淺析軟件定義網(wǎng)絡(luò)東西向通信研究

田新志 陳曉范 申海杰

摘要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)中多控制器部署過程中涉及控制器之間的通信問題，因而產(chǎn)生了東西性接口問題，多控制器的部署主要分為層次式與扁平式兩種結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在東西向通信中有各自不同的特點(diǎn)。該文對 SDN中東西向通信問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，分析了不同部署方案中對東西向通信的處理方式，并對 SDN東西性通信問題的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）;分布式控制;東西向通信

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0026-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

SDN自2006年開始至今的在這段時(shí)間內(nèi)得到了高速發(fā)展，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的形成、海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及高服務(wù)質(zhì)量需求刺激著SDN的不斷發(fā)展壯大，致使SDN最初所設(shè)計(jì)的集中式控制方式的缺點(diǎn)越來明顯。單一控制器集中控制的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)中控制平面的控制器能力受到嚴(yán)重限制，其在擴(kuò)展方面尤其困難，而正是由于控制器的缺陷使得網(wǎng)絡(luò)遇到了性能瓶頸等問題[1]。為了能讓SDN持久地發(fā)展下去，SDN領(lǐng)域內(nèi)的各大控制器廠商紛紛推出自己的改進(jìn)方法及策略。如著名的由 NOX控制器升級來的NOX-MT控制器，在沒有改變原來控制器的基本結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有的并行技術(shù)來增加控制器多線程處理功能，以達(dá)到提升控制器性能的目的。正是基于這種原因，由NOX升級到NOX-MT非常方便，且系統(tǒng)并不會因?yàn)榭刂破髌脚_的更換而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不一致等性問題。當(dāng)然除了這種方法之外還可以采用性能較高的控制器如Maestro控制器[2]，Maestro控制器中設(shè)計(jì)有并行處理結(jié)構(gòu)，因此其具有良好的并行處理能力，使用這種控制器的SDN可以充分發(fā)揮高性能服務(wù)器的多核并行處理能力;特別是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大情況下，其性能比NOX要優(yōu)越得多。雖然這也不失為一個(gè)很好的解決方案，但這種方式在處理一個(gè)較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具體的做法則是要將網(wǎng)絡(luò)按照某種規(guī)則劃分為若干個(gè)區(qū)域，此時(shí)，假如還是使用單控制器集中控制方式來處置網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)相關(guān)請求時(shí)，可能因?yàn)閭鬏斁嚯x等方面的原因，造成本域控制器與其他域中的交換機(jī)之間存在較大時(shí)延，這將很有可能造成網(wǎng)絡(luò)性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)不可用。 在單控制器集中控制方式中一旦控制器出現(xiàn)故障，那對網(wǎng)絡(luò)來說是災(zāi)難性的。此類解決方案目前還只能用于同一控制器之間的性能擴(kuò)展，對異構(gòu)控制器之間的相互協(xié)同工作還做不到。再者，若某系統(tǒng)對安全、隱私方面要進(jìn)行考慮的話，就需要系統(tǒng)能夠隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的細(xì)節(jié)，這對單控制器集中控制方式來說也是無法做到的。

要更好地解決單控制器集中控制方式帶來的諸多問題，研究者們想到了擴(kuò)展控制器的數(shù)量，在網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)控制器，讓各個(gè)控制器按某種規(guī)則相互協(xié)同工作來提升網(wǎng)絡(luò)中控制平面的處理能力，這就是常說的SDN多控制器部署的問題，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)控制器時(shí)，就需要有 SDN域的概念。那么對于跨域之間流量的處理問題就需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員認(rèn)真考慮了，那么實(shí)現(xiàn)多異構(gòu)控制器之間的協(xié)同工作也是SDN的主要研究方向之一。根據(jù)SDN的結(jié)構(gòu)描述可知，SDN控制平面有南向接口和北向接口。南向接口也稱向下接口，是面對數(shù)據(jù)平面的，其提供對不同廠家網(wǎng)絡(luò)單元的管理功能。北向接口也稱向上接口，是面向應(yīng)用的。而對于控制層內(nèi)部控制器與控制器之間的接口則稱之為東西向接口，其作用是完成控制器之間的通信。多控制器模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 SDN多控制器部署方式

目前在 SDN多控制器部署環(huán)境中主要有兩種部署方式，一是層次式結(jié)構(gòu)，也稱為垂直結(jié)構(gòu)的，二是扁平式架構(gòu)，也稱為水平結(jié)構(gòu)。

層次式架構(gòu)部署方式是在控制平面中再分出一層——高級控制層。分出的這一層主要是用于在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中協(xié)調(diào)多個(gè)異構(gòu)控制器之間的協(xié)同工作，以便完成網(wǎng)絡(luò)跨控制器（或跨域）通信請求。該方式一般的做法是先將控制器按照其用途進(jìn)行分類，劃分為局部控制器和全局控制器。局部控制器的主要職能是完成本區(qū)域內(nèi)交換機(jī)的控制與 管理，只需要掌握本區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)即可。而全局控制器的主要職能則是完成全網(wǎng)信息的維護(hù)，負(fù)責(zé)完成全網(wǎng)信息的路由等操作。在這種模型結(jié)構(gòu)中，控制平面內(nèi)部有兩種信息需要進(jìn)行交互處理：一是各局部控制器與全局控制器之間交互信息的處理。二是全局控制器之間交互信息的處理。層次式SDN模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

扁平式架構(gòu)是把網(wǎng)絡(luò)分為不相交的區(qū)域，在每個(gè)不相交的區(qū)域內(nèi)有各自的控制器，這些控制器在網(wǎng)絡(luò)中的地位是相等，從邏輯上來看，它們都屬于全局控制器，都掌握著全網(wǎng)狀態(tài)信息，它們交換信息是通過控制器的東西向接口進(jìn)行的。一旦網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生了變化，網(wǎng)絡(luò) 中的所有控制器為了獲取全網(wǎng)狀態(tài)，這些控制器均需進(jìn)行同步更新操作，這種操作只需要交換機(jī)調(diào)整與控制器的地址映射就可以了，不需要進(jìn)行復(fù)雜的更新操作，因而扁平式結(jié)構(gòu)的SDN模型對數(shù)據(jù)層的影響較小。 扁平式SDN模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 SDN東西向接口研究現(xiàn)狀

多域控制器的域間通信協(xié)作機(jī)制需要一個(gè)東西向接口，目前分布式控制器各自有自己定義的東西向接口。這些接口的功能包括在各分區(qū)控制器實(shí)例之間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入/導(dǎo)出數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)一致性模型的算法、分布式監(jiān)測和通知功能、新控制器節(jié)點(diǎn)的部署狀態(tài)。那么在多控制器SDN模型結(jié)構(gòu)中，由控制器之間的通信而產(chǎn)生的東西向接口同樣對網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

在層次化結(jié)構(gòu)部署中典型的成功案例是文獻(xiàn)[3]中提到的Kandoo網(wǎng)絡(luò)。對于Kandoo網(wǎng)絡(luò)的工作模式來說，如果網(wǎng)絡(luò)中的SDN交換機(jī)需要轉(zhuǎn)發(fā)未知報(bào)文時(shí)，交換機(jī)首先向較近的局部控制器發(fā)送咨詢報(bào)文。局部控制在收到報(bào)文后，對報(bào)文進(jìn)行識別，如果報(bào)文是局部信息，則該控制器迅速做出響應(yīng)。如果控制器沒法處理交換機(jī)發(fā)來的報(bào)文，其向全局控制器發(fā)送咨詢報(bào)文，在收到全局控制器的回應(yīng)后將獲得的信息下發(fā)給交換機(jī)，在這里也需要用控制器的東西向接口來進(jìn)行控制器之間的通信。Kandoo網(wǎng)絡(luò)由于采用了分層的思想，使得控制平面信息的交換不需要在全局控制器之間進(jìn)行頻繁交互，為降低流量負(fù)載做出了很大的貢獻(xiàn)。這種方式對于局部應(yīng)用較多的場合具有非常不錯(cuò)的執(zhí)行性能。

在扁平式結(jié)構(gòu)的部署中的典型成功案例是文獻(xiàn)[4]中提到的Onix和文獻(xiàn)[5]中提到的HyperFlow。在Onix架構(gòu)中，設(shè)計(jì)師們引進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)信息庫（network information base，簡稱NIB）的概念。網(wǎng)絡(luò)中的所有控制器都保有一份對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信息庫（NIB），模型通過保持控制器中的網(wǎng)絡(luò) 信息庫NIB的一致性來實(shí)現(xiàn)控制器之間的同步更新。而文獻(xiàn)[5]中的 HyperFlow模型的工作機(jī)制主要是利用注冊和廣播機(jī)制來實(shí)施的，如果某控制器因故障原因失效，則需要利用手動(dòng)配置的方式來進(jìn)行，將原來由失效控制器負(fù)責(zé)的交換機(jī)配置到網(wǎng)絡(luò)中另外一個(gè)新控制器上，其目的是保證其可用性。由于這種模型的控制方式中所有控制器都掌握了全網(wǎng)狀態(tài)，而控制器在絕大多數(shù)情況下卻只用來控制局部網(wǎng)絡(luò)，從而造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。除此之外，當(dāng)控制器更新時(shí)還會增加網(wǎng)絡(luò)的整體負(fù)載。而且在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署過程中，不同的域極有可能是屬于不同運(yùn)營商的，各運(yùn)營商采用的技術(shù)極有可能是不同的，導(dǎo)致控制器要在不同域之間進(jìn)行平等通信則是不可能的。

還有其他的一些研究成果，比如文獻(xiàn)[6]中所提出的用于東西向通信的OXP（Open e Xchange， 開放性可變長協(xié)議）。OXP 的核心思想 是：將控制平面進(jìn)行分層，以此來解決當(dāng)前 SDN 網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模較大時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能下降問題，具體做法是將控制平面劃分兩層，分別為域間控制層和域內(nèi)控制層。在該模型中域間控制器的主要任務(wù)是進(jìn)行各域之間跨域通信任務(wù)，而對域內(nèi)控制器來說，其主要任務(wù)是完成域內(nèi)交換機(jī)流表等的下發(fā)等操作。那么在進(jìn)行全網(wǎng)跨域路徑計(jì)算時(shí)，OXP模型將其劃分為域內(nèi)路徑計(jì)算和域間路徑計(jì)算兩部分，這樣一來，可以大大降低其全網(wǎng)路徑計(jì)算算法的復(fù)雜度。但在規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中OXP的可行性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[7]提出了一種 P2P方式來解決 SDN網(wǎng)絡(luò)中控制器之間的協(xié)調(diào)， P2 P方法可以保持每個(gè) SDN控制器的獨(dú)立性，具有不同的策略和路徑設(shè)置，以適用于其控制中的網(wǎng)絡(luò)元素。此外，P2P SDN允許逐漸部署和連續(xù)演進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活配置。但是這種方法一方面目前只能部署在靜態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，一旦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變剛文獻(xiàn)[7]中所提出的算法將失效，另一方面由于 P2P方法仍然是以 BGP方式在域間交換數(shù)據(jù)，所以在云環(huán)境，尤其是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中其吞吐量不一定能滿足要求。

4 SDN東西向接口發(fā)展趨勢

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)從規(guī)模上也是越來越大，人們對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量都提出了很高的要求，這就要求現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)在響應(yīng)速度、用戶體驗(yàn)、功能模塊方面都上一個(gè)新的臺階。而對于軟件定義網(wǎng)絡(luò)中的多控制器的部署來說更是如此。筆者認(rèn)為，有關(guān)SDN東西向接口今后的研究方向有以下幾點(diǎn)：

1）目前SDN東西向接口并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如何統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，制定規(guī)范是今后的主要研究方面，這需要更多的人參與進(jìn)來。

2）控制平面東西向通信的實(shí)施可能會帶來控制規(guī)則的邏輯一致性問題、可用性問題和容錯(cuò)性問題等，在一個(gè)具體的網(wǎng)絡(luò)中三種特性是無法同時(shí)滿足，如何達(dá)到三者之間的平衡，也是研究者們今后的主要工作之一。

3）多域 SDN控制器東西向通信安全性問題研究，域間互聯(lián)基本上是通過控制器的東西向通信來實(shí)現(xiàn)，但是控制器之間的通信方式以及安全性還沒有受到很多關(guān)注。域間安全是 SDN 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署的關(guān)鍵問題，所以構(gòu)建域間分布式控制器的安全通信是非常必要的。

5 結(jié)論

本文對 SDN網(wǎng)絡(luò)在多控制器的部署方案中進(jìn)行了詳細(xì)的描述，系統(tǒng)地介紹了多控制器中的層次式架構(gòu)與扁平式架構(gòu)各自特點(diǎn)，對目前在 SDN多控制器中控制平面的東西向接口的通信進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，對當(dāng)前所使用的東西向通信技術(shù)的特點(diǎn)及不足之處進(jìn)行了深刻的剖析，并對 SDN東西向通信問題的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單的分析。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】