李立龍，呂光宏，董永彬

(四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川成都 610064)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模急劇膨脹、傳輸數(shù)據(jù)量的劇烈增長和應(yīng)用類型的持續(xù)增多，導(dǎo)致傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜，尤其是作為網(wǎng)絡(luò)核心的路由器，通過不斷增長的RFC數(shù)量對(duì)現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修補(bǔ)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的多樣化［1］，使其變得臃腫不堪。這與路由器最初的定義目標(biāo)背道而馳。與此同時(shí)，由于專有的硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)在很大程度上是封閉的，從而造成了創(chuàng)新的艱難。但是，縱觀當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中所大量部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也將在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)延續(xù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)［2］。

為解決當(dāng)前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所面臨的上述問題，世界各國都開始了對(duì)下一代互聯(lián)網(wǎng)的研究，比如美國的GENI［3］、歐盟的 FIRE［4］、日本的 JGN2plus［5］和我國的 SOFIA［6］等。在經(jīng)過包括 ForCES［7］、4D［8］架構(gòu)、RCP［9］、SANE［10］和Ethane［11］在內(nèi)的前期工作基礎(chǔ)上，于2008年，斯坦福大學(xué)的 Nick McKeown教授提出了 OpenFlow［12］概念，并逐漸推廣到SDN概念。其核心思想是:將路由決策控制功能從傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點(diǎn)解耦出來，即與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分開，支持集中化的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施對(duì)上層應(yīng)用的透明，能夠通過軟件編程實(shí)現(xiàn)硬件對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制。這是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)之初是為了方便研究員在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量環(huán)境中利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其觀點(diǎn)，進(jìn)行創(chuàng)新［2］。

SDN一經(jīng)提出便受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，給傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶來巨大沖擊的同時(shí)，也為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題提出了新的思路。

1 基于OpenFlow的SDN組件

基于OpenFlow的SDN構(gòu)架主要由兩部分組成:OpenFlow交換機(jī)和控制器。OpenFlow交換機(jī)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，根據(jù)流表負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā);而控制器則是路由管控平面，負(fù)責(zé)抽象底層設(shè)備，維護(hù)全網(wǎng)視圖。如圖1所示。

圖1 理想狀態(tài)下的OpenFlow交換機(jī)SDN架構(gòu)

OpenFlow交換機(jī)至少包含3部分:流表(Flow Table)、安全通道(Secture Channel)和 OpenFlow協(xié)議(OpenFlow Protocol)。其中流表主要由流表項(xiàng)組成，即匹配字段(Match Field)、計(jì)數(shù)器(Counter)和操作(Action)等;安全通道則用于連接交換機(jī)和控制器的通道接口，負(fù)責(zé)兩者互相通信;而OpenFlow協(xié)議則是為控制器提供了一種標(biāo)準(zhǔn)格式來配置和管理OpenFlow交換機(jī)。

控制器(Controller):如圖2所示，在ONF給出的軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中［13］，控制層中的控制軟件，與基礎(chǔ)設(shè)施中的交換/路由等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)由控制和數(shù)據(jù)平面接口交互，與應(yīng)用層各種APP經(jīng)由開放API交互?？傊?，控制器對(duì)下負(fù)責(zé)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的抽象，對(duì)上負(fù)責(zé)提供并維護(hù)全局視圖，提供應(yīng)用層的各種APP的接口。

圖2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)有控制平面擴(kuò)展性問題及解決

隨著SDN關(guān)注度的提升，隨之而來的是研究投入的加強(qiáng)和應(yīng)用的增加，機(jī)遇增加的同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。如在擴(kuò)展平面方面，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，一味提升集中控制器的性能不能解決，必須增加控制器數(shù)量來分擔(dān)任務(wù);再者控制器數(shù)量的增加，又會(huì)帶來控制器的放置問題，根據(jù)不同的性能指標(biāo)，放置問題也會(huì)多種多樣。下面將列舉出SDN控制平面所遇到的問題即解決方案，介紹SDN擴(kuò)展平面的發(fā)展。

2.1 控制器數(shù)量的變化

在SDN提出初期，其控制平面的一種設(shè)計(jì)就是將所有的控制功能移到一個(gè)集中控制器上，即單控制器。一經(jīng)提出，研究人員便將全部精力集中在控制器性能及應(yīng)用的高效性、創(chuàng)新性和實(shí)用性上，尤其是在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常利用中央控制器來進(jìn)行協(xié)調(diào)和資源調(diào)度，其在文獻(xiàn)［14～20］中均有體現(xiàn)。文獻(xiàn)［14］中實(shí)時(shí)地為流再次計(jì)算新的路徑，文獻(xiàn)［16］中強(qiáng)制性的為包路由使其能夠符合策略，文獻(xiàn)［18］中主服務(wù)器存儲(chǔ)分布式文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)(Metadata)，通過大量實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)證明，在大多數(shù)情況下，單控制器足夠管理一個(gè)較大的網(wǎng)絡(luò)。

然而將來是大數(shù)據(jù)時(shí)代，在對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控時(shí)，控制器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量過大，所需處理的請(qǐng)求事件過于頻繁，必將導(dǎo)致SDN控制器流表的爆炸性增長，流的映射及查詢開銷劇烈增加;同時(shí)，單一控制器的處理能力及I/O能力均有限，在面對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜應(yīng)用，必然會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)性能瓶頸。文獻(xiàn)［19］介紹了一種解決方案，即將簡單的控制功能移植到交換機(jī)上，減少了提交給交換機(jī)的事件請(qǐng)求，諸如此類思想的產(chǎn)品有DIFANE和DevoFlow。雖也提高了控制平面的可擴(kuò)展性，但交換機(jī)需要特殊的ASIC(Application－Specific－Integrated Circuits)和一般性能的CPU來實(shí)現(xiàn)這些簡單功能，這就需要生產(chǎn)商的支持，從而增加了難度，且這種思想也違背了SDN設(shè)計(jì)理念。

早期關(guān)于SDN的提議均是基于流的，其都會(huì)產(chǎn)生額外的流初始化時(shí)延，文獻(xiàn)［20］中詳細(xì)闡述了單控制器在擴(kuò)展性方面所面臨此的問題，即若網(wǎng)絡(luò)直徑足夠大，控制器的部署位置同樣會(huì)對(duì)流的建立延遲產(chǎn)生影響。圖3較好地說明了此問題:相比右圖，左圖中僅有一個(gè)控制器，當(dāng)跨區(qū)域建立流表和通信時(shí)均會(huì)產(chǎn)生額外的時(shí)延。早期在NOX［21］上進(jìn)行的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，表明單控制能每秒處理3 000個(gè)流初始化，其中包含0.1 ms的流安裝時(shí)間。在該種情況下，多控制器的思想便應(yīng)運(yùn)而生。其思想是用多個(gè)獨(dú)立的控制器來替代一個(gè)全能的控制器，每個(gè)控制器只負(fù)責(zé)部分網(wǎng)絡(luò)，使其共同管控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，邏輯上相當(dāng)于一個(gè)中央控制器。

圖3 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的單控制器和多控制器

2.2 控制器布控問題

多控制器解決了單控制器的性能瓶頸問題，但同時(shí)也帶了許多新的問題，其中最相關(guān)的是控制器的數(shù)量和部署以及全局狀態(tài)的一致性問題。

部署問題，即對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌刂破髟撊绾畏胖?、每個(gè)控制器管理哪些交換機(jī)等。以不同的性能指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，比如可靠性、安全性和一致性等，又有不同的放置方案。國外已有了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［22］通過大量的實(shí)驗(yàn)，以平均時(shí)延和最壞時(shí)延為衡量標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來研究控制器所需數(shù)量以及控制器在拓?fù)渲兴胖玫奈恢脤?duì)時(shí)延的影響，也證明了隨機(jī)部署與科學(xué)部署對(duì)時(shí)延的影響。但本文并未得出一個(gè)一般性的、適用于所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)論，控制器的數(shù)量和位置隨拓?fù)涞淖兓兓?/p>

而控制器的部署，重點(diǎn)是分區(qū)問題，即對(duì)于廣域網(wǎng)，需要將其劃分為多個(gè)子網(wǎng)，多個(gè)控制器分別管理其域內(nèi)交換機(jī)。文獻(xiàn)［37］中，介紹了更具有普遍性的多控制器管控網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分算法，引入了Devolved Controller的概念。提出了Path－partition和Partitionpath兩種啟發(fā)式算法，前者先路由再劃分區(qū)域;而后者是先劃分區(qū)域再路由。通過測試分析，兩者各有優(yōu)略，前者能夠使每個(gè)控制器監(jiān)控的鏈路數(shù)更少，但由于其需要考慮每個(gè)控制器中已劃分的鏈路，故其所找到的路徑更長，更適合常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，而后者更適合非常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，如fat－tree網(wǎng)絡(luò)等。具體情況需具體分析，恰當(dāng)?shù)剡x取更合適算法。

時(shí)延只是控制器部署所需考慮的一個(gè)方面因素，可靠性也是一個(gè)必須考慮的因素?？煽啃灾饕侵缚刂破髋c交換機(jī)、控制器之間的通信。之間某條鏈路或者交換機(jī)出了故障，都會(huì)破壞正常的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者全局的一致性。文獻(xiàn)［38］提出了“受保護(hù)”交換機(jī)概念，使故障快速恢復(fù)的可能性最大，但只適合單控制器情況。文獻(xiàn)［23］提出了一種貪婪的控制器放置算法，但其可靠性近似公式準(zhǔn)確性欠佳。而文獻(xiàn)［24］在兩者基礎(chǔ)上提出了基于聚類的控制器放置算法和基于貪婪的控制器放置算法，分別實(shí)現(xiàn)了全局和局部的可靠性優(yōu)化效果。但其結(jié)果與隨機(jī)放置算法相對(duì)比，無法證明其算法的優(yōu)勢。文獻(xiàn)［25］也提出了類似的控制器優(yōu)化部署，在一定程度上增強(qiáng)了故障恢復(fù)能力，但也均有局限性。

另外，在SDN控制平面安全性方面，相比前者，相關(guān)研究較少。集中化的控制面承載著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的所有控制流，是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的中樞機(jī)構(gòu)，其安全性直接關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可用性、可靠性和數(shù)據(jù)安全性，是 SDN安全首先要解決的問題。文獻(xiàn)［26］提出了AVANTGUARD這種新的架構(gòu)，通過在OpenFlow數(shù)據(jù)平面增加相關(guān)功能，來應(yīng)對(duì)SDN安全問題。其能夠抵御侵透攻擊，比如TCP－SYN洪，增強(qiáng)了SDN網(wǎng)絡(luò)的彈性和可擴(kuò)展性。但為了實(shí)現(xiàn)此功能，OpenFlow交換機(jī)需足夠的指令來處理模塊操作。文獻(xiàn)［27］提出了一種檢測DDOS攻擊的方法;文獻(xiàn)［28］則設(shè)計(jì)了一種識(shí)別大的聚集流量功能，用于檢測網(wǎng)絡(luò)異常的方法。

2.3 SDN控制器架構(gòu)

近年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員已開始探索建立分布式SDN控制器架構(gòu)，用于解決控制平面所面臨的擴(kuò)展性和可靠性問題，使得網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營管理達(dá)到最佳的狀態(tài)。文獻(xiàn)［29］對(duì)控制器的平面結(jié)構(gòu)做了高度的概括和總結(jié)可分為3類:(1)集中控制器，即單控制器，如NOX等。(2)去中心化結(jié)構(gòu)，平面類型，每個(gè)控制器地位相等，根據(jù)每個(gè)控制器的邏輯拓?fù)湟晥D，又可分為兩類:一種為每個(gè)控制器擁有相同的全局試圖，如HyperFlow、Onix;另一種為每個(gè)控制器只擁有局部試圖。(3)分層結(jié)構(gòu)，即控制器分為不同的等級(jí)，等級(jí)越低監(jiān)控的區(qū)域越小，等級(jí)越高監(jiān)控的范圍越大，如Kandoo。

2.3.1 單控制器模型

單控制器比較成熟的模型有 NOX［30］、Beacon［31］、Meastro［32］等，其在一定程度上能代表單控制器模型。文中將從各個(gè)單控制器開閉源、開發(fā)語言、是否支持OpenFlow協(xié)議、是否支持多線程、開發(fā)單位及適用化境等進(jìn)行比較。

表1 單控制器模型比較

2.3.2 多控制器控制平面模型

HyperFlow［33］，基于事件的分布式控制平臺(tái)。HyperFlow平面采用邏輯集中物理分散方式，是OpenFlow方面的第一個(gè)分布式控制平面。HyperFlow通過在網(wǎng)絡(luò)中部署多臺(tái)控制來管理OpenFlow交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)同步共享全局網(wǎng)絡(luò)視圖的同時(shí)，只需管理本區(qū)域內(nèi)的OpenFlow交換機(jī)?？刂破髦g通過數(shù)據(jù)信道、控制信道和自身的信道，發(fā)布/訂閱模式，來互相通信。經(jīng)分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn):在足夠的控制帶寬下，HyperFlow能夠處理頻率＜1 000次/s的網(wǎng)絡(luò)事件，略有不足;再者，全網(wǎng)視圖的更新和控制器之間的信息發(fā)布與傳輸時(shí)延緊密相關(guān)等等。所以，HyperFlow在面臨一致性要求高、網(wǎng)絡(luò)事件更新頻繁之類的大型網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)面臨瓶頸。

Onix［34］在可靠性、可擴(kuò)展性和通用性方面，更勝一籌。Onix網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)連接基礎(chǔ)設(shè)施、Onix和網(wǎng)絡(luò)控制邏輯等部分組成，通過NIB(Network Information Base)來維護(hù)網(wǎng)絡(luò)全局的狀態(tài)，通過3種策略來實(shí)現(xiàn)控制平面的可擴(kuò)展性:分區(qū)、聚合、一致性和穩(wěn)定性。此外，Onix的全局網(wǎng)絡(luò)視圖分布在低層次不同的分布式控制器上，在上層邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚合決策。雖Onix的NIB采用的是較成熟的分布式系統(tǒng)，但也繼承了其缺點(diǎn)。總體而言，Onix是基于OpenFlow的SDN發(fā)展的一個(gè)方向:多控制器分區(qū)管控。使用Python/C++語言基于Linux平臺(tái)上開發(fā)，用于解決較大規(guī)模真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的部署方案。

Kandoo［35］一種分層結(jié)構(gòu)，其中有兩種等級(jí)的控制器:擁有全局視圖的邏輯中心根控制器(Root Controller)和只擁有局部視圖的局部控制器(Local Controller)，每個(gè)交換機(jī)只能被一個(gè)Kandoo控制器控制，每個(gè)Kandoo控制器可控制多個(gè)交換機(jī)。其使用C、C++和Python共同開發(fā)，較低的內(nèi)存成本，支持動(dòng)態(tài)可加載的插件，插件可由C、Python和Java實(shí)現(xiàn)。支持OpenFlow協(xié)議實(shí)驗(yàn)證明，單Kandoo控制器在Xeon E7－4807使用單線程，可接收來自512個(gè)交換機(jī)超過每秒1 MB的吞吐量。

表2 多控制器模型比較

3 研究方向展望

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的艱難和緩慢，與SDN形成了鮮明的對(duì)比，引起了越來越多的機(jī)構(gòu)和組織的關(guān)注。但其帶來機(jī)遇的同時(shí)也提出了挑戰(zhàn)，尤其是可擴(kuò)展性方面。文獻(xiàn)［36］指出可擴(kuò)展性既不是SDN引起的，也不是SDN特有的，可在不失去SDN優(yōu)勢的同時(shí)解決可擴(kuò)展性問題。但根據(jù)不同的性能指標(biāo)，擴(kuò)展性方面的側(cè)重類型也不同，在可靠性和區(qū)域劃分方面研究的較多，但安全方面卻較少，屬于起步階段。一個(gè)成熟的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該全面發(fā)展，不能厚此薄彼。再者，如上所述的SDN控制平面的3種架構(gòu)，每種均有其適用環(huán)境、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但未來發(fā)展的趨勢并未達(dá)成共識(shí)，有利于促進(jìn)其共同發(fā)展的同時(shí)，也不利于統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)的制定，如API等。最后，SDN提供了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但在發(fā)展中也遇到了問題，這些問題在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中也曾遇到過，如區(qū)域的劃分，控制器(服務(wù)器)的部署等等，這些解決方法可借鑒到SDN網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于OpenFlow的SDN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景和趨勢以及其組件，并重點(diǎn)介紹了SDN控制平面可擴(kuò)展性方面遇到的問題及解決方案，對(duì)SDN可擴(kuò)展性方面未來研究方向進(jìn)行了展望。在現(xiàn)階段，虛擬控制器的發(fā)展也成為了熱點(diǎn)，下一階段應(yīng)結(jié)合多控制器和虛擬化中的虛擬控制器，提出針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度問題的解決方案。

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