基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫英英，李戰(zhàn)懷，李 寧，石 琳

(西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，陜西 西安 710129)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議給互聯(lián)網(wǎng)帶來了巨大的靈活性，但網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心技術(shù)也是造成網(wǎng)絡(luò)局限性的主要原因。為了打破這種局限性，未來網(wǎng)絡(luò)［1-2］技術(shù)開始越來越多地得到研究者的關(guān)注。其中，OpenFlow技術(shù)［3］因為其良好的可擴展性和可編程性，被廣泛地應(yīng)用到了這些網(wǎng)絡(luò)研究的實驗中。OpenFlow技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于GENI［4］核心網(wǎng)的構(gòu)建;同時，NEC、思科、Juniper等公司也紛紛推出了支持OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

然而，想要利用OpenFlow網(wǎng)絡(luò)完全替代現(xiàn)有應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不現(xiàn)實的。因此，如何在不犧牲現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下整合所有網(wǎng)絡(luò)資源，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)研究所面臨的一個巨大的挑戰(zhàn)。加強對混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的研究，可以為解決這一問題提供一個有效的方案。本文使用OpenFlow技術(shù)構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，就是一種混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)，它實現(xiàn)對OpenFlow設(shè)備以及非OpenFlow設(shè)備的統(tǒng)一化管理，提高了網(wǎng)絡(luò)兼容性，并將OpenFlow技術(shù)可擴展、可編程的特性延展到整個網(wǎng)絡(luò)中，對創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量［5-6］的提高具有重要意義。

1 OpenFlow技術(shù)簡介

OpenFlow 是軟件定義網(wǎng)絡(luò)［7］(Software Define Network，SDN)中的重要概念，其核心思想是將控制數(shù)據(jù)流的規(guī)則和邏輯與數(shù)據(jù)流處理過程相分離，通過軟件定義控制的方式，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫毩⒖刂啤?/p>

OpenFlow作為一種新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有較高的可擴展性和隔離性。在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)層是用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的交換機和路由器，而控制層是可以由用戶掌控的控制器。利用控制器與數(shù)據(jù)流的分離和虛擬化軟件FlowVisor，OpenFlow支持不同的網(wǎng)絡(luò)研究實驗，在互不影響的情況下并行，更重要的是不會對現(xiàn)有應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)產(chǎn)生影響。另一方面，Open-Flow具有更強的可編程性。它可以定義數(shù)據(jù)傳輸過程中的每個原子動作，并可以定義由控制器使用的接口，來保證控制器對這些原子動作的控制權(quán)。同時，OpenFlow在控制方式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法等方面支持廣泛的創(chuàng)新，用戶可以根據(jù)需要對控制方式、傳輸協(xié)議等進行編程和實驗。

圖1 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)由控制服務(wù)器(Controller)、FlowVisor［8］和 OpenFlow 交換機［9］(OpenFlow Switch)三部分組成?？刂品?wù)器實現(xiàn)對交換機中流表的控制，進而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的控制;FlowVisor是 OpenFlow用來支持虛擬化技術(shù)［10-11］的專用軟件，利用它可以虛擬化出不同的實驗網(wǎng)絡(luò)，讓它們以相互獨立的方式運行各自的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法，同時保證實驗網(wǎng)絡(luò)與商務(wù)網(wǎng)絡(luò)相分離;OpenFlow交換機主要負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它在本地維護與路由表不同的數(shù)據(jù)流表，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。

OpenFlow作為實現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)的核心技術(shù)，已經(jīng)不僅僅局限于在校園網(wǎng)絡(luò)實驗平臺［12］中的應(yīng)用，而是被廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和實踐中。目前，研究者所進行的研究主要集中在利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)，以及利用OpenFlow控制器同時控制OpenFlow網(wǎng)絡(luò)和一種非OpenFlow網(wǎng)絡(luò)［13-14］，但并不能實現(xiàn)對現(xiàn)有應(yīng)用中的所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行管理。

目前，利用OpenFlow實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理面臨二方面的問題:(1)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)不具備管理非Open-Flow設(shè)備的能力;(2)非OpenFlow設(shè)備因為不支持OpenFlow協(xié)議，不能直接與OpenFlow網(wǎng)絡(luò)控制器通信。為了整合所有網(wǎng)絡(luò)資源，需要進一步加強對混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的研究。因此，本文構(gòu)建一種基于OpenFlow技術(shù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)非OpenFlow網(wǎng)絡(luò)與OpenFlow技術(shù)的結(jié)合，統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)資源，使非OpenFlow網(wǎng)絡(luò)也能夠具有優(yōu)秀的可擴展性和可編程性。

2 基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

2．1 架構(gòu)層次設(shè)計

本文所設(shè)計的基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理，增強了網(wǎng)絡(luò)的兼容性、可擴展性和可編程性。基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為4個層次，分別為應(yīng)用層、VTN虛擬平臺、控制層和物理層，如圖2所示。

圖2 虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次圖

(1)應(yīng)用層可以訪問和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運行情況，查看和設(shè)置數(shù)據(jù)流處理的規(guī)則和邏輯。應(yīng)用層中的應(yīng)用程序分為GUI和CLI兩種形式。GUI即圖形界面，方便用戶了解網(wǎng)絡(luò)流量控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的情況，并允許用戶根據(jù)需要向網(wǎng)絡(luò)中添加或刪除實體和數(shù)據(jù)流處理規(guī)則;CLI命令行程序，可以使專業(yè)用戶通過簡單的命令完成更多的功能，并具有更高的效率。

(2)VTN虛擬平臺是基于OpenFlow虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心部分，它涵蓋了虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要業(yè)務(wù)邏輯，可以被看作是網(wǎng)絡(luò)硬件層與用戶應(yīng)用層之間的連接橋梁。在VTN虛擬平臺中，服務(wù)器位于最上層，負責向外部應(yīng)用程序提供操作內(nèi)部數(shù)據(jù)所需要的服務(wù)接口;邏輯層的作用是建立一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，用于定義各種網(wǎng)絡(luò)請求的處理邏輯，指定完成不同網(wǎng)絡(luò)任務(wù)所需要的設(shè)備及控制器，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)中的流控制、流過濾器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能;物理層主要負責物理實體的配置與維護，如查看或修改通信狀態(tài)，改變或查看網(wǎng)絡(luò)中物理設(shè)備的配置信息，修改控制器、域或邊界的配置信息等;驅(qū)動器為VTN虛擬平臺提供操作單獨物理設(shè)備的接口。

(3)控制層由各種不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制器組成，其中包括OpenFlow交換機控制器、Overlay交換機控制器和Legacy交換機控制器等，用于控制對應(yīng)的物理設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(4)物理層是這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的底層基礎(chǔ)，包含了網(wǎng)絡(luò)通信過程中所需要的所有硬件。主要包括OpenFlow設(shè)備和非OpenFlow設(shè)備2大類，如Open-Flow交換機、Legacy交換機和Overlay交換機等。

2．2 數(shù)據(jù)流表設(shè)計

控制器能夠通過OpenFlow協(xié)議標準接口對混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的交換機數(shù)據(jù)流表進行控制，完成向數(shù)據(jù)流表中添加、修改和刪除流實例的功能?；贠penFlow虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)流表中的流實例分為3個部分，如圖3所示。

圖3 流實例組成

規(guī)則定義了數(shù)據(jù)包的特征，其中包括交換端口、VLAN ID、MAC源地址和目的地址、IP源地址和目的地址等，用于說明數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的源地址和目的地址等相關(guān)信息;操作定義了能夠?qū)?shù)據(jù)包進行的處理，如輸出包到端口、封裝后送往控制器、發(fā)送到正常處理路徑、丟棄包和修改域等;狀態(tài)定義了一些計數(shù)器，可以對數(shù)據(jù)包和字節(jié)數(shù)進行統(tǒng)計，完成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行情況的任務(wù)。

3 VTN虛擬平臺的實現(xiàn)

VTN虛擬平臺是基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心部分，提供與物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各種服務(wù)以及調(diào)用接口。外部應(yīng)用程序可以通過該平臺提供的接口來獲取這些服務(wù)。

VTN虛擬平臺的最終目標是控制和管理整個網(wǎng)絡(luò)，包括OpenFlow網(wǎng)絡(luò)、Overlay網(wǎng)絡(luò)和Legacy網(wǎng)絡(luò)等。通過將非OpenFlow設(shè)備轉(zhuǎn)換成類似于OpenFlow設(shè)備的工作方式，達到將OpenFlow網(wǎng)絡(luò)可擴展、可編程、支持廣泛創(chuàng)新的特性擴展到整個網(wǎng)絡(luò)的目的。

要實現(xiàn)VTN虛擬平臺的最終目標，需要在非OpenFlow網(wǎng)絡(luò)與OpenFlow控制器之間建立起一個虛擬的數(shù)據(jù)通路，稱為非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路。它可以同時與OpenFlow控制器和非OpenFlow設(shè)備之間進行通信。這個非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路對于實現(xiàn)OpenFlow控制器控制非OpenFlow設(shè)備至關(guān)重要，所以需要詳細了解它的工作方式以及時序處理邏輯。

3．1 非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路

在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中，如果數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的要求與某個特定的數(shù)據(jù)流相匹配，數(shù)據(jù)包會被發(fā)送到對應(yīng)的輸入輸出端口上;如果是不匹配的，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的信息將會發(fā)送到控制器，由控制器決定數(shù)據(jù)包發(fā)送的目的地址。

而非OpenFlow設(shè)備并不能向控制器直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流信息，應(yīng)用OpenFlow協(xié)議的數(shù)據(jù)流到來時，因為非OpenFlow設(shè)備無法識別傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)包將會被丟棄。為了避免數(shù)據(jù)包的丟失，構(gòu)建非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路，在非OpenFlow設(shè)備與OpenFlow設(shè)備之間建立通信，進而實現(xiàn)非OpenFlow設(shè)備與控制器的通信。因為通信的建立需要經(jīng)過OpenFlow設(shè)備，所以非OpenFlow設(shè)備被放置在2個OpenFlow設(shè)備之間，作為數(shù)據(jù)流的輸入輸出設(shè)備使用。

圖4為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流處理的流程圖，當新的數(shù)據(jù)流被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中時，第一個數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)到控制器，由控制器向數(shù)據(jù)通路上添加控制數(shù)據(jù)流的規(guī)則，判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂剑绻枰鹘?jīng)非Open-Flow設(shè)備，則會根據(jù)VLAN ID在非OpenFlow設(shè)備之間建立一個鏈路，構(gòu)成非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路。這個鏈路可以通過MPLS/GMPLSLSP技術(shù)實現(xiàn)。

OpenFlow控制器使用OpenFlow協(xié)議與非Open-Flow虛擬數(shù)據(jù)通路進行通信，非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路又通過SNMP與實際的物理設(shè)備通信。也就是說，非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路，在OpenFlow控制器和實際的物理設(shè)備之間起到了橋梁的作用。這個非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路，模擬了OpenFlow數(shù)據(jù)通路的工作方式，并包含了非OpenFlow設(shè)備的配置信息。OpenFlow控制器完成到數(shù)據(jù)流分析請求之后，首先將控制信息返回到非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路上，這個虛擬數(shù)據(jù)通路負責解析命令，并將命令應(yīng)用到物理設(shè)備上。

圖4 數(shù)據(jù)流處理流程

另一方面，非OpenFlow設(shè)備還能直接與對應(yīng)的控制器驅(qū)動相連接，這樣能在不影響非OpenFlow設(shè)備原有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有可擴展性和可編程性的混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)。一個需要注意的問題是，非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路與交換機驅(qū)動器是點對點連接，即一個非OpenFlow虛擬數(shù)據(jù)通路只能與一種驅(qū)動器相連接，只能專門地為這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和邏輯。

3．2 虛擬通路時序處理邏輯

當程序啟動時，首先訪問啟動數(shù)據(jù)庫，獲取程序啟動所必須的配置信息，并注冊非OpenFlow設(shè)備。

圖5 虛擬通路時序圖

如圖5所示，程序啟動階段，虛擬數(shù)據(jù)通路會利用不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制器獲取網(wǎng)絡(luò)的配置信息，決定正確的通信協(xié)議，同時在虛擬設(shè)備與控制器之間建立SNMP連接，在對應(yīng)的物理設(shè)備上獲取到交換機接口信息之后會通過SNMP連接，將其應(yīng)用到虛擬設(shè)備的接口上。當交換機在虛擬數(shù)據(jù)通路上注冊成功之后，OpenFlow控制器就能夠通過內(nèi)部通道來管理實際應(yīng)用中的這些非OpenFlow設(shè)備。

啟動完成后，物理設(shè)備與虛擬設(shè)備之間就建立起來一個數(shù)據(jù)通路，這樣OpenFlow控制器就能夠?qū)α鹘?jīng)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)流進行控制了。

4 測試實驗結(jié)果及分析

本實驗對基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行實驗驗證，主要驗證其可用性和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力。

測試用的實驗網(wǎng)絡(luò)是某公司開發(fā)OpenFlow交換機所使用的測試網(wǎng)絡(luò)。測試軟件運行在Linux操作系統(tǒng)上，包括整個網(wǎng)絡(luò)運行所需的虛擬化環(huán)境;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)交換機包括不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的不同交換機設(shè)備:Extreme Network、ProgrammableFlow、RackSwitch G8264等。

首先，利用虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CLI在VTN虛擬平臺中構(gòu)建實驗網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，將物理設(shè)備的配置信息添加到啟動數(shù)據(jù)庫中，方便程序啟動時，注冊物理設(shè)備。然后，利用GUI圖形界面對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)情況進行監(jiān)測，通過觀察界面顯示的源IP與目的IP以及VLAN ID等信息，說明數(shù)據(jù)流能夠根據(jù)實驗預(yù)想由OpenFlow交換機經(jīng)過非OpenFlow設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到目標設(shè)備。由此，可以證明這個虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以根據(jù)VLAN ID建立虛擬數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)OpenFlow控制器與非OpenFlow設(shè)備的通信。

程序正常運行之后，在負載流量為100～1100Mbit/s的情況下，分別監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及丟包情況，得到對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 負載與吞吐量和丟包率對比圖

當網(wǎng)絡(luò)中的負載流量達到700Mbit/s之后，隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量沒有明顯增加，而丟包率卻隨之顯著增加，所以網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理負載在700Mbit/s的情況下工作效率比較理想。

當網(wǎng)絡(luò)負載較輕時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會隨著負載的增加而增加，呈線性增長，當達到網(wǎng)絡(luò)的臨界值時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量不會在增加，甚至可能會降低。不同的實驗網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也不同，本實驗中網(wǎng)絡(luò)吞吐量在500Mbit/s的水平，已經(jīng)達到了網(wǎng)絡(luò)承載能力的平均水平。

5 結(jié)束語

基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有以下3個方面的優(yōu)勢:

(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制透明化:通過應(yīng)用程序為用戶提供了對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)流處理邏輯以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)情況的監(jiān)視功能。用戶能定制控制邏輯和規(guī)則，查看數(shù)據(jù)流統(tǒng)計結(jié)果。

(2)控制器與數(shù)據(jù)流相分離:OpenFlow控制器被綜合到VTN虛擬平臺中，提供可編程的控制功能，而數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)則是由控制層和物理層來完成的，根據(jù)控制器指令在物理設(shè)備間直接進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(3)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化:在VTN虛擬平臺中將不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)化為OpenFlow網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由Open-Flow控制器提供統(tǒng)一的管理控制功能。

基于OpenFlow虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的測試實驗表明該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以正常轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)流，并且該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理負載在700Mbit/s的情況下工作效率比較理想，并達到了網(wǎng)絡(luò)承載能力的平均水平。對未來混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的研究具有重要意義。

本文是對混合型OpenFlow網(wǎng)絡(luò)進行了初步探究，目前仍存在許多不足。今后將會在性能方面對基于OpenFlow的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進一步的優(yōu)化，同時嘗試應(yīng)用實際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來進行測試，已達到其可以應(yīng)用于大規(guī)模實際網(wǎng)絡(luò)中的目的。

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