SDN交換機與傳統(tǒng)交換機的架構(gòu)與性能比較

摘 要 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理一向是重要的話題，而現(xiàn)今SDN網(wǎng)絡(luò)將控制層從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)層分離，集中由外部控制器進行管理，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只進行封包傳遞的動作，大幅簡化眾多設(shè)備的管理問題。本文進行傳統(tǒng)交換機與SDN交換機的性能測試與比較，在傳輸速率方面，傳統(tǒng)交換機能達到帶寬的9成，而SDN交換機在TCP傳輸只有25%，UDP是幾乎無法傳送的狀態(tài)，而SDN交換機整體延遲時間約為傳統(tǒng)交換機的13.23倍。由于SDN交換機 CPU頻率不高，使得封包處理速度慢，以及封包被轉(zhuǎn)送到控制器，增加多余的延遲時間，加上封包發(fā)送速率過快，又或者封包過大需要分割，導(dǎo)致大量的封包被重送或丟失，這四種因素造成SDN交換機性能不及傳統(tǒng)交換機。

【關(guān)鍵詞】SDN 交換機 OpenFlow 架構(gòu) 性能

1 簡介

在現(xiàn)今企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)中，云端運算已成為不可或缺的一部分，將分散的服務(wù)器集中管理，使實際上位于不同處的資源看似于放置在同一個地方。如此一來，不但擁有大量的資源，更可以提升系統(tǒng)容錯的能力，也就是資源虛擬化。研究人員發(fā)現(xiàn)虛擬化所帶來的好處后，也想將負責連接與傳送資源的網(wǎng)絡(luò)進行虛擬化，使其網(wǎng)絡(luò)的性能及管理方面能夠進一步的提升。但在實際中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)與其它資源不同，就算將設(shè)備集中，也只是達到集中化的效果，在管理方面還是得對每一部設(shè)備進行各別的設(shè)定，并無法進一步達到虛擬化的效果。為了解決網(wǎng)絡(luò)虛擬化的問題，Nick McKeown帶領(lǐng)的研究團隊提出將網(wǎng)絡(luò)的控制層獨立出來集中管理，分散于各處的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就僅是負責數(shù)據(jù)傳遞的服務(wù)，也就是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking， SDN）[1] 的概念。如此一來，路徑的運算、環(huán)境的配置以及設(shè)備的維護都可以集中處理，達到網(wǎng)絡(luò)控制層虛擬化的目的。本篇文章會針對傳統(tǒng)交換機與 SDN 交換機的性能進行三個項目的測試：

（1）傳輸速率；

（2）OpenFlow控制封包產(chǎn)生率；

（3）延遲時間，來了解傳統(tǒng)交換機與 SDN 交換機兩者之間的差異。

2 SDN介紹

SDN是將網(wǎng)路設(shè)備中的控制層（control plane）從數(shù)據(jù)層（data plane， forwarding plane）分離，由外部控制器（controller） 集中管理控制層，僅剩下數(shù)據(jù)層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就只需要負責處理封包傳遞的部分。在控制器中以軟件的形式執(zhí)行所定義的網(wǎng)絡(luò)行為，依照軟件所定義的行為不同，底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就會具有不同的行為，例如在控制器中定義收到封包后一律進行廣播的動作，這時底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就是一個集線器（hub）；又或者是定義收到封包后進行包頭（header）的解析并傳送給指定的端口（port），此時底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就會變成是一個交換機（switch）。通過這種方式，SDN 可以快速且不需更換實體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，便能夠部署各式各樣不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更重要的是，集中且程序化的管理控制層，能夠省下大量的部署時間與進行維護人力資源，真正達到虛擬化的目的。

2.1 SDN架構(gòu)

在 SDN 發(fā)展的過程當中，有許多研究人員提出各式各樣SDN 架構(gòu)的方法，其中就以O(shè)penFlow最為有名，以下將以O(shè)penFlow為例介紹 SDN 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，并針對交換機做為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行討論及比較。

OpenFlow是由 Nick McKeown所帶領(lǐng)的研究團隊提出，目的是提供一個開放的通訊協(xié)議（protocol） 使得程序可以控制不同交換機上的流程表（flow table），達到 SDN 的效果，主要有三個部分：

（1）流程表：在交換機中寫入封包的流向，封包進入交換機后依照流程表所定義的流向來傳送封包。

（2）控制器：在流程表中沒定義其流向的封包會進入控制器，由控制器決定封包接下來的流向。

（3）OpenFlow通訊協(xié)議：通過SSL加密通道，讓交換機以及控制器進行溝通。

2.2 與傳統(tǒng)交換機架構(gòu)之比較

在現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，交換機本身具有許多的功能，本篇文章中我們稱之為傳統(tǒng)交換機，在此與 SDN 交換機的架構(gòu)進行比較，如圖1所示。圖1的左半邊為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，右半邊為 SDN 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，可以看出交換機集所有功能于一身，從最底層的封包傳遞，中層的網(wǎng)絡(luò)管理，到最上層的應(yīng)用程序都由一臺交換機一手包辦，其優(yōu)點是可以由硬件的設(shè)計來達成交換機的行為，提升交換機的處理速度；但缺點是相同的功能出現(xiàn)在多個交換機上，需要改變交換機的行為時，必須逐一對每臺交換機進行設(shè)定，更糟的情況是要變更的行為已經(jīng)寫入硬件時，必須直接更換整臺交換機來完成設(shè)定，此時將浪費許多的成本。

而 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，底層只負責封包傳遞，位于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中層及上層的功能被移轉(zhuǎn)到控制器上，由控制器中的軟件進行控制，最大的優(yōu)點是可以快速且不需更換交換機，部署各式各樣不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并省下大量的部署時間與進行維護人力資源，達到虛擬化的效果。

3 OpenFlow交換機介紹

OpenFlow交換機是一個可程序化的交換機，主要在交換機上運行ofprotocol與ofdatapath兩個程序以及記錄一張流程表。ofprotocol的功能是記錄封包進出交換機的信息，ofdatapath的功能是處理進入交換機的封包，流程表的功能則是記錄規(guī)則及處理動作。當封包從外部網(wǎng)絡(luò)進入到交換機時，會先由ofprotocol得知該封包是由哪個端口進入交換機中，并記錄在封包內(nèi)，然后交由ofdatapath處理。

OpenFlow交換機主要是傳遞封包，僅能判斷控制與資料封包的類別以及執(zhí)行流程表上的定義的幾個簡單的動作，其余的部分會因為流程表上未定義而送往控制器去決定，達到控制層與數(shù)據(jù)層分離的效果。

4 實驗架構(gòu)與方法

本次實驗是利用三臺計算機以及一臺實體交換機，在100Mbps的網(wǎng)絡(luò)速度下，進行網(wǎng)絡(luò)性能的測試，架構(gòu)如圖2所示。其中三臺計算機的操作系統(tǒng)都是GNU Linux/Debian Wheezy ，linux_kernel版本為3.2.0-4 ，交換機使用TP-LINK TL-WR1043ND，在上面搭載OpenWRT的系統(tǒng)，并使用 POX做為 SDN 網(wǎng)絡(luò)中的控制器。這臺交換機是以軟件實作流程表，因此在本實驗當中交換機的CPU常會出現(xiàn)高負載的情況。

本次實驗將測試三個項目：

（1）傳輸速率；

（2）OpenFlow控制封包產(chǎn)生率；

（3）延遲時間。

主要的測試是利用netperf這個程序進行，首先使用netperf預(yù)設(shè)參數(shù)在傳統(tǒng)交換機與 SDN 交換機下分別進行 TCP 與 UDP 大量數(shù)據(jù)的傳送來測試傳輸速率；然后再通過wireshark分析，探討OpenFlow控制封包的產(chǎn)生率；最后分析傳統(tǒng)交換機與 SDN 交換機發(fā)送封包從 client 端到 server端之間各段的延遲時間。

5 實驗結(jié)果

5.1 傳輸速率

表1是利用netperf預(yù)設(shè)參數(shù)，進行傳統(tǒng)交換機與SDN 交換機的 TCP 與 UDP傳輸速率的比較。傳統(tǒng)交換機不論是在 TCP 或是 UDP 的傳輸上都有 9 成以上的速度；反觀SDN 交換機，受限于交換機CPU速度的影響，加上控制器與交換機溝通導(dǎo)致交換機 CPU 一直處于高負載，使得 TCP 傳輸速率只有 25.70Mbps，而 UDP 甚至因為大量的封包丟失，傳輸速率只有0.10Mbps。

5.2 OpenFlow控制封包產(chǎn)生率

表2調(diào)整不同信息大小，由wireshark觀察OpenFlow控制封包產(chǎn)生率。根據(jù)分析結(jié)果得知，信息大小小于 MTU（1480 bytes）時，控制封包產(chǎn)生率低；反之則高。在netperf產(chǎn)生的 5000 個數(shù)據(jù)封包中，信息大小為 1000 bytes時會多產(chǎn)生 0.22%的控制封包；而在信息大小為 2000 bytes 時則會多產(chǎn)生 45.48%的控制封包。

5.3 延遲時間

表3為 1 秒內(nèi)送出 500 個封包，傳統(tǒng)交換機的延遲時間與 SDN 交換機是否符合流程表規(guī)則的延遲時間，在 SDN 交換機測試的 500 個封包當中，前 4 個是不符合流程表規(guī)則的封包，會送往控制器處理，每個封包約需 9.9 ms；其它496 個封包有符合流程表的規(guī)則，會直接執(zhí)行流程表內(nèi)的動作將封包傳送到指令的位置，每個封包約需 1.52 ms。由表中可以看出，SDN交換機不符合流程表規(guī)則的封包延遲時間約為傳統(tǒng)交換機的 82.5 倍，符合流程表規(guī)則的封包延遲時間約為傳統(tǒng)交換機的 12.67 倍。

6 結(jié)論

本次實驗是傳統(tǒng)與 SDN 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)性能的測試。在傳輸速率方面，傳統(tǒng)交換機能使用到帶寬的9 成，而SDN 交換機在 TCP 傳輸只能用到 25% 的帶寬，UDP 是呈現(xiàn)無法使用的狀態(tài)。而在延遲時間方面，SDN 交換機整體延遲時間約為傳統(tǒng)交換機的 13.23 倍。單就 SDN 交換機本身的影響，在相同交換機以及控制器的條件下，由于交換機 CPU 頻率不高，加上這臺交換機是以軟件實現(xiàn)流程表，使得封包處理速度慢，又因為封包被轉(zhuǎn)送到控制器，增加多余的延遲時間，再加上封包發(fā)送速率過快，或者封包過大需要分割，導(dǎo)致大量的封包被重送或丟失。綜合以上幾點，SDN 交換機性能是低于傳統(tǒng)交換機。

參考文獻

[1]K.Greene，"Software-defined networking，" Technology review - the 10 emerging technologies of 2009， March 2009.

[2]N.McKeown，T.Anderson，H.Balakrishnan， G.Parulkar，L.Peterson，J.Rexford， S.Shenker and J.Turner，“Open?ow： enabling innovation in campus networks”SIGCOMM Comput.Commun.Rev， 2008.

[3]OpenWrt，https：//openwrt.org/.

[4]POX，http：//www.noxrepo.org/pox/about-pox/.

[5]Netperf，http：//www.netperf.org/netperf/.

[6]Wireshark，http：//www.wireshark.org/.

[7]張景皓.“新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SDN顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制模式”[J].iThome計算機報，2012.

作者簡介

周東（1982-），男，江蘇省宿遷市人。現(xiàn)為南京廣播電視大學(xué)科長、工程師。研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)。

作者單位

南京廣播電視大學(xué) 江蘇省南京市 210002