軟件定義網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制的性能改進(jìn)研究

梁　陶宏才

摘 要：在軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中，控制器作為核心部件需要隨時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，尤其是網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，如何快速高效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒃谲浖x網(wǎng)絡(luò)中尤為重要。對(duì)目前主流的控制器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的成本和開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行評(píng)估，提出一種基于鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議的改進(jìn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制，通過(guò)減少控制器發(fā)送的Packet-Out消息數(shù)來(lái)降低控制負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與目前的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制相比，改進(jìn)后的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制大大提高了控制器性能。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；控制器；拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議；Packet-Out消息

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0045-03

Abstract： In the software defined network architecture， the controller as the core component needs to obtain the network state information at any time， especially the network topology. Therefore， how to quickly and efficiently discover the network topology information is particularly important in the software definition of the network. This paper evaluates the cost and overhead of realizing topology discovery on the main controller platform， and proposes an improved topology discovery mechanism based on link layer discovery protocol， which reduces the control load by reducing the number of Packet-Out messages sent by the controller. Experimental results show that the improved topology discovery mechanism greatly improves the controller performance compared with the current topology discovery mechanism.

Keywords： software defined network； controller； topology discovery； link layer discovery protocol； Packet-Out message

引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）是一種以控制轉(zhuǎn)發(fā)分離為中心思想的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心部件SDN控制器需要實(shí)時(shí)地獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，尤其是網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能作為控制器提供的一項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)，是SDN進(jìn)行集中配置和管理網(wǎng)絡(luò)的前提。因此，一個(gè)高效可靠的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制對(duì)于SDN網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，研究如何提高拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制的性能具有十分重要的意義。

1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制概述

1.1 機(jī)制描述

目前，在SDN網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的方法并沒(méi)有官方的標(biāo)準(zhǔn)。NOX[1]是最早期的一款SDN控制器，大多數(shù)控制器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的方法均是按照NOX的實(shí)現(xiàn)方式衍生而來(lái)的，如POX、Floodlight、Ryu等。

當(dāng)前的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制主要利用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）[2]實(shí)現(xiàn)。SDN控制器使用Packet-Out消息周期性地向與之相連的所有OpenFlow[3]交換機(jī)的每個(gè)端口發(fā)送LLDP幀。當(dāng)某個(gè)交換機(jī)接收到這些LLDP幀后，再使用Packet-In消息將兩臺(tái)交換機(jī)之間的鏈路信息發(fā)送給控制器。當(dāng)控制器搜集了所在區(qū)域的所有鏈路信息后可建立網(wǎng)絡(luò)的全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 場(chǎng)景示例

現(xiàn)假設(shè)有兩個(gè)OpenFlow交換機(jī)連接在控制器上，如圖3所示。

控制器首先為交換機(jī)S1的3個(gè)端口創(chuàng)建單獨(dú)的LLDP幀，其中Chassis ID為交換機(jī)S1的DPID，Port ID為各自的端口號(hào)。然后，通過(guò)Packet-Out消息指示交換機(jī)S1將該LLDP幀通過(guò)Port 1端口發(fā)送出去。當(dāng)該幀到達(dá)交換機(jī)S2的Port 3端口后，會(huì)觸發(fā)交換機(jī)S2發(fā)送Packet-In消息給控制器，該P(yáng)acket-In消息中包含了由交換機(jī)S1的Port 1端口發(fā)送的LLDP幀?？刂破鲝氖盏降腜acket-In消息中可以解析得到該P(yáng)acket-In消息是由交換機(jī)S2的Port 3端口觸發(fā)的，同時(shí)可以解析出該幀是從交換機(jī)S1的Port 1端口發(fā)送的，此時(shí)控制器就可確定交換機(jī)S1的Port 1端口和交換機(jī)S2的Port 3端口是直連的。若推廣到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，控制器可以指示從所有交換機(jī)的所有端口發(fā)送LLDP幀，從而獲取全網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

1.3 性能評(píng)估

控制器負(fù)載取決于控制器需要發(fā)送的Packet-Out消息的數(shù)量，以及它接收到的和需要處理的Packet-In消息的數(shù)量。由傳統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制可知，控制器所要發(fā)送的帶LLDP的Packet-Out消息的總數(shù)是所有與控制器相連的交換機(jī)總端口數(shù)。設(shè)L為交換機(jī)之間的鏈路數(shù)量，S為交換機(jī)的數(shù)量，Pi為交換機(jī)i的端口數(shù)量。Npacket-out表示控制器需發(fā)送的Packet-Out消息的總數(shù)，則：

2 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制改進(jìn)

2.1 改進(jìn)思路

控制器負(fù)載和性能對(duì)于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性至關(guān)重要，而拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)通常是所有控制器在后臺(tái)持續(xù)運(yùn)行的服務(wù)，因此它對(duì)控制器負(fù)載的影響也尤為顯著。為了便于控制器在接收交換機(jī)的帶LLDP的Packet-In消息時(shí)可以確定源端口，每個(gè)LLDP幀都需要將Port ID TLV初始到相應(yīng)的交換機(jī)出口端口。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)此功能的方法是控制器通過(guò)單獨(dú)的Packet-Out消息為每個(gè)交換機(jī)的每個(gè)端口發(fā)送專(zhuān)用的LLDP幀，控制器需要發(fā)送的帶LLDP的Packet-Out消息數(shù)是網(wǎng)絡(luò)中端口的總數(shù)。一個(gè)更好的選擇是只向每個(gè)交換機(jī)發(fā)送一個(gè)帶LLDP的Packet-Out消息，并要求它在所有端口上發(fā)送相應(yīng)的LLDP幀。由于OpenFlow不支持重寫(xiě)LLDPDU部分，因此在將LLDP幀轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口前無(wú)法重寫(xiě)Port ID TLV。根據(jù)OpenFlow交換機(jī)和控制器之間建立連接時(shí)交換機(jī)會(huì)通知控制器其端口ID和關(guān)聯(lián)的MAC地址，以及OpenFlow交換機(jī)重寫(xiě)數(shù)據(jù)包頭的能力，由此改進(jìn)機(jī)制可利用MAC地址作為標(biāo)識(shí)符來(lái)幫助控制器確認(rèn)來(lái)自交換機(jī)的帶LLDP的Packet-In消息的源端口。

2.2 具體改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)流程

改進(jìn)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制對(duì)原有機(jī)制的細(xì)節(jié)作了如下更改：

（1）控制器與交換機(jī)建立連接后，當(dāng)交換機(jī)響應(yīng)Features Request消息時(shí)，通過(guò)Features Reply消息通知控制器有關(guān)其操作端口、ID和MAC地址的信息?？刂破髟俑鶕?jù)每個(gè)交換機(jī)的MAC地址和端口ID建立映射關(guān)系并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）修改控制器發(fā)送Packet-In消息的動(dòng)作，將發(fā)送到每個(gè)交換機(jī)的帶LLDP的Packet-In消息數(shù)限制為一個(gè)，并將LLDPDU中的Port ID TLV字段置為0。

（3）為每個(gè)交換機(jī)建立新規(guī)則，指定從控制器接收的每個(gè)LLDP幀將在所有可用端口上轉(zhuǎn)發(fā)，并將LLDP幀的源MAC地址字段置為對(duì)應(yīng)端口的MAC地址。

（4）修改控制器接收Packet-In消息的處理程序，通過(guò)對(duì)比所收到的LLDP幀的源MAC地址字段與步驟（1）收集的控制器數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的映射關(guān)系找到對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，以此確認(rèn)鏈路連接關(guān)系。

改進(jìn)后的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制示例如圖4所示。與圖3對(duì)比，有如下兩個(gè)明顯的區(qū)別：一是控制器給交換機(jī)S1發(fā)送的Packet-Out消息數(shù)，由原先的三個(gè)端口各一條修改為一個(gè)交換機(jī)僅一條；二是交換機(jī)各端口轉(zhuǎn)發(fā)的LLDP幀結(jié)構(gòu)，Port ID字段由原先對(duì)應(yīng)的端口ID修改為0，而源MAC地址由原先統(tǒng)一的交換機(jī)MAC地址修改為各端口對(duì)應(yīng)的MAC地址。

2.3 性能的理論分析

改進(jìn)后控制器所要發(fā)送的帶LLDP的Packet-Out消息的總數(shù)是所有與控制器相連的交換機(jī)數(shù)。設(shè)Mpacket-out表示改進(jìn)后控制器需發(fā)送的Packet-Out消息的總數(shù)，則：

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的軟件如表1所示，我們使用基于Linux的Mininet[4]網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬網(wǎng)絡(luò)，將POX作為SDN控制器平臺(tái)，Open vSwitch作為虛擬交換機(jī)，并通過(guò)Python實(shí)現(xiàn)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制的更改。

如表2所示，實(shí)驗(yàn)分別考慮了3種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中拓?fù)?是一個(gè)具有交換機(jī)數(shù)量為100的線性拓?fù)?，拓?fù)?是一個(gè)具有深度為7、分支系數(shù)為2的樹(shù)狀拓?fù)?，拓?fù)?是一個(gè)具有深度為4、分支系數(shù)為4的樹(shù)狀拓?fù)洹?/p>

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)POX控制器進(jìn)行檢測(cè)，以收集所發(fā)出的Packet-Out消息的信息，該信息由拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)組件在實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲兴l(fā)出。通過(guò)公式（3）可以確認(rèn)通過(guò)改進(jìn)機(jī)制獲得的效率增益，如表3所示。

圖5以直方圖形式顯示了表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖中可以清楚表明改進(jìn)的機(jī)制大大減少了Packet-Out消息的數(shù)量，其中拓?fù)?和拓?fù)?對(duì)Packet-Out消息數(shù)減少了將近67%，拓?fù)?減少了將近80%。

Packet-Out消息的減少可以直接影響控制器負(fù)載。實(shí)驗(yàn)中，我們不斷運(yùn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)服務(wù)，以POX控制器默認(rèn)的時(shí)間間隔5秒重復(fù)啟動(dòng)新的發(fā)現(xiàn)回合。

網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，我們利用python中用于采集系統(tǒng)基本性能信息的psutil模塊，通過(guò)其中的cpu_percent（）方法來(lái)獲取CPU時(shí)間。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為300秒，共重復(fù)10次取平均值。

圖6顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中POX控制器僅運(yùn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)服務(wù)的累積CPU時(shí)間。由圖觀察可知，改進(jìn)機(jī)制相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)制在節(jié)省CPU時(shí)間上有顯著效果，其中最低為拓?fù)?的20%，最高可達(dá)到拓?fù)?的40%。這表明Packet-Out消息的處理和發(fā)送是控制器CPU負(fù)載的重要組成部分，在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)服務(wù)中這些消息的減少可直接降低控制器的負(fù)載。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了軟件定義網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從控制器負(fù)載的角度分析了傳統(tǒng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制的開(kāi)銷(xiāo)，由此提出了一個(gè)改進(jìn)的機(jī)制。該改進(jìn)機(jī)制通過(guò)為每個(gè)交換機(jī)發(fā)送一個(gè)LLDP幀代替為每個(gè)交換機(jī)上的每個(gè)端口發(fā)送LLDP分組，以此減少Packet-Out消息的數(shù)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，相較于傳統(tǒng)機(jī)制，在我們給出的拓?fù)涫纠懈倪M(jìn)機(jī)制對(duì)CPU負(fù)載的降低最高能達(dá)到40%，并可能更多地用于其他具有較高端口密度的拓?fù)洹?/p>

控制器是軟件定義網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸，通過(guò)降低控制器負(fù)載使得拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)這樣的核心服務(wù)更有效，會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和可伸縮性產(chǎn)生重大影響。

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