SDN控制平面部署研究-SDNLAB.DOC

典型网络操作系统分析总结 摘要 软件定义网络因其控制平面与转发平面分离的体系使得网络具备快速创新、敏捷编程以及易于管理等特性而备受关注。控制平面被转移到单独的主机或服务器上形成控制器。软件定义网络的核心，控制器因支撑着大量网络应用的运行以及控制着网络的行为而成为学术界和工业界的研究热点。本文从控制器框架、可编程性、控制模块的管理和编排、控制器的分布式部署等方面进行综述，希望为SDN入门人员提供参考也通过写一些技术文章，一些志同道合的童鞋。1 引言 近年来，软件定义网络(Software-Defined Networking (SDN))因其对互联网的快速创新能力、敏捷可编程特性以及天然的可管理性等优点而备受瞩目。SDN思想是将完成决策功能的控制平面从网络设备中迁移到独立的主机或商业服务器中形成控制器，而网络设备仅完成简单的分组转发的数据平面。SDN避免了网络设备的复杂性，开放了网络控制逻辑，使得网络变得更具扩展和演进特性。因此，学术界和工业界都对SDN解决当前互联网面临的诸多问题寄予厚望。 SDN一词首先被提出是2009年在麻省理工学院的一篇科技评论中[1]。但在此之前SDN的思想已经被研究和验证。A. Greenberg等[2]对网络功能重新抽象，提出一种4D网络体系，旨在分离网络设备中的决策逻辑和转发逻辑，使得路由和交换设备仅完成转发功能。Tesseract[3]是4D网络体系的控制平面的实现与验证。M. Caesar [4]等设计并实现了一种路由控制器平台(Routing Control Platform, RCP)。RCP是逻辑上的集中式设备，将路由控制与IP转发分离，以实现路由扩展性。Ethane[5]将控制与转发分离的思想应用于企业网中以解决日益繁杂的企业网管理问题。而OpenFlow[6]则使得控制器南向接口更具规范化，即控制器模块生成的流表项通过OpenFlow协议下发到OpenFlow交换机中，而交换机状态数据也通过OpenFlow协议上报到控制器。然而，与此相反，控制器北向接口由于缺乏统一的标准约束，而呈现出多样化发展趋势。 如图 1所示，控制器作为SDN的核心组成，负责在网络设备与控制模块之间提供桥梁作用。它向上提供编程接口使得网络控制模块能够操作底层网络设备；向下则与网络设备交互，掌握全局网络视图。同时屏蔽底层网络设备，网络状态等维护任务，因此，控制器又被称为网络操作系统(Network Operate System, NOS)。 图 1 软件定义网络架构 研究人员已经对控制器进行了大量研究和设计，以使其更具可扩展性，更可靠以及更高效。目前，根据当前研究现状，控制器研究主要从以下方面进行。 控制平面可扩展架构。集中式控制器可以应对小型网络，但随着SDN网络发展，SDN网络被赋予更多的期望，逐渐扩展到更大规模的网络中，例如WAN[7][8]，控制器也逐渐采用分布式结构。 控制平面编程接口。编程接口是控制器对底层物理网络的高层抽象的体现。友好的编程接口不仅有益于激发程序员参与到控制器应用程序的开发中，而且可降低管理员配置网络策略的难度，避免管理员直接操作底层网络管理规则。 控制平面开放模式。虽然SDN将控制逻辑开放，但是怎么设计开放模式能够激励第三方参与控制模块的开发，并加快实现网络创新，是SDN需要解决的另一问题。控制器应用开放模式只有既能使参与者获得利益，又能体现参与者之间的公平竞争，才能实现网络核心功能的快速创新。 功能组合问题。控制逻辑开放后，控制器将承载大量控制模块实例，这些模块可能由不同组织开发，但功能可能相似或重叠。现实中，复杂而完整的网络处理流程需要简单而细粒度的控制模块组合而成，如何组合不同的控制模块，使得网络处理流程更优，也是控制器设计面临的严峻问题。 网络更新一致性。随着控制器逐渐演变为分布式控制架构，控制器需要全局网络视图，当底层网络拓扑等网络状态变化，如链路故障，如何调整网络设备和新旧策略，保证网络更新的全局一致性，是控制器需要解决的问题之一。 控制平面的全网布局。该问题主要解决控制器实例如何在全网范围内放置的问题，使得控制开销最小，且交换机-控制器延迟最低，实现全网范围内的最优控制。它可以看作控制平面可扩展性研究的分支。 首个控制器——NOX[9]实现以来，关于控制器的研究和开发已经积累了大量成果。从单线程到利用高性能多核平台的多线程实现，从集中式到分布式，从静态分布式到动态分布式控制器，控制器一直是SDN领域的研究热点之一。虽然研究人员对SDN网络研究进展进行了大量概述，但还没有专门针对控制器的研究综述，本文对控制器当前研究现状、存在的问题、解决方案以及未来可能的研究方向等方面展开讨论。 本文结构如下：第2节从控制器架构的角度分析了其演变过程，以及现有控制器的特点。第3节综述了