基于OpenFlow的SDN技术研究_左青云(3)

左青云 等:基于 OpenFlow 的 SDN 技术研究1085需要看到,实际的流表硬件资源开销将与具体的流表设计有关,需要根据实际的转发需求设计跳转算法,优化内 部流表查找过程.这超出了传统交换芯片的数据转发处理过程,将导致匹配时延的增加,也将增加 OpenFlow 交 换机硬件设计的复杂度. 另一方面,控制平面需要知晓每个 OpenFlow 交换机的流水线结构,这需要控制平面进行相应的协议扩展. 然而,OpenFlow 规约标准还在不断更新,更多的扩展功能将添加到 OpenFlow 标准当中.由于目前尚没有一个成 熟统一的标准发布,这也导致不同版本 OpenFlow 交换机的流表结构不尽相同.随着不同版本的 OpenFlow 交换 机逐渐投入使用,控制平面需要维护异构的 OpenFlow 交换机流表结构,这无疑将增加控制平面的维护成本和复 杂性.这也是未来 OpenFlow 交换机设计需要考虑的问题. 3.2 控制平面的可扩展性 制约 SDN 控制平面可扩展性的主要原因有以下几点: (1) 流的细粒度处理需求使得控制器需要响应更多的流请求事件.虽然控制器可以通过主动决策机制提 前将控制逻辑部署到数据转发单元,减少数据平面和控制器之间的处理开销,但控制逻辑的变化通 常是动态的,尤其是当网络拓扑改变或者存在移动结点时.在 OpenFlow 网络中,提前安装流表项也将 使大量流表空间无法释放,浪费资源,而实际上大部分流的持续时间是很短的. (2) (3) (4) 接入控制、负载均衡、资源迁移等新型应用需求逐渐增加到控制平面当中,控制器需要对日趋复杂 的管控功能进行有效的整合,这进一步增加了控制平面的处理开销. 传统分布式网络设备仅根据局部的路由信息来实现路由转发,而控制平面需要维护全局的网络状态 信息,这也使得控制平面的可扩展性不仅需要考虑性能的需求,而且要考虑网络状态的一致性. 在网络规模增大、数据平面转发设备数量增多的环境下,单控制器设备可能难以满足性能需求. OpenFlow 最初的研究出发点是面向校园网或企业网的创新需求,但随着基于 OpenFlow 的 SDN 应用范围 逐渐扩大,控制平面的可扩展性已经成为当前研究热点,下面分别介绍当前针对控制平面可扩展性的相关研究. 3.2.1 DIFANE 尽管可以通过提前在 OpenFlow 交换机中安装流表来减小控制器负载,但真实网络通常是按需安装流 表[32],需要控制器进行实时响应,而这无疑将增加控制器的处理开销. 针对当前基于流的网络对控制器依赖过重的实际场景,DIFANE[33]结合了主动和被动两种安装流表的方式 将流量保持在数据平面,从而减小控制器负载.DIFANE 首先在 OpenFlow 交换机中选出权威交换机(authority switch),每个权威交换机管理一定区域内的 OpenFlow 交换机.控制器主动将分区规则安装到所有的 OpenFlow 交换机上,并根据全局网络信息主动在权威交换机上安装权威规则.当普通交换机产生新的数据流时,它根据自 身的分区规则直接和自己分区内的权威交换机进行通信.由于权威交换机已提前部署了权威规则,因而可以向 普通交换机安装缓存规则,同时,直接将请求数据转发给目的地而无须再返回给源交换机,从而去掉了传统流请 求建立过程中数据包经过控制器的往返时延,也减少了控制器需要实时处理的控制流,如图 6 所示.在每个交换 机内部,由于存在多种不同的规则,因此通过优先级进行先后处理.缓存规则的优先级最高,因为它直接管理数 据的转发;权威交换机中的权威规则优先级次之,它控制自己域内的转发规则;分区规则优先级最低,仅在前面 两种规则都不存在时才将数据包转发给域内的权威交换机. 在 DIFANE 系统中,由于权威交换机能够管理普通交换机的流建立请求,因此,控制器仅需要管理整个网络 的区域划分和权威交换机的流触发规则.DIFANE 的区域划分根据流空间(flow space)定义,而流空间则根据具 体的流表项来划分,一般由 7 个字段组成(源和目的 IP 地址、MAC 地址、端口号,协议),形成七维流空间.以图 7 的二维流空间(F1,F2)为例,F1 和 F2 分别代表源 IP 地址和目的 IP 地址,范围为 0~15,即(F1=F2=[0,15]).那么,规则 目的 IP 地址为 0~7 的数据包.在图 7 中,控制器将整个网络划分为 4 个区域.具体的 R2 表示所有源 IP 地址为 1、 划分规则将根据实际区域的规则类型和范围来决定. DIFANE 中的分区规则和权威交换机的权威规则一般仅需在网络发生变化时进行处理,因此不需要频繁地 更新,从而减轻了控制器负载.实际上,DIFANE 并未完全将逻辑控制功能分配给权威交换机.它巧妙地利用流表

1086Journal of Software 软件学报 Vol.24, No.5, May 2013项的优先级特点来区分不同的规则,从而将实时安装流表项的开销分担给了权威交换机.然而,这种实现方式需 要权威交换机具备规则安装功能,而传统的 OpenFlow 交换机无法实现,因此降低了实际部署过程的通用性.控制器 F2 安装分区规则 安装权 威规则 缓存规则 首报文 OpenFlow 交换机 后续报文 定向传送 命中缓存规则进行转发 权威交换机 权威交换机 直接转发 OpenFlow 交换机 R3 B R5 R1 R2 A R4 C D F1 R6R7Fig.6 3.2.2 DevoFlowDIFANE flow management architecture 图6 DIFANE 流管理架构Fig.7 图7Rule and partition 规则和分区Andrew 等人考虑到当前的 OpenFlow 交换机流建立过程和统计信息收集过程将会消耗大量数据平面和控 制平面之间的带宽,无法满足高性能网络的性能需求,提出了 DevoFlow[34]的设计方案.DevoFlow 采取了两种方 式来减小 OpenFlow 交换机和控制器的信息交互:规则复制和局部操作. 规则复制方式在包含通配符的流表项中“操作”字段上增加了 CLONE 标志,如果该标志清零,则匹配该流表 项的报文按正常情况处理;如果该标志被置位,则直接根据匹配报文建立精确匹配的微流,从而细化每一条微流 的统计信息.由于带通配符的流表项一般由硬件 TCAM 实现,而精确匹配的流表项由软件实现,因而同时也减少 了 TCAM 资源的消耗.在这种方式下,OpenFlow 交换机只需提前安装带有通配符的流表项,即可大量减少同控 制器的报文交互,同时节省硬件资源开销. 局部操作方式包括多路径支持和快速重路由.多路径支持是指为 OpenFlow 交换机中可复制的通配符流表 项提供多个可能的输出端口,DevoFlow 根据概率分布将报文输出到特定端口中,而不是采用传统的等价多路径 路由方式(ECMP).快速重路由给 OpenFlow 交换机指定了 1 条到多条备用路径,从而在链路失效时立即转用备 用路径,而不是转发给控制器.快速重路由可通过安装不同优先级的流表来实现,但是需要在链路失败时将高优 先级的流表项删除或者进行覆盖. 针对统计信息收集过程的开销,DevoFlow 采用 3 种方法来提高统计信息收集效率:采样、触发和报告、近 似统计.采样方法将统计信息按照一定的样本概率转发给控制器;触发和报告通过设置阈值,在统计信息满足阈 值条件时将统计信息发给控制器;近似统计则只将流量最大的 k 条流的统计信息发给控制器.通常情况下,这 k 条流包含了 80%~99%的数据流. DevoFlow 设计方案的初衷与 DIFANE 类似,都是为了减小数据平面和控制平面的数据交互,从而减小控制 平面负载.DevoFlow 考虑了流建立请求和获取统计信息的双重开销,因而直接在本地减小请求报文的数量; DIFANE 则将流建立请求的开销转交给权威交换机.前者的侧重点是从源头减少开销,后者的侧重点是分担开 销.然而,DevoFlow 目前在硬件上尚未实际部署,其功能需要通过修改 OpenFlow 交换机的流表结构和硬件架构 来实现,实际上增加了数据平面的部分控制功能,同样降低了实际部署过程的通用性. 3.2.3 HyperFlow 通过减小控制器的处理开销,无法从根源上解决单点性能瓶颈问题.多控制器管控的分布式控制平面的 …… 此处隐藏：5549字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……