面向SDN網絡虛擬化平臺的控制器放置算法

董曉東，郭志強，陳勝，周曉波，齊恒，李克秋

（1. 天津大學計算機學院，天津 300350；2. 天津市先進網絡技術與應用重點實驗室，天津 300350；3. 大連理工大學計算機學院，遼寧 大連 116024）

面向SDN網絡虛擬化平臺的控制器放置算法

董曉東1,2，郭志強1,2，陳勝3，周曉波1,2，齊恒3，李克秋1,2

（1. 天津大學計算機學院，天津 300350；2. 天津市先進網絡技術與應用重點實驗室，天津 300350；3. 大連理工大學計算機學院，遼寧 大連 116024）

隨著網絡技術發(fā)展，以網絡虛擬化為手段解決TCP/IP網絡體系結構僵化問題已成為未來網絡領域發(fā)展的主流方向之一。SDN（software defined networking，軟件定義網絡）作為一種新興的網絡體系結構，為網絡虛擬化提供了有效的解決方案。首先總結了當前具有代表性的SDN網絡虛擬化平臺，并對比了SDN與傳統網絡環(huán)境中部署虛擬網的區(qū)別，然后針對SDN網絡虛擬化平臺中的虛擬網絡映射問題，提出一種時延敏感的虛擬化控制器放置算法，最后通過實驗驗證了該算法在提高網絡資源的利用效率的同時，保證了控制器與底層交換機的通信時延在可接受范圍之內。

軟件定義網絡；網絡虛擬化；虛擬網絡映射；時延敏感

1 引言

當前互聯網的發(fā)展離不開TCP/IP網絡體系結構的支撐。在該體系結構中，TCP/IP起到了承上啟下的核心作用。對上層協議而言，TCP/IP屏蔽了數據鏈路層和物理層協議差異，使上層協議專注于應用的實現；對下層協議而言，又屏蔽了應用層協議，使下層協議只需要專注于基于IP地址的數據轉發(fā)。但是，隨著云計算、大數據及物聯網時代的到來，人們對網絡應用多樣化及網絡服務的需求不斷提升，網絡中的數據流量呈爆炸式增長，直接導致了網絡服務質量的下降。運營商為了保證網絡服務質量，必須被動地不斷進行網絡擴容，導致運營維護成本成倍增長。種種跡象表明，以TCP/IP為核心的網絡體系結構逐漸成為互聯網產業(yè)發(fā)展的瓶頸。

為了解決TCP/IP網絡體系結構中的問題，業(yè)界廣泛開展了大量關于未來網絡體系結構的研究工作。其中一個關鍵的問題是如何根據服務的具體需求在共享的物理資源上定制與其他服務隔離的專用網絡，由此誕生網絡虛擬化的概念。網絡虛擬化旨在一個共享的物理網絡資源之上創(chuàng)建多個 VN（virtual network，虛擬網絡），同時每個VN相互隔離并可以獨立地部署以及管理。網絡虛擬化的目的是提高網絡資源的使用效率，簡化網絡資源的管理以及實現網絡定制化，其本質上是一種資源共享技術。以網絡虛擬化為手段解決TCP/IP網絡體系結構僵化問題，已成為未來網絡體系結構發(fā)展的主流方向，歐盟 FP7計劃中的4WARD項目[1]、FEDERICA項目[2]、FELICA項目[3]、AGAVE項目[4]以及美國 FIA計劃中的ChoiceNet項目[5]都對此開展了大量的研究。在AT&T公司的Domain 2.0白皮書[6]以及5G[7]中，利用網絡虛擬化技術實現面向服務的網絡定制成為了各大運營商改進、升級產業(yè)的重要手段。隨著SDN（software defined networking，軟件定義網絡）、網絡虛擬化技術以及 NFV（network function virtulization，網絡功能虛擬化）的結合日益緊密[8]，網絡虛擬化技術已經成為支持未來網絡部署、管理以及服務分離的關鍵技術。

SDN為網絡虛擬化的實現提供了有效支撐。該技術實現了控制層面與數據層面的解耦分離，將對網絡的控制及管理抽象到邏輯或者虛擬的實體，提供靈活、開放的控制接口，使網絡交換設備只負責轉發(fā)，有助于網絡虛擬化的實現。美國的GENI（Global Environment for Network Innovations）項目[9]、Internet2組織[10]以及歐盟的FIRE（Future Internet Research and Experiment）項目[11]都致力于搭建基于SDN的虛擬化網絡實驗床。當前較為成熟的 SDN 網絡虛擬化平臺包括FlowVisor[12]、OpenVirteX[13]以及FlowN[14]等。

在SDN網絡虛擬化平臺中，所產生的切片網絡實例被稱為vSDN（virtual SDN，虛擬SDN），它繼承了VN和SDN各自的優(yōu)點，將靈活的網絡管控與面向服務的自定義網絡相結合。與傳統網絡虛擬化平臺相比，SDN網絡虛擬化平臺技術呈現一些新的特征。首先，SDN控制層利用數據平面接口可以對網絡底層的物理設備資源進行抽象，每個vSDN切片都需要一個控制器實例通過南向接口對其進行管理，這種控制層面和數據層面分離的思想簡化了虛擬網絡的構建和對網絡資源的管理。其次，由于控制器需要不斷與網絡設備進行通信，為了保證虛擬網絡正常運轉，vSDN的控制器與底層交換機之間的通信通道需要避免流量擁塞，同時盡可能降低通信時延。在實際的應用場景中，由于控制器往往采用帶內接入的方式與交換機建立控制鏈路，網絡環(huán)境復雜。大多數SDN網絡虛擬化平臺需要在配置vSDN時由管理員手動指定控制器位置。這種手動指定的方式難以在動態(tài)、大規(guī)模的網絡環(huán)境中應用。

本文針對SDN網絡虛擬化平臺中的控制器位置選擇問題，提出了一種時延敏感的vSDN控制器放置算法。其基本思想是：從備選位置中選擇出vSDN控制器的放置位置，在保證vSDN控制器與底層交換機的通信時延在可接受的范圍之內的同時，提高網絡資源的利用效率。

2 研究背景與相關工作

首先介紹傳統網絡中常用的虛擬化技術以及其原理，然后概括了SDN網絡虛擬化的實現原理并以3種業(yè)界最關注的SDN網絡虛擬化平臺為例進行了詳細分析，最后描述了SDN環(huán)境下虛擬網絡映射的研究現狀。

2.1 傳統網絡中的虛擬化技術

（1）VLAN

VLAN（virtual local area network，虛擬局域網）[15]可以在邏輯上將一組物理設備組織起來形成一個虛擬的網段，一個VLAN就是一個廣播域。IEEE于1999年頒布了用于標準化VLAN方案的802.1Q協議標準草案。VLAN除了將網絡劃分為多個廣播域，有效地控制廣播風暴的發(fā)生以外，通過VLAN可以靈活地將用戶按照其業(yè)務進行分類和聚合，從而達到簡化網絡管理并降低網絡運維成本的目的。此外，還可以通過VLAN將含有敏感數據的用戶組與其他網絡隔離，進而增強局域網的安全性。目前，定義VLAN的方法很多，主要包括：基于端口定義的 VLAN、基于 MAC地址定義的VLAN、基于路由定義的VLAN以及基于策略定義的VLAN。

（2）VPN

VPN（virtual private network，虛擬專用網）[16]的功能是在公用網絡上建立一個臨時、安全的隧道鏈接，從而實現專用網絡。VPN常用于遠程訪問，其基本工作原理如圖1所示，首先B發(fā)起對A的請求，B的VPN網關接收到B發(fā)出的消息并進行檢查；發(fā)現是對A的請求，對數據分組進行VPN技術封裝之后發(fā)送給A所處的局域網的公網IP地址；A的VPN網關接收到B發(fā)送來的數據分組后對其進行解析，發(fā)現是B發(fā)送過來的VPN數據分組后將其轉發(fā)給A。根據OSI參考模型，VPN技術可以根據其實現方法在模型中對應的位置進行分類：應用層的SSL（secure socket layer，安全套接字層）；會話層的socket5；網絡層的IPSec（internet protocol security，internet協議安全性）；數據鏈路層的PPTP（point to point tunneling protocol，點對點隧道協議）和L2F（level 2 forwarding protocol，二層轉發(fā)協議）。

圖1 VPN基本工作原理

2.2 SDN網絡虛擬化平臺

傳統SDN網絡虛擬化平臺原理如圖2（a）所示，網絡應用程序A和B通過北向接口與控制器進行通信，進而通過南向接口與物理設備交互，實現相應的網絡策略。邏輯上集中的SDN控制器擁有全局的網絡視圖，向上層應用提供豐富的API以實現“可編程”。因此，通過在控制層面和轉發(fā)層面之間加入SDN網絡虛擬化平臺，可實現SDN網絡虛擬化。

SDN網絡虛擬化平臺的工作原理分別如圖2（b）和圖2（c）所示。在圖2（b）中，SDN網絡虛擬化控制平臺直接與底層物理網絡設備交互，以透明的方式轉義以及轉發(fā)控制數據；圖2（c）中SDN網絡虛擬化控制平臺通過屏蔽鏈路發(fā)現協議的方法造成每個vSDN控制器直接控制相應的虛擬網絡拓撲的錯覺[17]。不管在圖2（b）還是在圖2（c）中，虛擬網絡都依托一個物理網絡生成，但是任意不同的虛擬網絡之間相互隔離、互不影響。控制層面的隔離、數據層面隔離以及地址空間隔離是網絡虛擬化中最重要的技術。

圖2 SDN網絡虛擬化平臺原理

本文以 3種最受關注的虛擬化平臺：FlowVisor、OpenVirteX以及FlowN為例，對其基本原理進行了介紹。

（1）FlowVisor

FlowVisor是最早的開源SDN網絡虛擬化平臺，采用Java語言編寫，南向接口采用OpenFlow協議。其最初的設計目的是實現實驗網絡和運營網絡的流量隔離，并于 2009年開始應用于美國斯坦福大學校園網，是目前應用案例最多的SDN網絡虛擬化平臺。FlowVisor的體系結構如圖 3所示，FlowVisor位于底層物理設備和上層控制器之間，以代理的方式透明地通過OpenFlow協議管理網絡設備。在FlowVisor中，每一個vSDN都被稱為一個“切片”，每個網絡切片都由一個上層控制器負責管理。FlowVisor將一部分分組頭字段空間抽取出來，稱為流空間或地址空間。不同 vSDN的地址空間相互隔離、互不重疊，vSDN控制器只負責控制屬于其地址空間內的網絡。當vSDN控制器向底層交換機下發(fā)命令時，控制器將命令發(fā)送給FlowVisor；然后，FlowVisor將命令交給與vSDN控制器對應的網絡轉義模塊進行處理；分片器對命令的有效性進行驗證，在修改后交給FlowVisor轉發(fā)模塊，再通過其下發(fā)給底層物理網絡設備。在底層網絡設備向控制器發(fā)起請求時也需要執(zhí)行類似流程。由于FlowVisor需要利用一部分分組頭字段空間來區(qū)分不同的網絡切片。因此FlowVisor無法利用全部的流空間地址。此外，FlowVisor也不支持vSDN拓撲自定義。

圖3 FlowVisor體系結構

（2）OpenVirteX

OpenVirteX是由ON.Lab（目前已經與ONF合并）開發(fā)的開源網絡虛擬化平臺，也采用 Java語言編寫，其系統結構如圖 4所示。為了解決FlowVisor不支持vSDN網絡拓撲定制以及地址空間不能完全獨立的問題，OpenVirteX采用了兩種方法。在網絡拓撲虛擬化方面，OpenVirteX采用了屏蔽或偽造NOS（network operating system，網絡操作系統）發(fā)送的LLDP（link layer discovery protocol，鏈路層發(fā)現協議）消息應答的方法。舉例來說，當需要構建虛擬存在的交換機時，OpenVirteX會偽造一個LLDP應答報文并發(fā)送給控制器，從而給控制器造成一個鏈接真實存在的錯覺。在地址空間方面，OpenVirteX為不同切片分配一個獨一無二的標識符，并為每一個終端分配一個由物理MAC地址和IP地址組合構成的標識符，在數據分組進入邊界交換機時利用IP地址重寫和 MAC地址重寫的方法重寫數據分組頭。但是，數據分組頭重寫增加了轉發(fā)時延和邊界交換機的負載。

圖4 OpenVirteX系統結構

（3）FlowN

FlowN是一款采用容器技術的SDN網絡虛擬化平臺，其目的是解決以下兩個問題：減少為每一個vSDN分配一個控制器帶來巨大的資源開銷及網絡切片映射數據保留在內存中帶來的可擴展性問題。FlowN本質上是一個改進的NOX控制器，不同的NOX應用程序運行在相互隔離的容器中，管理屬于自身的虛擬網絡拓撲，執(zhí)行本地事件響應，采用相互獨立的地址空間，其系統結構如圖5所示。當接收到數據層面發(fā)送來的請求時，FlowN首先運行事件管理器來識別該請求所屬的用戶組，然后將其轉發(fā)給對應的用戶組的事件管理器。當用戶事件管理器調用NOX方法時，FlowN會先將其攔截，經過虛擬網絡和物理網絡的映射和轉義之后再下發(fā)給底層物理交換機。與其他 SDN網絡虛擬化平臺不同的是，FlowN不需要為每一個虛擬網絡切片分配一個獨立的控制器實例。此外，由于采用了基于數據庫技術的方法保存虛擬節(jié)點和物理節(jié)點之間的映射關系而不是保存在內存中，FlowN可以應用于大規(guī)模網絡。

圖5 FlowN系統結構

除了上述3個SDN網絡虛擬化平臺，學術界中還有一些其他的SDN網絡虛擬化平臺，這些平臺的對比見表1。

表1 通用SDN虛擬化平臺設計對比

2.3 SDN中虛擬網絡映射

在網絡虛擬化環(huán)境中如何將虛擬網絡嵌入底層基礎網絡設備是一個備受關注的問題，在學術界被稱為VNE（virtual network embedding，虛擬網絡嵌入）問題。高效的嵌入方法不僅可以提高虛擬網絡的性能，而且能夠提高物理設備的資源利用效率。VNE問題已經被證明是NP難問題，參考文獻[27]總結了傳統網絡中VNE問題的解決方法。盡管所提及的方法某種程度上適用于vSDN的嵌入問題，但值得注意的是，與傳統網絡嵌入相比，vSDN的嵌入存在一些差異。集中化的控制層面為實現SDN網絡虛擬化提供了便利的手段，然而嵌入底層物理網絡設備的每一個vSDN都需要一個控制器對其進行管理。在嵌入vSDN時，往往需要管理員手動指定vSDN控制器的物理位置。在實際應用中，控制器往往采用帶內接入的方式接入網絡。為了保證虛擬網絡正常運行，在嵌入vSDN時必須要確保所有的控制器—交換機通道不會出現擁塞和高時延的情況。參考文獻[28]提出了可建立虛擬網絡拓撲及嵌入控制器的算法。鑒于其離線算法的特性，無法在復雜的動態(tài)網絡應用場景中部署。

本文針對SDN網絡虛擬化中控制器位置選擇問題提出了一種時延敏感的vSDN控制器放置在線算法。該算法優(yōu)先考慮通信時延，從備選位置選擇vSDN控制器的放置點，保證控制器與交換機的通信時延控制在合理的范圍內，從而既保證了vSDN的合理嵌入，又提高了網絡資源的利用效率。

3 時延敏感的vSDN控制器放置算法

在實際應用中，尤其是云平臺和數據中心網絡中，控制器往往采用帶內接入的方式接入網絡，如圖6所示。為了保證虛擬網絡正常運行，在嵌入vSDN時必須要確保所有的控制器—交換機通道不會出現擁塞和高時延的情況。本文提出的低時延的vSDN控制器放置在線算法，其基本思想是逐層搜索可以確定vSDN控制器實例的位置，然后將vSDN控制器實例映射到恰好滿足時延條件的位置上。其具體流程如算法1所示。

圖6 vSDN控制器放置示例

算法1 時延敏感的vSDN控制器放置算法輸入：vSDN請求

初始化：變量n、集合C

（1） for 距離SDN虛擬化平臺距離為n跳的且與集合C中節(jié)點相連的節(jié)點，計算節(jié)點到虛擬交換機的時延

（2） 判斷每個節(jié)點與vSDN請求的最大時延是否滿足vSDN時延需求

（3） if 不存在滿足時延條件的節(jié)點

（4） then goto（19）

（5） else

（6） for 每個滿足時延條件的節(jié)點

（7） 判斷節(jié)點是否有足夠的資源以容納vSDN控制器實例

（8） if 不存在負載符合要求的

（9） then n+=step

（10） goto（2）

（11） else

（12） for每個滿足負載要求的

（13） 將該節(jié)點加入C中

（14） n+=step

（15） goto（2）

（16） end if

（17） end if

（18） if C為空

（19） then 停止查找，放棄嵌入

（20） else

（21） 從集合C中找出時延最大的節(jié)點作為嵌入vSDN控制器的目標節(jié)點

4 實驗與分析

4.1 實驗設置

為了真實地反映本文所提算法的有效性，本文采用了模擬實驗的方法對本文所提出的算法進行了驗證。鑒于OpenVirteX開源、簡單以及功能全面的特點，本文采用Mininet+OpenVirteX的實驗環(huán)境。實驗采用了 CERNet網絡拓撲，共包括41個核心網交換機和258條單項鏈路。為了簡化實驗，假設每個控制器實例所占用的資源相同，每個核心網交換機下可以容納4個控制器實例。本文用vSDN請求所能承受的最大控制器—交換機時延表示vSDN時延需求。為了不失一般性，試驗中的vSDN拓撲的規(guī)模以及vSDN時延需求均按照正態(tài)分布隨機生成。

為了評估算法的性能，本實驗將本文所提出的算法與最小時延的vSDN控制器放置算法[26]進行了對比，統計了相對于最小時延的vSDN控制器放置算法增加的控制器—交換機平均時延和接收的vSDN數量。為了降低誤差，每組實驗進行了100次，最后取平均值。

4.2 實驗結果

實驗結果如圖7所示。

圖7 實驗結果

從圖7（a）中可以發(fā)現，本文所提出的低時延的 vSDN控制器放置算法可以有效地提高vSDN嵌入的接受率，可以達到提高網絡設備的資源利用率的目的。從圖7（b）中可以發(fā)現，本文所提出的低時延的vSDN控制器放置算法雖然增加了控制器到交換機的平均時延，但是時延依然在需求范圍之內。總之，本文所提出的vSDN控制器放置算法在滿足虛擬網絡交換機—控制器時延需求的前提下，提高了vSDN的接受率及物理網絡資源的利用效率。

5 結束語

網絡虛擬化技術已經成為了解決傳統網絡體系結構僵化問題的主流技術，其與云計算、數據中心網絡、SDN以及NFV的聯系日益緊密。針對vSDN中控制器位置選擇問題，本文提出了一種時延敏感的vSDN控制器放置的在線算法。實驗驗證了該算法既保證了vSDN合理地嵌入，又提高了網絡資源的利用效率。但是，本文并沒有考慮網絡中鏈路的負載情況，也沒有考慮多對一、一對多的虛擬網元映射情況，接下來將針對這些問題繼續(xù)深入地進行研究。

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董曉東（1990?），男，天津大學計算機學院博士生，主要研究方向為計算機網絡、未來網絡體系結構、軟件定義網絡等。

郭志強（1994?），男，天津大學計算機學院碩士生，主要研究方向為軟件定義網絡、云計算、未來網絡體系結構等。

陳勝（1993?），男，大連理工大學計算機學院碩士生，主要研究方向為計算機網絡、無線網絡、云計算。

周曉波（1985?），男，博士，天津大學計算機學院副教授，主要研究方向為信源信道聯合編碼、協同無線通信、網絡信息論、云計算、軟件定義網絡等。

齊恒（1981?），男，博士，大連理工大學計算機學院副教授，主要研究方向為軟件定義網絡、多媒體計算、數據中心、云計算等。

李克秋（1971?），男，博士，天津大學計算機學院教授 ，主要研究方向為數據中心網絡、云計算、無線網絡等。

SDN hypervisor oriented vSDN controller placement algorithm

DONG Xiaodong1,2, GUO Zhiqiang1,2, CHEN Sheng3, ZHOU Xiaobo1,2, QI Heng3, LI Keqiu1,2
1. School of Computer Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300350, China 2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Networking (TANK), Tianjing 300350, China 3. School of Computer Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

With the development of the future internet technology, the future network architecture which utilizes network virtualization as a tool to solve the rigidity of traditional network becomes the main stream. As a new network architecture, software defined networking provides an effective network virtualization solution. Firstly, related technology of network virtualization in SDN was concluded, distinguished differences between deploying virtual network in SDN and traditional network was compared, and aiming at the virtual network mapping problem in SDN virtualization platform, a latency sensitive SDN virtualization controller placement algorithm. At last, experiment results show that the algorithm not only can assure the delay between SDN controllers and switches in an acceptable range, but also improve the utilization efficiency of network resources.

software defined networking, network virtualization, virtual network embedding, latency sensitive

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017091

2017?01?13；

2017?03?28

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目（No.2016YFB1000205）；國家自然科學基金重點基金資助項目（No.61432002）；國家自然科學基金資助項目（No.61370199, No.61672379）；大連市高級人才創(chuàng)新工程項目（No.2015R049）

Foundation Items: National Key Research and Development Program of China (No.2016YFB1000205), The State Key Program of National Nature Science of China(No.61432002), The National Natural Science Foundation of China(No.61370199, No.61672379),The Dalian High-Level Talent Innovation Program(No.2015R049)