基于OpenFlow的SDN技术研究_左青云(2)

左青云 等:基于 OpenFlow 的 SDN 技术研究1081补充了当前的软件定义方法.Cisco ONE 包括 One Platform Kit(onePK),为开发人员提供思科各种路由器和交换 机操作系统的通用 API,也发布了适用于 SDN 研发的概念验证控制器和 OpenFlow 代理,同时将其 Nexus 1000V 虚拟交换机上作为虚拟覆盖网络的基础设备.Cisco 为了维护目前的垄断地位,在推广 SDN 技术时主要面向自 身的专利软件和技术规范,但同时也将 OpenFlow 看作面向学术研究市场的实现方式. 可以看出,基于 OpenFlow 的 SDN 技术打破了传统网络的分布式架构,颠覆了传统网络的运行模式,在实现 方式上与上述文献的要求不完全相同,在面临类似挑战时还需要满足新的技术和市场需求,目前,学术界和产业 界已经展开大量研究来寻找解决方案.2基于 OpenFlow 的 SDN 关键组件及架构OpenFlow 最初作为 SDN 的原型提出时,主要由 OpenFlow 交换机、控制器两部分组成.OpenFlow 交换机根据流表来转发数据包,代表着数据转发平面;控制器通过全网络视图来实现管控功能,其控制逻辑表示控制平 面.随着 SDN 概念的不断推广,ONF 也对 SDN 的定义和架构进行了详细介绍,进一步论述了 OpenFlow 和 SDN 的相互关系.下面首先介绍基于 OpenFlow 的 SDN 关键组件,包括 OpenFlow 交换机和控制器,然后对 SDN 的技 术架构进行详细说明. 2.1 OpenFlow交换机 OpenFlow 交换机负责数据转发功能,主要技术细节由 3 部分组成 [1]:流表(flow table)、安全信道(secure channel)和 OpenFlow 协议(OpenFlow protocol),如图 2 所示.OpenFlow switch specification OpenFlow switch sw Secure channel Flow tableF Open low p rotoc alControllerSSLhw...Fig.2Structure of OpenFlow switch OpenFlow 交换机结构图2每个 OpenFlow 交换机的处理单元由流表构成,每个流表由许多流表项组成,流表项则代表转发规则.进入 交换机的数据包通过查询流表来取得对应的操作.为了提升流量的查询效率,目前的流表查询通过多级流表和 流水线模式来获得对应操作.流表项主要由匹配字段(match field)、计数器(counter)和操作(instruction)这 3 部分 组成.匹配字段的结构包含很多匹配项,涵盖了链路层、 网络层和传输层大部分标识.随着 OpenFlow 规约的不断 更新,VLAN,MPLS 和 IPv6 等协议也逐渐扩展到 OpenFlow 标准当中.由于 OpenFlow 交换机采取流的匹配和转 发模式,因此在 OpenFlow 网络中将不再区分路由器和交换机,而是统称为 OpenFlow 交换机.另外,计数器用来对 数据流的基本数据进行统计,操作则表明了与该流表项匹配的数据包应该执行的下一步操作. 安全通道是连接 OpenFlow 交换机和控制器的接口,控制器通过这个接口,按照 OpenFlow 协议规定的格式 来配置和管理 OpenFlow 交换机.目前,基于软件实现的 OpenFlow 交换机主要有两个版本[19],都部署于 Linux 系 统:基于用户空间的软件 OpenFlow 交换机操作简单,便于修改,但性能较差;基于内核空间的软件 OpenFlow 交 换机[20]速度较快,同时提供了虚拟化功能,使得每个虚拟机能够通过多个虚拟网卡传输流量,但实际的修改和操

1082Journal of Software 软件学报 Vol.24, No.5, May 2013作过程较复杂.另外,斯坦福大学基于 NetFPGA 实现了硬件加速的线速 OpenFlow 交换机[21],而网络硬件厂商如 NEC,HP 等公司也已相继推出了支持 OpenFlow 标准的硬件交换机. 2.2 控制器 在控制器中,网络操作系统(network operating system,简称 NOS)实现控制逻辑功能.NOX[22]最早引入这个 概念,是 OpenFlow 网络中对网络实现可编程控制的中央执行单元.实际上,这里的 NOS 指的是 SDN 概念中的控 制软件,通过在 NOS 上运行不同的应用程序能够实现不同的逻辑管控功能. 在基于 NOX 的 OpenFlow 网络中,NOX 是控制核心,OpenFlow 交换机是操作实体,如图 3 所示.NOX 通过 维护网络视图(network view)来维护整个网络的基本信息,如拓扑、 网络单元和提供的服务,运行在 NOX 之上的 应用程序通过调用网络视图中的全局数据,进而操作 OpenFlow 交换机来对整个网络进行管理和控制.从 NOX 控制器完成的功能来看,NOX 实现了网络基本的管控功能,为 OpenFlow 网络提供了通用 API 的基础控制平台, 但在性能上并没有太大的优势,未能提供充分的可靠性和灵活性来满足可扩展的需求.但是,NOX 在控制器设 计方面实现得最早,目前已经作为 OpenFlow 网络控制器平台实现的基础和模板. 为使控制器能够直接部署在真实网络中,解决多控制器对 OpenFlow 交换机的控制共享问题,同时满足网络 虚拟化的现实需求,FlowVisor[23]在控制器和 OpenFlow 交换机之间实现了基于 OpenFlow 的网络虚拟层.它使得 硬件转发平面能够被多个逻辑网络切片(slice)共享,每个网络切片拥有不同的转发逻辑策略.在这种切片模式 下,多个控制器能够同时管理一台交换机,多个网络实验能够同时运行在同一个真实网络中,网络管理者能够并 行地控制网络,因此网络正常流量可以运行在独立的切片模式下,从而保证正常流量不受干扰(如图 4 所示).Alice控制器 Bob控制器 正常流量 控制器应用1应用2应用3NOX控制器网络视图 PC服务器 Alice切片策略 OpenFlow switch 无线接入点 OpenFlow switch OpenFlow switch OpenFlow switch OpenFlow switch FlowVisor Bob切片策略 正常流量切片策略AliceBobFig.3 图3NOX-Based OpenFlow network 基于 NOX 的 OpenFlow 网络Fig.4 图4FlowVisor-Based OpenFlow virtualization 基于 FlowVisor 的 OpenFlow 虚拟化目前,支持 OpenFlow 协议的多种控制软件已经得到了开发和推广.NOX 已经发布了多个版本[24],如 NOX Destiny,NOX Zach,POX 等.它们对 NOX 进行了性能上的优化,并逐渐支持更多的功能,如控制台操作、SNMP 控 制 等 . 其 余 的 控 制 软 件 也 得 到 了 广 泛 应 用 , 如 Maestro[25],Beacon[26],Floodlight[27],SNAC[28],Trema[29], RouteFlow[30]和 Onix[31]等.表 1 列举了当前广受关注的 OpenFlow 网络控制器的研究背景和主要技术特点. 

左青云 等:基于 OpenFlow 的 SDN 技术研究1083Table 1Comparison of control softwares in OpenFlow network 表1 OpenFlow 网络控制软件对比开发团队 Nicira Rice Stanford Big switch Nicira NEC CPqD (Brazil) Nicira 主要技术特点 最早实现的控制器,当前控制器的模板平台,单线程操作,版 本还在不断更新,性能还在继续完善 跨平台,易于开发和部署,支持多线程操作,功能丰富,可以 加入新的应用程序进行扩展 跨平台,易于开发和部署,采用模块化功能实现了基于事件 和多线程操作的处理平台,可定制易于扩展的界面框架 跨 平 台 , 基 于 Beacon 开 发 , 由 开 源 社 区 进 行 维 护 , 遵 循 Apache 开源规范,适合推广 基于 NOX 平台开发,集成了可扩展的策略定义语言,通过 策略管理器来管理网络,用户界面友好 为开发者提供了丰富的 API,让开发者轻松构建自己的控 制器平台.可添加自定义功能模块,测试和调试工具丰富 基于 NOX 开发,采用 Quagga 设备进行虚拟化,实现虚拟网 络环境 利用分布式系统实现中央控制平面,面向较大规模真实网 络的部署方案控制器 NOX Maestro Beacon Floodlight SNAC Trema RouteFlow Onix开发语言 Python/C++ Java Java Java Python/C++ Ruby/C C++ Python/C++/Java研究背景介绍 平台 Linux Win/Mac/Linux Win/Mac/Linux Win/Mac/Linux Linux Linux Linux Linux2.3 SDN 因特网的高速发展可以归结于细腰的 TCP/IP 架构和开放的应用层软件设计,但从网络核心来讲,由于专有 的硬件设备和操作系统,网络在 …… 此处隐藏：5912字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……