基于改进OpenDaylight架构的SDN控制平面协同优化探究

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基于改进OpenDaylight架构的SDN控制平面协同优化探究
Research on optimization of SDN control plane based on
improved OpenDaylight architecture
黄少卿1。苏毅2／HUANG Shaoqin91，SU Yi2
1．中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司石家庄050021；
2．湖南大学长沙410000
1．Hebei Branch。China Mobile Group Design Institute Co．，Ltd．，Shijiazhuang 05002 1，China；
2．Hunan University，Changsha 410000，China
摘要：互联网时代，数据的价值体现在其本身承载的有用信息上，如何更快速准确地进行数据流
转发是亟待解决的问题。SDN的出现给出了很好的解决方案，然而数据平面与转发平面固有的问题在
一定程度上制约了其发展。以OpenDaylight框架为基础，设计了一套分协议转发机制来解决转发效率
问题。
关键词：软件定义网络；OpenDaylight；控制平面；分协议转发
Abstract：In the Internet era，the value of data presents on the useful messages which it carries on．How
to forward the data stream more quickly and accurately is a tough problem to solve．SDN provides a
bright solution to the industry．However，there are some disadvantages on both control and forward planes
of SDN．A set of forwarding solution based on OpenDaylight Was designed to solve the problem．
Key words：software defined network，OpenDaylight，control plane，forwarding according protocol
1 引言
移动互联网时代。基础传输交换设备承载流量
呈爆发式增长态势。据资料统计，预计到2018年，仅
全球数据中心总流量将达到8．6 ZB，且以每年23％
的速率增长【11。传统的大三层网络结构——接人层、
汇聚层、核心层121，在处理海量数据转发时常存在传
输链路负载不均衡、多网络协议QoS难以保障、网
络弹性扩展缓慢等诸多问题。此外，不同设备厂商
的产品异构性在一定程度上增加了新业务部署的
时间成本和财务成本。
在传统TCP／IP模型中，路由交换机等转发交换
设备按照硬件已有配置完成独立转发作业，除了具
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备拓扑学习能力外，出于不同厂商的商业利益考
虑，现行交换设备不仅能完成单一转发任务，还具
备各种复杂功能特性，如OSPF、BGP、多播、NAT、防
火墙、MPLS等，这使得交换设备臃肿复杂，网络结
构无法快捷变更以适应业务发展需要。为适应当前
网络的快速发展，亟待构建一种新型网络架构来解
决上述问题。
2 当前SDN主流协议标准
2．1 SDN概述
欧美国家的GENI、FIRE和中国的CNGI等组织
以及相关学者均做出了有意义的研究，如Jacobson提出
的CCN体系[31以及Mckeown提出的SDN(Software
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Defined Network，软件自定义网络)i4]等。其中，SDN
以其简单开放的网络架构，被Google、Facebook等
主流互联网厂商和中国移动等大型运营商所应用。
SDN从诞生至今有不同的解释。但其核心思想是将
大三层网络的控制转发分离，实现集中控制网络视
图，上层应用通过简单编程与控制层交互，底层转
发设备只负责转发而不增加业务逻辑，从而实现整
个网络的高效快速运行和快速业务变更。SDN结构
演进示意如图1所示。
控制
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图1 SDN结构演进示意
控制与转发从硬件设备层面解耦．在转发层设
备进行汇聚。控制层通过开放协议与转发层进行通
信，管理转发行为。同时，控制层接收上层控制指令
对网络拓扑进行动态调整等复杂操作。
2．2 基于OpenFIow协议的SDN
作为SDN架构的一种具体实现。OpenFlow协
议[51在业界组织ONF的推动下已经成为事实上的标
准协议。OpenFlow是位于控制平面和转发平面之间
的南向接El协议，该协议规定控制器负责MAC地
址学习、VLAN管理、路由配置等操作，而交换机则
持有流表对流人的Packet进行识别操作。OpenFlow
通信流程如图2所示。
信息流首先通过可信通道到达底层OpenFlow
交换机，然后根据流表的Header域进行匹配、
Action域进行操作、Counter域进行数据统计．最后
完成数据分组的合法处理。OpenFlow实现了控制层
面的MAC地址学习、VLAN和3层路由配置．而
OpenFlow转发层面只需要关心流表进行转发即可。
3控制与数据平面中存在的问题
OpenFlow提出伊始．其规范和开放版本就处于
不断更新升级中，很多最初的效率问题得到了有效
的改进。如OpenFlowl．0中的单流表结构在数据量
增长的情况下，会导致流表容量膨胀，转发速度减
慢．因此OpenFlow在1．3版本中改进为多级流表结
构，有效地解决了该问题。然而，OpenFlow协议仍然
存在需要持续改进的技术问题。
在数据平面上。多级流表虽然缓解了单流表的膨
胀问题，但由于其需要对多种协议进行支持，且其匹配
的Header域在不断扩充，加之流表之间的流转时延，
导致在匹配转发上消耗了过多时间：在控制平面上。
SDN虽然将控制转发进行了分离．优化了网络架构，
然而，单节点控制器具有不稳定、不可靠以及规模
难以扩大的缺点，无法在大范围网络中进行普及。
针对以上两个问题，学者和业界组织做了许多
有益的工作。如DIFANEt6】将部分控制器负载下沉至
权威交换机来解决控制器负载过高的问题。但这种
设计违背了交换机转发单一职责的原则：又如
HyperFlowrl将网络中设置多个控制器进行分布式负
载均衡以减轻单一控制器压力，但这种设计存在同
步协作问题，且并未解决数据平面问题：再如Onix[Sl
在HyperFlow的基础上添加了网络信息库来解决分
布式控制器间的同步更新问题，但还是存在数据平
面未能进行更新的问题。
4基于OpenDaylight架构优化数据控制平
面协同
针对以上问题，本文提出了一种基于OpenDaylighttg]
架构的数据控制平面优化方案。OpenDaylight是一套
SDN模块式开源架构，北向接口通过REST方式与网络
应用进行数据交互，南向接口可以支持包括OpenFlow
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扩展模块来定制操作，其架构如图3所示。
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OpenDaylight APIs(REST)
服务抽象层
OpenFI。w 。L)其NI他标准m’|i}．．j l； 供应商特定接几 j,ll(TI,
圈+目目
㈩3()Phi)a>ligh|架构
为解决数据平面存在的流表Header域膨胀问
题以及控制平面单节点负载过大难以进行大规模
部署问题，本文设计如下SDN控制转发机制。
①SDN中，设置多台控制器，每个控制器与合
理数量的OpenFlow交换机进行相连，且不同控制
器处理不同类型的协议。
②网络中，设置一台入13协议分发控制器，该
控制器只负责对进入网络的数据分组进行类型判
定．然后分配到对应协议转发网络控制器。
③对应协议网络控制器接收到数据分组后，进
行数据分组下发，交换机流表根据轻量Header域进
行匹配，然后根据Action域指令进行转发、回传、压
缩或者丢弃等操作，最后Counter域进行数据分组
统计。
④协议网络控制器与协议分发控制器进行通
信．告知完成操作或数据分组无效，完成转发操作。
⑤循环①一④处理其他数据分组。
5实验验证
为验证该SDN控制转发机制的效率，使用
Mininet进行模拟验证。首先构筑单控制器，配置
6台交换机拓扑网络，对SMTP、FrP、ARP 3种协议
进行数据分组处理，然后构筑l台协议分发控制器
和3台协议网络控制器分别处理这3种协议，同样
配置6台交换机。
模拟测试：在每秒每种协议300个数据分组的
环境下，本文设计的控制分发机制能够提升25％的
转发效率，实验初步验证该方案可行有效。
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6结束语
SDN的出现为交换转发带来了新的活力，学术
界和业界均在理论提升、产品研发上做出了不少努
力。针对控制面、数据面存在的一些问题，本文提出
了一种协议划分转发方案，虽然在一定程度上解决
了转发效率问题，但仍存在一些不足，需进一步优化
完善。
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黄少卿(1988一)，男，中国移动通信集团
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工程师，主要研究方向为软件工程、智能
网络、IT支撑系统。
苏毅(1996一)，男，湖南大学电子科学与
技术专业学生：
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