīng)用的編寫方式一致。

4 結(jié)語

文章利用實驗平臺，對軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及多控制器平臺相關(guān)問題進行仿真論證，實現(xiàn)服務(wù)抽象架構(gòu)的多控制器平臺，服務(wù)抽象層可以動態(tài)鏈接控制器應(yīng)用與南向協(xié)議提供基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如使用類似拓撲管理模塊，完成構(gòu)建拓撲和發(fā)現(xiàn)設(shè)備功能。服務(wù)抽象層與控制器插件是相互獨立的并且是相耦合的，這樣就可以實現(xiàn)靈活升級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或應(yīng)用。endprint