SDN网络多点控制器运行模式分析与研究

高海燕

(晋中职业技术学院，山西 晋中 030600)



SDN网络多点控制器运行模式分析与研究

高海燕

(晋中职业技术学院，山西 晋中 030600)

摘要：通过对SDN模型与OpenFlow技术体系中的分布式多点控制器部署模式的研究，在如何更好的提高SDN网络数据传输效率，缓解多点控制中的负载不均衡问题提出了笔者的一些观点，旨在建立一个稳定、可靠的可变架构的SDN分布式控制系统。

关键词：SDN；OpenFlow；分布式多点控制

针对当前网络体系中大量存在的网络协议的兼容性问题，美国Stanford University大学的Mckeown教授于2009提出了一个全新的概念Software-Defined Networking(软件定义网络[1]，简称为SDN)，SDN基于分层模型的原理，将网络中的数据与控制分隔在不同的层面上[1]。

SDN模型通过由数据层向控制层提供的编程接口来实现对网络硬件设备的抽象化与透明化，在控制层上SDN通过控制功能的集中管理与网络编程，最大程度的抵消网络体系架构对基础硬件设备的依赖性，使网络具有足够的灵活性与伸缩性，使其能够根据不同应用场景的实际情况来实时的调整自身架构。而且在网络架构需要升级或部署新的应用协议时，基础硬件设备不必再进行相应的更换与重新配置，在简化工作流程、提高新应用的部署速度的同时，还节省了在硬件设备上的资金投入。为网络技术的进一步发展提供了有力的保障。

1软件定义网络的架构设计思路

传统的分布式网络服务中物理层与数据控制层是绑定在一起的，不同的网络设备供应商生产的网络设备不论从硬件结构上还是软件控制上都没有统一的标准，软硬件的差异直接导致接入网络的不规范性并由此产生很多难以解决的网络问题。为了简化基于网络设备的数据管理操作，避免因差异带来的各类网络问题，SDN概念由此诞生，SDN软件定义网络主要作用于物理层之上的数据控制层，在SDN架构中将数据控制层从物理层中剥离了出来，由专门开发的统一的软件平台来解决数据在网络中的传输控制问题，并在SDN架构上整合各类协议标准进一步规范各类数据的传输方式。

SDN架构的具体设计思路：首先构建统一标准的API接口，所有部署在物理层的网络设备通过API接口接入SDN架构中的数据层；在数据层面主要由交换机实现数据的路径甄别，数据已报文的形式到达交换机，交换机检索内部存储的路径流表，将报文中提交的地址与路径表进行比对，如有匹配信息就将报文转发，如找不到匹配的信息就需连接控制层面；交换机将报文中地址交由软件控制层检索，控制层服务器可以将对应的路径流表或直接将匹配的路径信息返回给交换机，如果交换机接收到的是路径流表则重复上一步操作，如果得到的是正确的路径信息则直接将报文转发[2]。上述操作简化后就如图1所示。

图1　SND网络模型架构

2SDN网络的多点服务控制器运行模式分析

相较于单点控制器模式，分布式的多点服务控制器模式就是在控制层面上部署有多台控制器协同工作，完成网络数据的传输控制。分布式的多点控制器根据其框架结构不同有三种主要的工作模式：完全分布式多点控制结构、层次分布式多点控制结构、负载均衡分布式多点控制结构。

2.1完全分布式多点控制结构

典型的多点控制结构，基于控制层上的多个控制器共同对数据层进行控制，数据层网络设备需配置有相应的控制器选择策略，当需要与控制层进行交互时，通过策略计算出最合适当前响应的控制器进行交互，例如就近选择策略、空闲时段策略、等待最少策略等等算法设计。多个控制器之间也可以进行交互，实现资源的共享，例如流表的共享、分布哈希表、数据库的共享等。

完全分布式多点控制结构的优点在于所有的控制器都具有网络应用功能，都可以对数据层的交换机设备进行独立控制，只要交换机设备配置的选择策略合理，交换机请求控制器的响应时间可以大大减少；缺点在于要保证所有的控制器都能进行工作控制，而且控制器相互之间也要能够保持良好交互，大大增加了系统架构的难度，同时在缺乏有效的负载均衡策略的情况下很容易出现部分控制器负载过大，响应延时的问题，系统稳定性、可靠性较差。

2.2层次分布式多点控制结构

层次分布式多点控制结构采用树型分层结构部署控制层，在控制层先部署多台区域控制器，每台控制器只负责其所属区域下的多个交换设备控制，在区域控制器上再部署总控制器。当局部控制器之间需要交互，或者局部控制器需要查询全局范围内共享信息时都由全局控制器来实现这类交互。

与完全分布式多点控制结构相比，层次分布式多点控制结构优点在于架构相对简单，树型结构层次分明，更易于部署，同时在局部区域内控制器工作负载有限，响应时间能够得到一定保障，系统稳定性要更好一些；缺点在于当涉及到全局数据的交互时，需层层上报，响应时间过长，其树型结构也会导致控制器功能扩展受限较多，不利于系统的升级更新。

基于以上优缺点的分析对比，两种结构各有长处也各有不足，因此目前主要是采用完全分布式多点控制结构与层次分布式多点控制结构相结合的混合架构来实现OpenFlow的控制平台。

2.3负载均衡分布式多点控制结构

负载均衡分布式多点控制结构是基于以上结构的功能升级模式，基于分布式控制结构又加入了负载均衡控制器，负载均衡控制器部署在控制器与数据层网络设备之间，负责对交换机的数据请求进行负载均衡计算，动态分配到不同的控制器上进行响应。负载均衡控制器设定有完整的策略机制，对控制层的多个控制器进行响应量的计算、工作时间计算、空闲状态的判断，将数据层交换机的数据请求动态上传到合适的控制器上。负载均衡控制器的负载计算控制是相对独立的工作过程，它不会对控制器的部署结构产生制约，可以是基于完全分布式多点控制结构的也可以是基于层次分布式多点控制结构进行部署。

其显著优势就是很好的解决了控制器负载不均衡的问题，提高了系统的可靠性和稳定性，但由于在控制器与交换机之间又多了一个负载均衡调整的工作过程，会延长数据层与控制层之间的信息传递时间，同时一旦负载均衡器运行速度跟不上的话反会成为整个系统平台的瓶颈。

3决定软件定义网络性能的要素分析

依据SDN网络模型工作原理可知软件定义网络是基于网络物理设备上部署的软件控制数据传输策略，其性能好坏直接影响整个网络的数据传输效率，在数据传输控制方面SDN发挥的作用能否达到预期效果主要取决于以下几个控制环节上的影响因素能否被很好的控制。

首先在数据报文到达数据层交换机阶段，主要会影响SDN性能的因素有交换机中路径索引表的存放时间和替换策略是否合理。交换机的主要功能是依据内部存储的路径索引表对接收到的报文进行转发路径选择，这种路径索引表有很多，交换机不可能全部保存在本地，因此交换机上的路径流表需要通过动态更新来调整。调整方法主要两个途径：一是当存储容量占满后，将新的表项替换旧的表项，这是由相应的替换算法来实现的，如果算法不合理，就会增加交换机在检索报文路径时匹配不上地址的几率，从而影响数据传输效率；二是限制表项的存储时间，超时后的表项将会被交换机删除，设置表项存储时间是否合理也会直接影响交换机处理数据路径的效率。

当在数据层上交换机无法匹配到报文路径时，就需要将报文信息传送到控制层由控制器检索路径，在这个过程中从交换机到控制器之间的网络带宽是影响SDN性能的又一个重要指标。受交换机硬件条件所限，其处理能力和带宽都不易扩展，当交换机频繁于控制器发生交互时，带宽会明显减少，从而延长报文的传输时间，导致报文控制出错。带宽问题不仅会影响交换机向控制器上报数据的效率，当控制器处理完相应的报文后还需返回信息给交换机，这仍会受到带宽的影响，因为带宽问题导致的报文控制信息传送延时我们称为控制报文转发延时，这种延时是可避免的，因此SDN如能避免这类延时问题，性能也会得到保障。

当控制层面上控制器接收到来自交换机的路径检索请求后，控制器会进行路径流表的检索匹配并将相应的流表和转发指令下达给交换机。在这一阶段控制器的处理性能越高，报文就能越快得到响应。交换机提交的请求越多，控制器的处理速度对整个SDN的影响就越大。

最后在控制层将相应的响应结果返回给交换机后，交换机需要将控制器发来的新的流表安装在本地同时选择旧的流表替换出去，这个过程所花费的时间过长，同样会导致报文迟迟得不到响应，从而降低SDN的网络性能。

同时随着网络应用领域的不断延伸，网络应用的类型也越来越复杂且多样，由此导致不同应用领域的网络设备其硬件结构差异也很大，这也增加了软件定义网络的实现难度。

4结论

本论文的研究意义在于，通过对部署在SND网络控制层面的分布式多点服务控制器模式的研究，进一步对影响SDN网络数据传输效率的原因进行了分析与探讨。SND作为一个全新的、非成熟的网络技术体系，在许多方面还不够完善。例如：被部署在控制层上的控制系统的灵活性与结构兼容性不足、数据层与控制层之间存在的时延问题以及硬件设备的兼容性问题等等，这些问题将是笔者在之后的研究中要重点解决的问题。

参考文献

[1]张朝平.软件定义网络(SDN)研究进展[J].软件学报，2013(1)：69-71.

[2]刘志远.SDN/OpenFlow网络的集群负载均衡技术研究[D].吉林大学,2014.

[3]Floodlight.http://floodlight.openflowhub.org.2013.

收稿日期：2015-12-16

作者简介：高海燕(1983- )，女，山西太谷人，讲师，大学本科，研究方向：计算机应用。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0081- 02

中图分类号：TP393.4

文献标识码：A

Analysis and Research on the Running Mode of Multi-point Controller in SDN Network

Gao Haiyan

(JinzhongVocationalandTechnicalCollege,JinzhongShanxi030600,China)

Abstract:Through the research on SDN and distributed multi-point controller deployment models in OpenFlow technology system, the article puts forward some opinions on how to better improve the SDN network data transmission efficiency and relieve the problem of load imbalance in multi-point control so as to establish a stable, reliable variable structure of SDN distributed control system.

Key words:SDN; OpenFlow; distributed multipoint control