基于OpenFlow的SDN控制平面可擴展性綜述

李立龍，呂光宏，董永彬

(四川大學計算機學院，四川成都 610064)

隨著社會的進步，網(wǎng)絡規(guī)模急劇膨脹、傳輸數(shù)據(jù)量的劇烈增長和應用類型的持續(xù)增多，導致傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和功能日趨復雜，尤其是作為網(wǎng)絡核心的路由器，通過不斷增長的RFC數(shù)量對現(xiàn)行網(wǎng)絡進行修補和網(wǎng)絡協(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背道而馳。與此同時，由于專有的硬件設備和操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡在很大程度上是封閉的，從而造成了創(chuàng)新的艱難。但是，縱觀當前網(wǎng)絡行業(yè)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)有網(wǎng)絡中所大量部署的網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡協(xié)議也將在相當長一段時間內(nèi)延續(xù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)［2］。

為解決當前傳統(tǒng)網(wǎng)絡所面臨的上述問題，世界各國都開始了對下一代互聯(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)的前期工作基礎上，于2008年，斯坦福大學的 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)絡互聯(lián)節(jié)點解耦出來，即與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分開，支持集中化的網(wǎng)絡狀態(tài)控制，實現(xiàn)底層網(wǎng)絡設施對上層應用的透明，能夠通過軟件編程實現(xiàn)硬件對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制。這是一種新型的網(wǎng)絡架構(gòu)，設計之初是為了方便研究員在真實的網(wǎng)絡流量環(huán)境中利用現(xiàn)有基礎設施來進行實驗，驗證其觀點，進行創(chuàng)新［2］。

SDN一經(jīng)提出便受到了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，給傳統(tǒng)網(wǎng)絡帶來巨大沖擊的同時，也為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡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交換機和控制器。OpenFlow交換機是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，根據(jù)流表負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā);而控制器則是路由管控平面，負責抽象底層設備，維護全網(wǎng)視圖。如圖1所示。

圖1 理想狀態(tài)下的OpenFlow交換機SDN架構(gòu)

OpenFlow交換機至少包含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組成，即匹配字段(Match Field)、計數(shù)器(Counter)和操作(Action)等;安全通道則用于連接交換機和控制器的通道接口，負責兩者互相通信;而OpenFlow協(xié)議則是為控制器提供了一種標準格式來配置和管理OpenFlow交換機。

控制器(Controller):如圖2所示，在ONF給出的軟件定義網(wǎng)絡體系架構(gòu)中［13］，控制層中的控制軟件，與基礎設施中的交換/路由等網(wǎng)絡設備經(jīng)由控制和數(shù)據(jù)平面接口交互，與應用層各種APP經(jīng)由開放API交互?？傊?，控制器對下負責底層網(wǎng)絡設備的抽象，對上負責提供并維護全局視圖，提供應用層的各種APP的接口。

圖2 軟件定義網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)有控制平面擴展性問題及解決

隨著SDN關(guān)注度的提升，隨之而來的是研究投入的加強和應用的增加，機遇增加的同時也帶來了挑戰(zhàn)。如在擴展平面方面，隨著網(wǎng)絡規(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)量來分擔任務;再者控制器數(shù)量的增加，又會帶來控制器的放置問題，根據(jù)不同的性能指標，放置問題也會多種多樣。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計就是將所有的控制功能移到一個集中控制器上，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用的高效性、創(chuàng)新性和實用性上，尤其是在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，經(jīng)常利用中央控制器來進行協(xié)調(diào)和資源調(diào)度，其在文獻［14～20］中均有體現(xiàn)。文獻［14］中實時地為流再次計算新的路徑，文獻［16］中強制性的為包路由使其能夠符合策略，文獻［18］中主服務器存儲分布式文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)(Metadata)，通過大量實驗拓撲結(jié)構(gòu)證明，在大多數(shù)情況下，單控制器足夠管理一個較大的網(wǎng)絡。

然而將來是大數(shù)據(jù)時代，在對大規(guī)模網(wǎng)絡進行管控時，控制器中存儲的數(shù)據(jù)量過大，所需處理的請求事件過于頻繁，必將導致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，單一控制器的處理能力及I/O能力均有限，在面對大規(guī)模網(wǎng)絡的復雜應用，必然會產(chǎn)生系統(tǒng)性能瓶頸。文獻［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上，減少了提交給交換機的事件請求，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展性，但交換機需要特殊的ASIC(Application－Specific－Integrated Circuits)和一般性能的CPU來實現(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設計理念。

早期關(guān)于SDN的提議均是基于流的，其都會產(chǎn)生額外的流初始化時延，文獻［20］中詳細闡述了單控制器在擴展性方面所面臨此的問題，即若網(wǎng)絡直徑足夠大，控制器的部署位置同樣會對流的建立延遲產(chǎn)生影響。圖3較好地說明了此問題:相比右圖，左圖中僅有一個控制器，當跨區(qū)域建立流表和通信時均會產(chǎn)生額外的時延。早期在NOX［21］上進行的基準實驗，表明單控制能每秒處理3 000個流初始化，其中包含0.1 ms的流安裝時間。在該種情況下，多控制器的思想便應運而生。其思想是用多個獨立的控制器來替代一個全能的控制器，每個控制器只負責部分網(wǎng)絡，使其共同管控整個網(wǎng)絡，邏輯上相當于一個中央控制器。

圖3 多區(qū)域網(wǎng)絡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，即對于給定的網(wǎng)絡拓撲，控制器該如何放置、每個控制器管理哪些交換機等。以不同的性能指標為標準，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［22］通過大量的實驗，以平均時延和最壞時延為衡量標準，針對不同拓撲結(jié)構(gòu)，來研究控制器所需數(shù)量以及控制器在拓撲中所放置的位置對時延的影響，也證明了隨機部署與科學部署對時延的影響。但本文并未得出一個一般性的、適用于所有的網(wǎng)絡拓撲的結(jié)論，控制器的數(shù)量和位置隨拓撲的變化而變化。

而控制器的部署，重點是分區(qū)問題，即對于廣域網(wǎng)，需要將其劃分為多個子網(wǎng)，多個控制器分別管理其域內(nèi)交換機。文獻［37］中，介紹了更具有普遍性的多控制器管控網(wǎng)絡的區(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，前者能夠使每個控制器監(jiān)控的鏈路數(shù)更少，但由于其需要考慮每個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，而后者更適合非常規(guī)網(wǎng)絡，如fat－tree網(wǎng)絡等。具體情況需具體分析，恰當?shù)剡x取更合適算法。

時延只是控制器部署所需考慮的一個方面因素，可靠性也是一個必須考慮的因素。可靠性主要是指控制器與交換機、控制器之間的通信。之間某條鏈路或者交換機出了故障，都會破壞正常的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者全局的一致性。文獻［38］提出了“受保護”交換機概念，使故障快速恢復的可能性最大，但只適合單控制器情況。文獻［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確性欠佳。而文獻［24］在兩者基礎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)果與隨機放置算法相對比，無法證明其算法的優(yōu)勢。文獻［25］也提出了類似的控制器優(yōu)化部署，在一定程度上增強了故障恢復能力，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)絡環(huán)境中的所有控制流，是網(wǎng)絡服務的中樞機構(gòu)，其安全性直接關(guān)系著網(wǎng)絡服務的可用性、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［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，來應對SDN安全問題。其能夠抵御侵透攻擊，比如TCP－SYN洪，增強了SDN網(wǎng)絡的彈性和可擴展性。但為了實現(xiàn)此功能，OpenFlow交換機需足夠的指令來處理模塊操作。文獻［27］提出了一種檢測DDOS攻擊的方法;文獻［28］則設計了一種識別大的聚集流量功能，用于檢測網(wǎng)絡異常的方法。

2.3 SDN控制器架構(gòu)

近年來，學術(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展性和可靠性問題，使得網(wǎng)絡的運營管理達到最佳的狀態(tài)。文獻［29］對控制器的平面結(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，每個控制器地位相等，根據(jù)每個控制器的邏輯拓撲視圖，又可分為兩類:一種為每個控制器擁有相同的全局試圖，如HyperFlow、Onix;另一種為每個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，等級越低監(jiān)控的區(qū)域越小，等級越高監(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。HyperFlow平面采用邏輯集中物理分散方式，是OpenFlow方面的第一個分布式控制平面。HyperFlow通過在網(wǎng)絡中部署多臺控制來管理OpenFlow交換機，每臺交換機同步共享全局網(wǎng)絡視圖的同時，只需管理本區(qū)域內(nèi)的OpenFlow交換機。控制器之間通過數(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)布與傳輸時延緊密相關(guān)等等。所以，HyperFlow在面臨一致性要求高、網(wǎng)絡事件更新頻繁之類的大型網(wǎng)絡中，可能會面臨瓶頸。

Onix［34］在可靠性、可擴展性和通用性方面，更勝一籌。Onix網(wǎng)絡構(gòu)架由物理網(wǎng)絡基礎設施、網(wǎng)絡連接基礎設施、Onix和網(wǎng)絡控制邏輯等部分組成，通過NIB(Network Information Base)來維護網(wǎng)絡全局的狀態(tài)，通過3種策略來實現(xiàn)控制平面的可擴展性:分區(qū)、聚合、一致性和穩(wěn)定性。此外，Onix的全局網(wǎng)絡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)點進行聚合決策。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?？傮w而言，Onix是基于OpenFlow的SDN發(fā)展的一個方向:多控制器分區(qū)管控。使用Python/C++語言基于Linux平臺上開發(fā)，用于解決較大規(guī)模真實網(wǎng)絡的部署方案。

Kandoo［35］一種分層結(jié)構(gòu)，其中有兩種等級的控制器: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)，每個交換機只能被一個Kandoo控制器控制，每個Kandoo控制器可控制多個交換機。其使用C、C++和Python共同開發(fā)，較低的內(nèi)存成本，支持動態(tài)可加載的插件，插件可由C、Python和Java實現(xiàn)。支持OpenFlow協(xié)議實驗證明，單Kandoo控制器在Xeon E7－4807使用單線程，可接收來自512個交換機超過每秒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)絡創(chuàng)新的艱難和緩慢，與SDN形成了鮮明的對比，引起了越來越多的機構(gòu)和組織的關(guān)注。但其帶來機遇的同時也提出了挑戰(zhàn)，尤其是可擴展性方面。文獻［36］指出可擴展性既不是SDN引起的，也不是SDN特有的，可在不失去SDN優(yōu)勢的同時解決可擴展性問題。但根據(jù)不同的性能指標，擴展性方面的側(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。一個成熟的網(wǎng)絡應該全面發(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)點和缺點，但未來發(fā)展的趨勢并未達成共識，有利于促進其共同發(fā)展的同時，也不利于統(tǒng)一化標準的制定，如API等。最后，SDN提供了一個新的網(wǎng)絡架構(gòu)，但在發(fā)展中也遇到了問題，這些問題在傳統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展中也曾遇到過，如區(qū)域的劃分，控制器(服務器)的部署等等，這些解決方法可借鑒到SDN網(wǎng)絡當中。

4 結(jié)束語

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

［1］張順淼，鄒復民.軟件定義網(wǎng)絡研究綜述［J］.計算機應用研究，2014，30(8):2246 －2251.

［2］Mckeown N，Anderson T，Balakrishnan H，et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2008，38(2):69－74.

［3］Elliott C.GENI:Opening up new classes of experiments in global networking［J］.IEEE Internet Computing，2010，14(1):39－42.

［4］Gavras A，Karila A，F(xiàn)dida S，et al.Future internet research and experimentation:the FIRE initiative［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2007，37(3):89 －92.

［5］JGN.JGN2 plus［EB/OL］.(2012 －11 －29)［2013 －11 －30］http://www.jgn.nict.go.jp/english/index.html.

［6］ICT.SOFIA［EB/OL］.(2012 －12 －25)［2014 －03 －03］http://fi.ict.ac.cn/research/sofia_overview.htm.

［7］Yang L，Dantu R，Anderson T，et al.Forwarding and control element separation(ForCES)framework［R］.USA:RFC 3746，2004.

［8］Greenberg A，Hjalmtysson G，Maltz D A，et al.A clean slate 4D approach to network control and management［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2005，35(5):41－54.

［9］Caesar M，Caldwell D，F(xiàn)eamster N，et al.Design and implementation of a routing control platform［C］.Proceedings of the 2nd conference on Symposium on Networked Systems Design＆ Implementation －Volume 2，USENIX Association，2005.

［10］Casado M，Garfinkel T，Akella A，et al.SANE:A protection architecture for enterprise networks［C］.USENIX Security Symposium，2006.

［11］Casado M，F(xiàn)reedman M J，Pettit J，et al.Ethane:taking control of the enterprise［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2007，37(4):1 －12.

［12］Mckeown N，Anderson T，Balakrishnan H，et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2008，38(2):69－74.

［13］Open Network Foundation(ONF).Software defined networking:the new norm fornetworks［EB/OL］.(2013 －08 －27)［2014－03 －05］http://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/white－papers/wp－sdn－newnorm.pdf.

［14］Alfares M，Radhakrishnan S，Raghavan B，et al.Hedera:dynamic flow scheduling for data center networks［C］.UK:NSDI，2010.

［15］Chang F，Dean J，Ghemawat S，et al.Bigtable:A distributed storage system for structured data［J］.ACM Transactions on Computer Systems(TOCS)，2008，26(2):4 －9.

［16］Casado M，F(xiàn)reedman M，Pettit J，et al.Ethane:Taking control of the enterprise［C］.In Proceeding of SIGCOMM，2007.

［17］Dean J，Ghemawat S.MapReduce:simplified data processing on large clusters［J］.Communications of the ACM，2008，51(1):107－113.

［18］Ghemawat S，Gobioff H，Leung S T.The google file system［J］.ACM SIGOPSOperating Systems Review，2003，37(5):29－43.

［19］Tootoonchian A，Gorbunov S，Ganjali Y，et al.On controller performance in software － defined networks［C］.USENIX Workshop on Hot Topics in Management of Internet，Cloud，and Enterprise Networks and Services(Hot－ ICE)，2012.

［20］Tootoonchian A，Ganjali Y.Hyperflow:a distributed control plane for openflow ［C］.Proceedings of the 2010 Internet Network Management Conference on Research on Enterprise Networking，2010.

［21］Tavakoli A，Casado M，Koponen T，et al.Applying NOX to the datacenter［C］.Holand:HotNets，2009.

［22］Heller B，Sherwood R，Mckeown N.The controller placement problem［C］.Proceedings of the First Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks，ACM，2012.

［23］Zhang Y，Beheshti N，Tatipamula M.On resilience of splitarchitecture networks［C］.Global Telecommunications Conference，IEEE，2011.

［24］劉娟，黃韜，魏亮.SDN中基于可靠性優(yōu)化的控制器放置算法研究［EB/OL］.(2013－12－06)［2014－03－012］http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201312 －161.

［25］Hu Y，Wang W，Gong X，et al.On the placement of controllers in software － defined networks［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2012(19):92－171.

［26］Shin S，Yegneswaran V，Porras P，et al.AVANT － GUARD:scalable and vigilant switch flow management in software－defined networks［C］.Proceedings of the 2013 ACM SIGSAC Conference on Computer＆ Communications Security，2013.

［27］Braga R，Mota E，Passito A.Lightweight DDoSflooding attack detection using NOX/OpenFlow［C］.2010 IEEE 35th Conference on Local Computer Networks，IEEE，2010.

［28］Jose L，Yu M，Rexford J.Online measurement of large traffic aggregates on commodity switches［C］.Proceeding of the USENIX HotICE Workshop，2011.

［29］Tootoonchian A，Gorbunov S，Ganjali Y，et al.On controller performance in software － defined networks［C］.USENIX Workshop on Hot Topics in Management of Internet，Cloud，and Enterprise Networks and Services(Hot－ ICE)，2012.

［30］Gude N，Koponen T，Pettit J，et al.NOX:towards an operating system for networks［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2008，38(3):105 －110.

［31］江國龍.SDN控制器:Beacon核心技術(shù)分析［J］.程序員，2014(2):107－111.

［32］Cai Zheng，Cox A L，Ng T SE.Maestro:a system for scalable OpenFlow control，TR10 － 11［M］.Rice:Department of Computer Science，Rice University，2011.

［33］Tootoonchian A，Ganjali Y.Hyperflow:a distributed control plane for openflow ［C］.Proceedings of the 2010 Internet Network Management Conference on Research on Enterprise Networking，USENIX Association，2010.

［34］Koponen T，Casado M，Gude N，et al.Onix:a distributed control platform for large － scale production networks［C］.Germany:OSDI，2010.

［35］Hassas Yeganeh S，Ganjali Y.Kandoo:a framework for efficient and scalable offloading of control applications［C］.Proceedings of the First Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks，ACM，2012.

［36］Yeganeh S H，Tootoonchian A，Ganjali Y.On scalability of software － defined networking［J］.Communications Magazine，IEEE，2013，51(2):136 －141.

［37］Tam A SW，Xi K，Chao H J.Use of devolved controllers in data center networks［C］.IEEE Conference on Computer Communications Workshops，2011.

［38］Beheshti N，Zhang Y.Fast failover for control traffic in Software－ defined networks［C］.Global Communications Conference，IEEE，2012.