魏亞清,王慧斌,田 瑋,田小燕

(1.邢臺學院數(shù)學與信息技術學院,河北邢臺 054001; 2.天津科技大學機械工程學院,天津 300222)

一種基于SDN的分布式ARP代理方法

魏亞清1,王慧斌1,田 瑋2,田小燕1

(1.邢臺學院數(shù)學與信息技術學院,河北邢臺 054001; 2.天津科技大學機械工程學院,天津 300222)

SDN(軟件定義網(wǎng)絡)有效地簡化了網(wǎng)絡的配置與管理,使網(wǎng)絡的革新更加快捷。利用控制器作為ARP(地址解析協(xié)議)代理,能顯著地減小數(shù)據(jù)層面的廣播流量,緩解因廣播帶來的帶寬資源浪費。然而,控制器多采用被動的方式下發(fā)流表,在處理大量的廣播包時會產(chǎn)生極大的擴展性問題。文章提出了一種基于SDN的分布式ARP代理方法,將多個局域網(wǎng)的網(wǎng)關作為ARP代理,各局域網(wǎng)內(nèi)部的ARP請求報文以單播的方式轉(zhuǎn)發(fā)到其網(wǎng)關做統(tǒng)一處理。實驗結(jié)果表明,該方法不僅大大減少了網(wǎng)絡中的廣播流量和ARP請求響應延時,而且極大地緩解了SDN控制器的負載,提高了SDN的擴展性。

軟件定義網(wǎng)絡;廣播;地址解析協(xié)議代理

0 引 言

近年來,SDN(軟件定義網(wǎng)絡)已成為網(wǎng)絡領域的研究熱點,得到了工業(yè)界的積極參與和推進,尤其是在云計算和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中被廣泛地部署與應用,如Google在世界各地的數(shù)據(jù)中心骨干網(wǎng)上已采用SDN技術來解決數(shù)據(jù)中心間的流量調(diào)度問題[1]。

有效管理網(wǎng)絡中的廣播流量是SDN最典型的應用之一。在文獻[2]中,作者提出在SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的混雜場景下,利用SDN集中管控的優(yōu)勢,實時感知主機的地址變化與網(wǎng)絡故障,響應網(wǎng)絡的ARP(地址解析協(xié)議)請求。然而現(xiàn)有基于SDN的集中式ARP代理方法存在若干問題。采用SDN控制器作為ARP代理,極易使SDN控制器成為整個網(wǎng)絡的瓶頸,甚至導致全網(wǎng)崩潰,極大地限制了SDN的擴展性[3]。同時,采用SDN控制器作為廣播請求的代理并不一定能夠降低請求延時,反而可能增大延時。

為了解決上述問題,本文提出一種基于SDN的分布式ARP代理方法(簡稱Gater)。該方法利用局域網(wǎng)的網(wǎng)關作為ARP代理,網(wǎng)關負責對其局域網(wǎng)內(nèi)部的廣播請求作出應答。本文所提的代理架構,解決了過去基于集中式控制器代理的難擴展、延時大的問題。在ARP代理中,利用SDN框架,通過預先下發(fā)Open Flow[4]流表的方式將局域網(wǎng)中的廣播流量改為單播流量并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關,從而實現(xiàn)局域網(wǎng)網(wǎng)關對ARP請求的統(tǒng)一應答,并提出了如何在分布式的網(wǎng)關中維護和更新ARP表項。

1 基于SDN的分布式ARP代理方法

1.1 架構設計

本文利用網(wǎng)關作為ARP代理,每個網(wǎng)關維護與更新本局域網(wǎng)內(nèi)部的ARP映射表,同時利用SDN控制器預先下發(fā)流表控制局域網(wǎng)內(nèi)部的交換機,使其將ARP請求報文通過單播的方式轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關,網(wǎng)關進行統(tǒng)一的ARP應答[5]。系統(tǒng)架構圖如

圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

1.2 網(wǎng)關代理的ARP信息更新

網(wǎng)關的ARP學習與更新主要有以下3種方式:首先,網(wǎng)關是局域網(wǎng)與外界三層IP網(wǎng)絡的連接入口,匯聚了局域網(wǎng)內(nèi)部的出入流量。其次,對不同的局域網(wǎng)建立不同的ARP映射表,保存各自域內(nèi)的映射關系。當映射表有更新時,將更新的IP-MAC (IP上的媒體訪問控制)映射以Packet_out的方式發(fā)送到網(wǎng)關中,作為網(wǎng)關自主學習ARP映射的補充。最后,網(wǎng)絡中可能存在一些服務器不主動向外發(fā)送流量的情況,因而無法使網(wǎng)關或SDN控制器學習到其IP-MAC映射。

1.3 ARP報文的路由算法

本文采用Dijkstra算法[6]一次計算出所有主機的路徑,該算法只需計算一次即可,只有當網(wǎng)絡發(fā)生變化時才需要進行重新計算。ARP請求報文路由算法的輸入為局域網(wǎng)拓撲和網(wǎng)關節(jié)點,輸出為局域網(wǎng)中各主機到網(wǎng)關的路由。具體算法如下:

圖2所示為ARP請求報文流表,圖中顯示路由算法計算出的該交換機到網(wǎng)關的出口為端口2,生成的流表如圖中表格所示。當數(shù)據(jù)報文到達交換機時,通過協(xié)議號和目的MAC可以首先識別報文是否為ARP請求,如果命中,則直接將其轉(zhuǎn)發(fā)到通向網(wǎng)關的接口,網(wǎng)關通過查表進行響應。ARP的響應報文雖然協(xié)議號為ARP,但是目的MAC地址為主機地址,因此ARP回復包在返回主機時不會匹配預先設置的ARP表項,而是通過正常的目的IP和MAC進行轉(zhuǎn)發(fā),最終到達請求主機。

圖2 ARP請求報文流表

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證Gater算法的性能,本文基于Mininet[7]實驗平臺進行仿真實驗。

2.1 實驗環(huán)境部署

采用Mininet作為仿真實驗平臺,將開源的基于Python的RYU作為SDN控制器,負責控制Mininet平臺中的Open Flow交換機,RYU控制器獨立運行在一臺物理服務器中,實驗拓撲如圖3所示。

圖3 實驗拓撲

本文在Mininet平臺上分別采用了FSDM和Learning Switch[8]算法作為本實驗的對比算法。實驗的性能指標包括數(shù)據(jù)層流量負載、請求延時、控制器負載(包括流量、內(nèi)存使用率)和網(wǎng)關負載(包括流量、內(nèi)存使用率)。

2.2 實驗結(jié)果分析

(1)數(shù)據(jù)層ARP廣播流量實驗

針對不同網(wǎng)絡規(guī)模(主機數(shù)量),對SDN數(shù)據(jù)層面的ARP廣播流量比例進行了監(jiān)測,數(shù)據(jù)層流量圖如圖4所示。從圖中可以看出,Learning Switch算法的ARP廣播流量隨網(wǎng)絡中主機數(shù)量的增多而快速增大,由3.1%增長到11.6%,造成了巨大的帶寬浪費。而Gater算法所產(chǎn)生的ARP廣播流量非常少,僅占網(wǎng)絡總流量的3%以下,且隨著主機數(shù)量的增多,網(wǎng)絡中的ARP廣播包流量比例增長也非常少。

圖4 數(shù)據(jù)層流量圖

(2)ARP請求響應延時實驗

3種算法的平均ARP響應的延時如圖5所示。Learning Switch算法采用廣播的方法來獲得響應,因此其ARP延時請求較大,達2 ms左右,但隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大,其延時基本不變。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大,FSDM算法中SDN控制器負載大大增加,其存儲的ARP映射表規(guī)模增大從而導致查表速度降低,使得延時也隨之增大。而Gater算法由于采用局域網(wǎng)本地ARP代理方式,傳輸延時較小,且增長非常緩慢。

圖5 3種算法平均ARP響應的延時圖

(3)控制器負載實驗

SDN控制器是SDN的核心,圖6和圖7所示分別為控制器的流量負載和內(nèi)存使用率。在本實驗中只針對ARP引起的流量進行分析。由圖6可以看出,隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大,Learning Switch和FSDM算法在控制器中的ARP流量明顯增長。而Gater算法由于其ARP請求報文需要被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關,并且控制器已經(jīng)預先下發(fā)了每臺交換機到達網(wǎng)關的流表項,因此幾乎不用與控制器通信即可完成ARP響應。

由圖7可知,Gater算法只在控制器中緩存最新的沒有被網(wǎng)關同步的ARP映射表,因此只占0.3%左右的內(nèi)存。而FSDM算法在控制器中緩存了整個網(wǎng)絡中所有主機的ARP映射表,因此,隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大,控制器中ARP緩存表所占的內(nèi)存空間也隨之增大,導致SDN的擴展性問題。

圖6 控制器流量負載圖

圖7 控制器內(nèi)存使用率圖

(4)Gater算法的負載實驗

Gater算法的負載實驗圖如圖8所示,從圖中可以看出,Gater的流量負載和內(nèi)存使用率均隨網(wǎng)絡規(guī)模的增大而增大,但負載和使用率均很小,驗證了算法的有效性。

圖8 Gater算法的負載實驗圖

3 結(jié)束語

文章提出了一種基于SDN的分布式ARP代理算法,該算法利用局域網(wǎng)網(wǎng)關作為ARP代理,通過SDN控制器預先計算的流表將廣播的ARP請求單播到網(wǎng)關,各局域網(wǎng)網(wǎng)關分別處理其網(wǎng)絡內(nèi)部的ARP請求。該方法不僅明顯降低了網(wǎng)絡的ARP廣播流量,而且避免了采用SDN集中式控制器作為ARP代理的擴展性和延時問題。實驗表明,本文所提算法在請求響應延時、數(shù)據(jù)層廣播流量和控制器負載等指標上均優(yōu)于現(xiàn)有方法。

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A Distributed ARP Proxy Approach in Software Defined Network

WEI Ya-qing1,WANG Hui-bin1,TIAN Wei2,TIAN Xiao-yan1
(1.College of Mathematics and Information Technology,Xingtai University,Xingtai 054001,China; 2.College of Mechanical Engineering,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China)

The Software Defined Network(SDN)can provide simple and flexible network configuration and management.Recently,many proposals utilize the SDN controller as the Address Resolution Protocolproxy(ARP),which obviously reduces the volume of broadcast flow in data plane and avoids the waste of bandwidth.However,since the recent controller has to use pro-active way to setup flow entries,it will cause the scalability problem when dealing with large amount of broadcast packets. Therefore,we propose a novel approach named Gater,which is a SDN-based distributed ARP proxy.Our approach uses the gateways as the ARP proxies,and they will respond to the ARP request in the corresponding LAN.According to the experimental results,our approach not only reduces the broadcast flow data in the network and the ARP response delay,but also lightens the payload of controller to achieve higher scalability.

software defined network;broadcast;ARP proxy

TP393

A

1005-8788(2016)06-0020-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.005

2016-05-14

河北省教育廳高等學?？茖W研究項目(Z2014151)

魏亞清(1982―),男,河北邢臺人。講師,碩士研究生,主要研究方向為計算機網(wǎng)絡、計算機應用技術。