高海燕

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

?

SDN網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)控制器運(yùn)行模式分析與研究

高海燕

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

摘要：通過(guò)對(duì)SDN模型與OpenFlow技術(shù)體系中的分布式多點(diǎn)控制器部署模式的研究，在如何更好的提高SDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，緩解多點(diǎn)控制中的負(fù)載不均衡問(wèn)題提出了筆者的一些觀點(diǎn)，旨在建立一個(gè)穩(wěn)定、可靠的可變架構(gòu)的SDN分布式控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：SDN；OpenFlow；分布式多點(diǎn)控制

針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系中大量存在的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的兼容性問(wèn)題，美國(guó)Stanford University大學(xué)的Mckeown教授于2009提出了一個(gè)全新的概念Software-Defined Networking(軟件定義網(wǎng)絡(luò)[1]，簡(jiǎn)稱(chēng)為SDN)，SDN基于分層模型的原理，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)與控制分隔在不同的層面上[1]。

SDN模型通過(guò)由數(shù)據(jù)層向控制層提供的編程接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的抽象化與透明化，在控制層上SDN通過(guò)控制功能的集中管理與網(wǎng)絡(luò)編程，最大程度的抵消網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)硬件設(shè)備的依賴(lài)性，使網(wǎng)絡(luò)具有足夠的靈活性與伸縮性，使其能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際情況來(lái)實(shí)時(shí)的調(diào)整自身架構(gòu)。而且在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要升級(jí)或部署新的應(yīng)用協(xié)議時(shí)，基礎(chǔ)硬件設(shè)備不必再進(jìn)行相應(yīng)的更換與重新配置，在簡(jiǎn)化工作流程、提高新應(yīng)用的部署速度的同時(shí)，還節(jié)省了在硬件設(shè)備上的資金投入。為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障。

1軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中物理層與數(shù)據(jù)控制層是綁定在一起的，不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不論從硬件結(jié)構(gòu)上還是軟件控制上都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件的差異直接導(dǎo)致接入網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)范性并由此產(chǎn)生很多難以解決的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)管理操作，避免因差異帶來(lái)的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，SDN概念由此誕生，SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)主要作用于物理層之上的數(shù)據(jù)控制層，在SDN架構(gòu)中將數(shù)據(jù)控制層從物理層中剝離了出來(lái)，由專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一的軟件平臺(tái)來(lái)解決數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制問(wèn)題，并在SDN架構(gòu)上整合各類(lèi)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步規(guī)范各類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸方式。

SDN架構(gòu)的具體設(shè)計(jì)思路：首先構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的API接口，所有部署在物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)API接口接入SDN架構(gòu)中的數(shù)據(jù)層；在數(shù)據(jù)層面主要由交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的路徑甄別，數(shù)據(jù)已報(bào)文的形式到達(dá)交換機(jī)，交換機(jī)檢索內(nèi)部存儲(chǔ)的路徑流表，將報(bào)文中提交的地址與路徑表進(jìn)行比對(duì)，如有匹配信息就將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，如找不到匹配的信息就需連接控制層面；交換機(jī)將報(bào)文中地址交由軟件控制層檢索，控制層服務(wù)器可以將對(duì)應(yīng)的路徑流表或直接將匹配的路徑信息返回給交換機(jī)，如果交換機(jī)接收到的是路徑流表則重復(fù)上一步操作，如果得到的是正確的路徑信息則直接將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)[2]。上述操作簡(jiǎn)化后就如圖1所示。

圖1　SND網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)

2SDN網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)服務(wù)控制器運(yùn)行模式分析

相較于單點(diǎn)控制器模式，分布式的多點(diǎn)服務(wù)控制器模式就是在控制層面上部署有多臺(tái)控制器協(xié)同工作，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸控制。分布式的多點(diǎn)控制器根據(jù)其框架結(jié)構(gòu)不同有三種主要的工作模式：完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)、層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)、負(fù)載均衡分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)。

2.1完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)

典型的多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，基于控制層上的多個(gè)控制器共同對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需配置有相應(yīng)的控制器選擇策略，當(dāng)需要與控制層進(jìn)行交互時(shí)，通過(guò)策略計(jì)算出最合適當(dāng)前響應(yīng)的控制器進(jìn)行交互，例如就近選擇策略、空閑時(shí)段策略、等待最少策略等等算法設(shè)計(jì)。多個(gè)控制器之間也可以進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)資源的共享，例如流表的共享、分布哈希表、數(shù)據(jù)庫(kù)的共享等。

完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于所有的控制器都具有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能，都可以對(duì)數(shù)據(jù)層的交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制，只要交換機(jī)設(shè)備配置的選擇策略合理，交換機(jī)請(qǐng)求控制器的響應(yīng)時(shí)間可以大大減少；缺點(diǎn)在于要保證所有的控制器都能進(jìn)行工作控制，而且控制器相互之間也要能夠保持良好交互，大大增加了系統(tǒng)架構(gòu)的難度，同時(shí)在缺乏有效的負(fù)載均衡策略的情況下很容易出現(xiàn)部分控制器負(fù)載過(guò)大，響應(yīng)延時(shí)的問(wèn)題，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性較差。

2.2層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)

層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)采用樹(shù)型分層結(jié)構(gòu)部署控制層，在控制層先部署多臺(tái)區(qū)域控制器，每臺(tái)控制器只負(fù)責(zé)其所屬區(qū)域下的多個(gè)交換設(shè)備控制，在區(qū)域控制器上再部署總控制器。當(dāng)局部控制器之間需要交互，或者局部控制器需要查詢(xún)?nèi)址秶鷥?nèi)共享信息時(shí)都由全局控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這類(lèi)交互。

與完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)相比，層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，樹(shù)型結(jié)構(gòu)層次分明，更易于部署，同時(shí)在局部區(qū)域內(nèi)控制器工作負(fù)載有限，響應(yīng)時(shí)間能夠得到一定保障，系統(tǒng)穩(wěn)定性要更好一些；缺點(diǎn)在于當(dāng)涉及到全局?jǐn)?shù)據(jù)的交互時(shí)，需層層上報(bào)，響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其樹(shù)型結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致控制器功能擴(kuò)展受限較多，不利于系統(tǒng)的升級(jí)更新。

基于以上優(yōu)缺點(diǎn)的分析對(duì)比，兩種結(jié)構(gòu)各有長(zhǎng)處也各有不足，因此目前主要是采用完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)與層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)OpenFlow的控制平臺(tái)。

2.3負(fù)載均衡分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)

負(fù)載均衡分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)是基于以上結(jié)構(gòu)的功能升級(jí)模式，基于分布式控制結(jié)構(gòu)又加入了負(fù)載均衡控制器，負(fù)載均衡控制器部署在控制器與數(shù)據(jù)層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，負(fù)責(zé)對(duì)交換機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行負(fù)載均衡計(jì)算，動(dòng)態(tài)分配到不同的控制器上進(jìn)行響應(yīng)。負(fù)載均衡控制器設(shè)定有完整的策略機(jī)制，對(duì)控制層的多個(gè)控制器進(jìn)行響應(yīng)量的計(jì)算、工作時(shí)間計(jì)算、空閑狀態(tài)的判斷，將數(shù)據(jù)層交換機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求動(dòng)態(tài)上傳到合適的控制器上。負(fù)載均衡控制器的負(fù)載計(jì)算控制是相對(duì)獨(dú)立的工作過(guò)程，它不會(huì)對(duì)控制器的部署結(jié)構(gòu)產(chǎn)生制約，可以是基于完全分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)的也可以是基于層次分布式多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行部署。

其顯著優(yōu)勢(shì)就是很好的解決了控制器負(fù)載不均衡的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，但由于在控制器與交換機(jī)之間又多了一個(gè)負(fù)載均衡調(diào)整的工作過(guò)程，會(huì)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)層與控制層之間的信息傳遞時(shí)間，同時(shí)一旦負(fù)載均衡器運(yùn)行速度跟不上的話反會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的瓶頸。

3決定軟件定義網(wǎng)絡(luò)性能的要素分析

依據(jù)SDN網(wǎng)絡(luò)模型工作原理可知軟件定義網(wǎng)絡(luò)是基于網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備上部署的軟件控制數(shù)據(jù)傳輸策略，其性能好壞直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率，在數(shù)據(jù)傳輸控制方面SDN發(fā)揮的作用能否達(dá)到預(yù)期效果主要取決于以下幾個(gè)控制環(huán)節(jié)上的影響因素能否被很好的控制。

首先在數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)數(shù)據(jù)層交換機(jī)階段，主要會(huì)影響SDN性能的因素有交換機(jī)中路徑索引表的存放時(shí)間和替換策略是否合理。交換機(jī)的主要功能是依據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的路徑索引表對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇，這種路徑索引表有很多，交換機(jī)不可能全部保存在本地，因此交換機(jī)上的路徑流表需要通過(guò)動(dòng)態(tài)更新來(lái)調(diào)整。調(diào)整方法主要兩個(gè)途徑：一是當(dāng)存儲(chǔ)容量占滿(mǎn)后，將新的表項(xiàng)替換舊的表項(xiàng)，這是由相應(yīng)的替換算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果算法不合理，就會(huì)增加交換機(jī)在檢索報(bào)文路徑時(shí)匹配不上地址的幾率，從而影響數(shù)據(jù)傳輸效率；二是限制表項(xiàng)的存儲(chǔ)時(shí)間，超時(shí)后的表項(xiàng)將會(huì)被交換機(jī)刪除，設(shè)置表項(xiàng)存儲(chǔ)時(shí)間是否合理也會(huì)直接影響交換機(jī)處理數(shù)據(jù)路徑的效率。

當(dāng)在數(shù)據(jù)層上交換機(jī)無(wú)法匹配到報(bào)文路徑時(shí)，就需要將報(bào)文信息傳送到控制層由控制器檢索路徑，在這個(gè)過(guò)程中從交換機(jī)到控制器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響SDN性能的又一個(gè)重要指標(biāo)。受交換機(jī)硬件條件所限，其處理能力和帶寬都不易擴(kuò)展，當(dāng)交換機(jī)頻繁于控制器發(fā)生交互時(shí)，帶寬會(huì)明顯減少，從而延長(zhǎng)報(bào)文的傳輸時(shí)間，導(dǎo)致報(bào)文控制出錯(cuò)。帶寬問(wèn)題不僅會(huì)影響交換機(jī)向控制器上報(bào)數(shù)據(jù)的效率，當(dāng)控制器處理完相應(yīng)的報(bào)文后還需返回信息給交換機(jī)，這仍會(huì)受到帶寬的影響，因?yàn)閹拞?wèn)題導(dǎo)致的報(bào)文控制信息傳送延時(shí)我們稱(chēng)為控制報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，這種延時(shí)是可避免的，因此SDN如能避免這類(lèi)延時(shí)問(wèn)題，性能也會(huì)得到保障。

當(dāng)控制層面上控制器接收到來(lái)自交換機(jī)的路徑檢索請(qǐng)求后，控制器會(huì)進(jìn)行路徑流表的檢索匹配并將相應(yīng)的流表和轉(zhuǎn)發(fā)指令下達(dá)給交換機(jī)。在這一階段控制器的處理性能越高，報(bào)文就能越快得到響應(yīng)。交換機(jī)提交的請(qǐng)求越多，控制器的處理速度對(duì)整個(gè)SDN的影響就越大。

最后在控制層將相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果返回給交換機(jī)后，交換機(jī)需要將控制器發(fā)來(lái)的新的流表安裝在本地同時(shí)選擇舊的流表替換出去，這個(gè)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同樣會(huì)導(dǎo)致報(bào)文遲遲得不到響應(yīng)，從而降低SDN的網(wǎng)絡(luò)性能。

同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的類(lèi)型也越來(lái)越復(fù)雜且多樣，由此導(dǎo)致不同應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備其硬件結(jié)構(gòu)差異也很大，這也增加了軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)難度。

4結(jié)論

本論文的研究意義在于，通過(guò)對(duì)部署在SND網(wǎng)絡(luò)控制層面的分布式多點(diǎn)服務(wù)控制器模式的研究，進(jìn)一步對(duì)影響SDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率的原因進(jìn)行了分析與探討。SND作為一個(gè)全新的、非成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，在許多方面還不夠完善。例如：被部署在控制層上的控制系統(tǒng)的靈活性與結(jié)構(gòu)兼容性不足、數(shù)據(jù)層與控制層之間存在的時(shí)延問(wèn)題以及硬件設(shè)備的兼容性問(wèn)題等等，這些問(wèn)題將是筆者在之后的研究中要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]張朝平.軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2013(1)：69-71.

[2]劉志遠(yuǎn).SDN/OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的集群負(fù)載均衡技術(shù)研究[D].吉林大學(xué),2014.

[3]Floodlight.http://floodlight.openflowhub.org.2013.

收稿日期：2015-12-16

作者簡(jiǎn)介：高海燕(1983- )，女，山西太谷人，講師，大學(xué)本科，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0081- 02

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis and Research on the Running Mode of Multi-point Controller in SDN Network

Gao Haiyan

(JinzhongVocationalandTechnicalCollege,JinzhongShanxi030600,China)

Abstract:Through the research on SDN and distributed multi-point controller deployment models in OpenFlow technology system, the article puts forward some opinions on how to better improve the SDN network data transmission efficiency and relieve the problem of load imbalance in multi-point control so as to establish a stable, reliable variable structure of SDN distributed control system.

Key words:SDN; OpenFlow; distributed multipoint control