基于REST-API的SDN控制器故障恢復(fù)機(jī)制

楊 晨，李 勇，金德鵬

（清華大學(xué)電子工程系微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

基于REST-API的SDN控制器故障恢復(fù)機(jī)制

楊 晨，李 勇，金德鵬

（清華大學(xué)電子工程系微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）通過可編程的數(shù)據(jù)平面和邏輯集中的網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活可控，然而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)控制器不具備故障快速切換功能，難以實(shí)現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)。為此，基于表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移-應(yīng)用程序編程接口（REST-API），提出一種控制器快速恢復(fù)機(jī)制，通過REST-API將多個(gè)控制器同時(shí)與控制器代理相連接，使得控制器代理可快速檢測出控制器故障并進(jìn)行切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與OpenFlow機(jī)制相比，該機(jī)制減少了500倍以上的切換時(shí)間，且切換時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；故障恢復(fù)；快速切換；OpenFlow機(jī)制；表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移-應(yīng)用程序編程接口

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從早期的局部資源共享平臺發(fā)展到今天覆蓋全球的數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)，這使得互聯(lián)網(wǎng)在社會基礎(chǔ)設(shè)施中越來越重要，但其缺陷也越發(fā)明顯，例如結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜、管控能力日趨減弱等，解決這些問題的關(guān)鍵是亟需網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的創(chuàng)新［1］。

OpenFlow技術(shù)概念最早由美國斯坦福大學(xué)的Nick McKeown教授提出，是斯坦福大學(xué)Clean Slate計(jì)劃資助的一個(gè)開放式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其后成為GENI計(jì)劃的子項(xiàng)目［2］。OpenFlow將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上維護(hù)流表（flow table）結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分組按照流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而流表的生成、維護(hù)、配置則由中央控制器進(jìn)行管理。OpenFlow的流表結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)處理層次扁平化，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理滿足精細(xì)處理要求。在這種分離架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)邏輯控制功能和上層應(yīng)用可以通過中央控制器靈活地進(jìn)行動態(tài)管理和配置，同時(shí)在不影響傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正常流量的情況下，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)［3］。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）概念引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，SDN通過把原有的封閉體系解耦為數(shù)據(jù)層、控制層和應(yīng)用層，將網(wǎng)絡(luò)控制功能獨(dú)立出來，并為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供可編程的接口，從而顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。它是一種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，與IPV 6，IPv4不同，SDN不改變主機(jī)可見的轉(zhuǎn)發(fā)面封裝，它是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議/架構(gòu)和未來網(wǎng)絡(luò)的一種支持平臺，某種意義上說更像一種高級語言+編譯器，可以用來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件，而不是另外一種新的功能性軟件［4］。對于采用SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，可方便地提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率、降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)代價(jià)、優(yōu)化路由路徑及增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理性和靈活性［5］。SDN的發(fā)展面臨很多安全問題，隨著SDN架構(gòu)的普及和推廣，安全問題越來越受到重視［6］。本文主要從應(yīng)用控制器入手，提出一種在不間斷通信的情況下實(shí)施控制器切換的方法，當(dāng)應(yīng)用控制器發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速有效的控制器切換。

2 SDN與OPenFlow技術(shù)

目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所討論的SDN網(wǎng)絡(luò)一般分為廣義和狹義2種［7］。其中，廣義SDN一般指向上層應(yīng)用開放資源接口，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件編程控制的各種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；狹義上的SDN專指符合開放網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）定義的開放架構(gòu)，在控制器控制下基于標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無論廣義還是狹義其基本設(shè)計(jì)思想是一致的［8］。

SDN是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［9］，其獨(dú)立控制器可直接編程并與網(wǎng)絡(luò)層相分離，把傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為應(yīng)用、控制、數(shù)據(jù)3個(gè)層面，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立控制與編程，如圖1所示。

圖1 SDN分層架構(gòu)

在SDN分層架構(gòu)下的核心和關(guān)鍵是開放式和標(biāo)準(zhǔn)化，其統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)層與控制層接口屏蔽了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在類型、支持協(xié)議等方面的異構(gòu)性，使得數(shù)據(jù)層的交換網(wǎng)絡(luò)能夠無障礙地接收控制層指令，快速轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化控制層和應(yīng)用層的接口，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的管理視圖和編程接口，使得用戶可以很方便地實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

OpenFlow是目前SDN最成熟和應(yīng)用最廣的實(shí)現(xiàn)方式?；贠penFlow的SDN技術(shù)使用戶可以更靈活地管控網(wǎng)絡(luò)、更高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源、更合理性地分配網(wǎng)絡(luò)資源［10］。OpenFlow由OpenFlow交換機(jī)、Flow Visor和Controller三部分組成［11］。OpenFlow技術(shù)最大的特點(diǎn)是OpenFlow交換機(jī)將原來完全由交換機(jī)和路由器控制的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)化為由OpenFlow交換機(jī)和Controller來共同完成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制的分離。其中，OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)發(fā)；Flow Visor對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化；Controller對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制。Controller可以通過事先規(guī)定好的接口操作控制OpenFlow交換機(jī)中的流表，從而達(dá)到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是在不影響網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的條件下支持多控制器的靈活切換，具體目標(biāo)如下：

（1）支持多種不同的控制器實(shí)現(xiàn)形式。SDN網(wǎng)絡(luò)中有多種形式的控制器，基于不同架構(gòu)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如Flood light，OpenDay light，Nox等，本文設(shè)計(jì)需要能夠在多種不同的控制器之間進(jìn)行切換，并且能夠兼容多種控制器的應(yīng)用和下發(fā)規(guī)則。

（2）能夠快速響應(yīng)控制器故障。傳統(tǒng)的控制器故障事件不會反饋到交換機(jī)上，控制器失效后，交換機(jī)難以快速響應(yīng)控制器的故障及失效事件。

（3）控制器切換過程不影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在切換過程中不產(chǎn)生明顯的中斷，多個(gè)控制器的狀態(tài)需要保持一致。

4 SDN控制器故障恢復(fù)機(jī)制

4.1 控制器故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文控制器故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分，如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)底層是OpenFlow交換機(jī)，交換機(jī)通過物理鏈路與控制器代理互連，控制器代理通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與多種控制器互連。交換機(jī)開始運(yùn)行后，首先通過OpenFlow協(xié)議與控制器代理連接；控制器代理通過REST-API與多個(gè)控制器同時(shí)保持連接，系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)控制器作為主要控制器。所有的控制器會運(yùn)行相同的應(yīng)用，主要控制器會將規(guī)則下發(fā)到控制器代理，控制代理再下發(fā)到各個(gè)交換機(jī)上。

圖2 本文控制器故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 控制器代理功能實(shí)現(xiàn)

控制器代理主要完成控制器選擇、控制器規(guī)則下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)事件上傳等功能。

控制器代理功能主要分為設(shè)備控制和控制器接口兩部分，設(shè)備控制部分負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)底層的交換機(jī)進(jìn)行通信，如圖3所示。

圖3 控制器代理模塊結(jié)構(gòu)

設(shè)備控制部分主要功能包括：（1）交換機(jī)連接模塊通過OpenFlow協(xié)議與底層的交換機(jī)相連；（2）設(shè)備管理模塊通過OpenFlow協(xié)議管理每個(gè)交換機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；（3）鏈路發(fā)現(xiàn)模塊監(jiān)測交換機(jī)之間鏈路的狀態(tài)，實(shí)時(shí)更新鏈路信息；（4）統(tǒng)計(jì)信息模塊將OpenFlow協(xié)議收集到的交換機(jī)信息存儲在數(shù)據(jù)庫中；（5）流表緩存模塊將需要下發(fā)的流表存儲在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，作為交換機(jī)硬件流表的備份；（6）拓?fù)涔芾砘谝延械逆溌沸畔⒔⒔粨Q機(jī)的拓?fù)?。基于以上模塊，設(shè)備控制部分維護(hù)了底層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、流表、運(yùn)行狀態(tài)等信息?？刂破鹘涌诓糠种饕δ馨ǎ海?）狀態(tài)檢測模塊監(jiān)測控制器的運(yùn)行狀態(tài)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制器的故障狀態(tài)；（2）控制器連接模塊通過表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移-應(yīng)用程序編程接口（Representational State Transfer-Application Programming Interface，REST-API）與多個(gè)控制器進(jìn)行連接，由于REST-API無需長時(shí)間保持連接的特性，因此多個(gè)控制器可以分時(shí)地訪問控制器代理，使得多個(gè)控制器能夠同時(shí)獲取底層交換機(jī)的狀態(tài)；（3）消息轉(zhuǎn)換模塊將控制器的REST-API訪問轉(zhuǎn)換為OpenFlow協(xié)議，使得控制器可以透明地控制底層的交換機(jī)設(shè)備。

4.3 REST-API功能實(shí)現(xiàn)

控制器和控制器代理通過REST-API實(shí)現(xiàn)通信。為實(shí)現(xiàn)本文3個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了4類RESTAPI，分別面向交換機(jī)設(shè)備控制、信息統(tǒng)計(jì)、事件反饋以及控制器狀態(tài)查詢，如表1所示。

表1 REST-API類型及其功能

交換機(jī)設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)了加入、修改和刪除流表的操作，允許控制器通過代理直接對交換機(jī)流表進(jìn)行控制；交換機(jī)信息統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)端口和鏈路狀態(tài)查詢，使得控制器能夠透明地獲取網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)；交換機(jī)事件反饋將交換機(jī)需要上傳的數(shù)據(jù)包和事件上傳到各個(gè)控制器中，使得各個(gè)控制器能夠同步獲得交換機(jī)事件并根據(jù)事件更新控制器應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)；控制器狀態(tài)查詢功能使得控制代理能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測控制器的運(yùn)行狀態(tài)，如果某控制器發(fā)生故障，則將控制器進(jìn)行切換。

4.4 控制器故障切換

對于控制器來說，通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Netw ork Operating System，NOS）實(shí)現(xiàn)其控制邏輯功能。NOS是［12］OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程控制的中央執(zhí)行單元，在SDN網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用。本文設(shè)計(jì)的控制器切換故障流程如圖4所示。

圖4 控制器故障切換流程

控制器故障切換流程具體步驟如下：（1）啟動網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)；（2）啟動后的交換機(jī)通過OpenFlow協(xié)議連接到控制代理上；（3）控制代理從連接到其上的諸多控制器中選擇一個(gè)進(jìn)行連接，作為主控制器；（4）通過代理將網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)事件上報(bào)到所有控制器；（5）控制器基于上報(bào)的事件保持狀態(tài)同步；（6）控制代理不斷檢測控制器的連接事件，如果發(fā)現(xiàn)控制器發(fā)生故障，則進(jìn)行控制器切換，選擇任意可用的控制器作為主控制器對網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)進(jìn)行控制；如果主控制器未發(fā)生故障，則控制器代理將按照主控制器生成的流表、運(yùn)行狀態(tài)等指令對網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)更新。

5 性能分析和驗(yàn)證

5.1 故障檢測時(shí)間

故障檢測時(shí)間是指從故障發(fā)生到控制器代理檢測到故障的時(shí)間。在本文設(shè)計(jì)方案中，控制器代理通過實(shí)時(shí)查詢控制器狀態(tài)來檢測故障。假設(shè)查詢時(shí)間間隔為T，且控制器發(fā)生故障的時(shí)間是完全隨機(jī)的，則理論上的平均故障檢測時(shí)間為T/2。對于鏈路故障，控制器無法響應(yīng)代理的查詢請求，因此需要控制器代理設(shè)置超時(shí)時(shí)間來進(jìn)行檢測。假設(shè)超實(shí)時(shí)間設(shè)置為T0，則檢測到鏈路故障所需的時(shí)間為max｛T/2，T0｝，一般設(shè)置應(yīng)該滿足T0＜T/2。綜上所述，不論是哪種故障，平均故障檢測時(shí)間均為T/2?；谏鲜隼碚撝岛筒煌膽?yīng)用場景需求，可以靈活調(diào)整查詢時(shí)間間隔。例如，當(dāng)控制器發(fā)生故障的概率較低時(shí)，可以設(shè)置較大的查詢時(shí)間間隔；當(dāng)控制器發(fā)生故障的概率較高時(shí)，則需要縮短查詢時(shí)間間隔。統(tǒng)計(jì)在不同查詢時(shí)間間隔下的故障檢測時(shí)間，100次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果如表2所示，可以看出，實(shí)際統(tǒng)計(jì)得到的平均故障檢測時(shí)間和理論值T/2是一致的。

表2 故障檢測時(shí)間s

5.2 切換時(shí)間

切換時(shí)間是指從發(fā)現(xiàn)故障到完成切換的時(shí)間。在本文設(shè)計(jì)的方案中，當(dāng)控制器代理發(fā)現(xiàn)主控制器發(fā)生故障時(shí)，只需從其他任意可用的控制器中選擇一個(gè)作為主控制器繼續(xù)處理，因此該時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無關(guān)。而對于傳統(tǒng)控制器故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，在檢測到控制器故障時(shí)需要與備用控制器重新建立連接，并且進(jìn)行狀態(tài)同步，一般而言狀態(tài)同步與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是成正比的，因此，在傳統(tǒng)機(jī)制下切換時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響。

圖5 傳統(tǒng)控制器故障恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證上述結(jié)論，統(tǒng)計(jì)在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下2種機(jī)制的切換時(shí)間。實(shí)驗(yàn)所用控制器配置為：4 GB內(nèi)存，Core 2核CPU處理器。采用樹狀拓?fù)洌瑯涞纳疃葹?，分支數(shù)分別設(shè)置為2，4，6，對應(yīng)交換機(jī)數(shù)量為6，21，43。實(shí)驗(yàn)拓?fù)溆肕 ininet仿真拓?fù)洵h(huán)境生成，假設(shè)有3個(gè)控制器，5次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果如表3所示，本文機(jī)制是統(tǒng)計(jì)從一個(gè)數(shù)組中隨機(jī)選擇一個(gè)控制器的所用時(shí)間，傳統(tǒng)機(jī)制是統(tǒng)計(jì)從啟動控制器到所有交換機(jī)連接到控制器的時(shí)間。

表3 2種機(jī)制切換時(shí)間對比s

可以看出，采用本文機(jī)制的切換時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)制。當(dāng)交換機(jī)數(shù)量為6，21，43時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)制切換時(shí)間分別是本文機(jī)制的575倍、2 670倍、9 600倍。這主要是因?yàn)楸疚臋C(jī)制中的控制器狀態(tài)在切換前就已同步，在切換時(shí)不需要進(jìn)行同步。這種設(shè)計(jì)雖然增加了控制信令數(shù)量，但是由于控制信令本身所需帶寬較小，且不同控制器可以分時(shí)共享控制鏈路，因此不會帶來額外的開銷。

6 結(jié)束語

針對SDN網(wǎng)絡(luò)難以快速切換的問題，本文提出一種SDN控制器結(jié)構(gòu)，使得多個(gè)邏輯完全相同的控制器并行運(yùn)行，由控制器代理從可用的控制器中選擇一個(gè)作為主控制器。當(dāng)主控制器發(fā)生故障時(shí)，控制器代理將自動選擇其他的可用控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)恢復(fù)機(jī)制相比，本文機(jī)制可大幅降低切換時(shí)間。為增強(qiáng)SDN網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力和快速恢復(fù)能力，需要分布式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)的支持，因此，今后將進(jìn)一步研究SDN網(wǎng)絡(luò)的分布式控制器故障恢復(fù)機(jī)制。

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編輯 陸燕菲

Failure Recovery Mechanism of SDN Controller Based on REST-API

YANG Chen，LIYong，JIN Depeng
（State Key Laboratory of Microware and Digital Communication，Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Software Defined Network（SDN）is able to support flexible network programmability by using programmable data p lane and centralized network controller.However，the single network controller is hard to support fast handover of controllers，which leads to the difficulty of failure recovery for SDN network.This paper proposes a failure recovery mechanism of SDN controller based on Representational State Transfer-Application Programming Interface（REST-API）.It uses the controller proxy to connect the underlying devices，and makes the proxy simultaneously connect several with controllers by using REST-API.The proxy can detect the failures and sw itch among controllers in short time.Experimental result show s that the proposed mechanism reduces more than 500 handover times，and the handover time is not affected by network scale.

Software Defined Network（SDN）；failure recovery；fast handover；OpenFlow mechanism；Representational State Transfer-Application Programming Interface（REST-API）

楊 晨，李 勇，金德鵬.基于REST-API的SDN控制器故障恢復(fù)機(jī)制［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（9）：131-134，139.

英文引用格式：Yang Chen，Li Yong，Jin Depeng.Failure Recovery Mechanism of SDN Controller Based on RESTAPI［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：131-134，139.

1000-3428（2015）09-0131-04

A

TP393.1

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.023

國家“973”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2013CB329105）。

楊 晨（1986-），男，碩士研究生，主研方向：軟件定義網(wǎng)絡(luò)，通信工程；李 勇，助理教授、博士；金德鵬，教授、博士。

2014-09-15

2014-10-21 E-m ail：yc31801986@qq.com