一种基于RIPv2的轻量级IP/SDN混合互联架构

舒兆港，林甲祥，杨长才，张振昌，景 林

(福建农林大学计算机与信息学院，福建福州350002)

一种基于RIPv2的轻量级IP/SDN混合互联架构

舒兆港，林甲祥，杨长才，张振昌，景 林

(福建农林大学计算机与信息学院，福建福州350002)

分析了现有IP/SDN混合互联架构方案的优缺点，提出一个基于RIPv2路由协议的轻量级IP/SDN互联架构.其主要原理是将SDN网络抽象成RIPv2协议中的单个虚拟路由节点，在控制器内部实现RIPv2路由表和Openflow流表信息的转换.从RIPv2的协议角度来看，无论SDN网络内部包含多少个交换机和子网，网络报文穿过该SDN，其跳数只经过1跳.在开源控制器Floodlight上实现了该架构并进行了试验验证和性能评估.与现有架构相比，该架构不需要增加额外的协议转换设备，能够实现与传统IP网络的多出口节点互联，且具有较低的性能开销，适用于中小型园区网的IP/SDN互联场景.

软件定义网络；混合互联架构；路由协议

软件定义网络(software defined network，SDN)作为新一代网络技术架构，其核心思想是分离网络系统的转发面和控制面，使得网络用户能够在不需要升级网络设备或改变网络拓扑结构的前提下，通过软件编程的方式自定义网络功能，从而加快网络的创新应用[1].如果要采用全新的SDN架构，则原有的传统网络设备将被废弃，这在短期内不具有可行性，在相当长的时期内将维持两者共存互通的局面[2].

有关SDN与传统网络的互联互通技术方案，目前有3种类型，即混合拓扑互联[3－6]、混合流量转发[7－9]及传统设备的SDN功能模拟[10－11].混合拓扑互联方案[3－6]的主要特点是借助BGP/OSPF协议的原有特性，屏蔽SDN域内的设备连接结构，BGP/OSPF的协议规则不需要大量修改.但由于运行BGP/OSPF协议对于控制器而言是一个较大的负担，且需要额外的边界转换器设备，提高了网络部署成本.混合流量转发方案[7－9]的优点是可以利用SDN灵活编程的方式主动监控用户感兴趣的流量，实现细粒度的流量调控和提高服务质量的需求，而这些功能在传统IP中可能很难实现；同时也可以减少全SDN网络中控制器的负载，当控制器失效时IP控制方式也可以起到有效的备份作用.但是，这种路由器节点在软件架构实现上与传统路由设备差别较大，需要对原有设备进行大规模软件升级，在实际网络中推广有较大的难度.传统设备的SDN功能模拟方案[10－11]虽然很好地解决了传统设备短期内无法更换的问题，但这种模拟的功能只能局限于SDN的基础功能，对于一些高级的SDN创新应用很难实现，而且会导致传统设备的各种ACL配置变得非常复杂.

鉴于当前研究存在的问题，本文提出一种轻量级IP/SDN混合互联架构，属于混合拓扑互联类型，通过在开源控制器Floodlight中集成RIPv2路由处理机制，在SDN网络边缘设备实现与IP网络的互通.与现有架构相比，本架构不需要增加额外的中间转换设备，且能够实现与传统IP网络的多出口节点互联，同时具有较低的性能开销，适用于中小型园区网的IP/SDN互联场景.

1 轻量级IP/SDN混合互联架构的设计

为了达到轻量级的效果，本文选取RIPv2路由协议作为IP/SDN互连的路由协议.RIPv2采用距离矢量算法，路由器之间通过发送组播地址为224.0.0.9的组播报文，获取到达目的网络的跳数以及下一跳地址，从而生成路由表.由于每个路由器并不需要维护全网的路由拓扑信息，只需要根据最小跳数确定最优路由，因此该算法具有简单轻便的特点，适合中小型网络应用场景.SDN的报文转发是通过控制器维护整网拓扑，实时下发Openflow流表到交换机进行转发，无论是控制器还是交换机，并不存在RIPv2路由协议.为了将基于RIPv2的IP网与SDN进行混合互联，SDN在不改变原有运行规则的前提下，必须兼有RIPv2的路由特征.

1.1 设计原理

本设计的主要原理是将SDN网络抽象成RIPv2协议中的单个虚拟路由节点，而虚拟路由节点的接口，可能分布在不同的Openflow交换机上.不管SDN网络内部包含多少个交换机和子网，从RIPv2的协议角度来看，网络报文穿过该网络，其跳数只经过1跳，其原理如图1所示.

图1中，SDN区域有S1/S2/S33个交换机和1个控制器，其中S1的p2端口与S2的p1端口连接，S2的p2端口与S3的p1端口连接.而S1的p1端口与IP区域1中路由器R2的p1端口连接，S3的p2端口与IP区域2中路由器R3的p1端口连接，构成一个IP/SDN混合拓扑.该拓扑中包含6个子网网段(分别为192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24、192.168.4.0/24、192.168.5.0/24和192.168.6.0/24)，其中SDN内部包含2个网段(192.168.3.0/24和192.168.4.0/24).当R2发送报文到R3时，其报文转发实际物理路径为R2→S1→S2→S3→R3，但从RIPv2协议逻辑上看，其路由路径为R2→Rv→R3，其中Rv表示SDN网络区域抽象出来的一个虚拟路由器，从R2到R3只经过一跳，而不需要考虑SDN网络内部的具体结构和网段数量.而且，IP区域路由器把SDN内部网段识别为与上述虚拟路由器直连相连的网段.因此，IP区域的路由器工作方式基本不变，而唯一需要改变的是SDN区域.

1.2 SDN区域内的RIPv2路由架构

在SDN区域内部，拓扑发现、转发决策和流表下发全由控制器来完成，控制器内部保存了当前所有SDN交换机的端口连接信息和网段分布信息.为了和原有的转发决策和流表操作机制相配合，RIPv2路由决策也应该在SDN控制器内进行处理，本文提出SDN区域内的路由架构如图2所示.

如图2所示，控制器中主要包含3个功能模块，即RIPv2路由管理模块、拓扑发现模块、路径计算与流表操作模块，其中只有RIPv2路由管理模块是本文新增的模块，其他2个模块是控制器已有的功能模块，只需要进行少量修订.与以上3个模块密切相关的信息表分别是全网RIPv2路由表、拓扑与子网信息库和实时备份流表信息库.而所有交换机分为边缘交换机和内部交换机.边缘交换机是直接与外部IP网络具有直接连接接口的交换机，如图1中的R1和R3.下面分别描述控制器和交换机中各个功能模块与信息表的作用及其在RIPv2路由处理过程中的交互机制.

1.2.1 控制器的初始化与拓扑发现 控制器初始化时，上述3个信息表都为空.在和邻居IP区域的路由器进行RIPv2报文交互之前，控制器首先必须探测SDN区域内部的设备连接拓扑与子网信息，该功能由拓扑发现模块完成.根据Openflow的规范，SDN交换机相互发送LLDP报文，以探测与本设备连接的相关信息(如接口状态、对端链路信息以及连接子网信息等).如果这些信息发生变化，则向控制器通告，这些功能由交换机的本地信息监控模块完成.控制器汇总所有交换机的通告信息，动态生成拓扑和子网信息表.以图1的网络拓扑为例，拓扑表包含的信息格式为:{(S1，p2，S2，p1)，(S2，p2，S3，p1)}，表示S1的p2端口与S2的p1端口连接，S2的p2端口与S3的p1端口连接.子网信息表包含的信息格式为:{(S1，p3，192.168.3.0/24)，(S3，p3，192.168.4.0/24)}，表示与交换机S1的p3端口连接的网段有192.168.3.0/24，与交换机S3的p3端口连接的网段有192.168.4.0/24.当拓扑与子网信息库产生之后，控制器才能响应交换机的转发请求，根据拓扑和子网信息进行路径计算，将相关流表下发到交换机，同时在控制器保存这些流表信息备份.该功能由路径计算与流表操作模块完成.

1.2.2 RIPv2协议报文收发策略 当系统初始化与拓扑发现完成后，SDN区域的交换机可以根据流表正常进行报文转发.控制器开始进行RIPv2协议报文的收发，该功能主要由控制器中的RIPv2路由管理模块完成.

(1)RIPv2报文接收策略.边缘交换机收到IP区域路由器发送的RIPv2协议报文后，统一将其送到控制器进行处理.因此，在边缘交换机上应该添加1条流表项完成该功能.匹配域为目的IP，即RIPv2的组播地址(如224.0.0.9)，Action动作是将报文传给控制器.该流表项可以由网络管理员手动添加，也可以由流表下发模块自动下发.自动下发的过程和交换机处理未知名报文的方式类同，当边缘交换机第一次收到RIPv2报文时候，找不到匹配的流表项进行转发，则其默认处理方式是将报文通过Openflow通道送到控制器，控制器解析报文发现是RIPv2协议报文，则为该交换机安装一条对应的表项.同时，控制器也得知该报文从哪个交换机的哪个端口进入，由此可判定该交换机端口必定与外部IP区域的路由器直接相连接，并由此判定该交换机为边缘交换机.

(2)RIPv2报文发送策略.根据RIPv2协议原理，由于整个SDN区域被当成一个虚拟路由器，由RIPv2路由管理模块产生协议报文后，需要将该报文从所有的边缘端口(与IP区域路由器连接的端口)发送出去.因此，在发送报文之前，需要遍历当前所有边缘交换机，通过Openflow通道把协议报文发送到这些交换机.当交换机从控制器接收到这些报文后，则转发到本地所有边缘端口.交换机可以自己保存本地的边缘端口信息，也可以由控制器通告其边缘端口信息.

1.2.3 RIPv2路由和流表更新机制 RIPv2协议报文能够顺利收发，必须更新RIPv2路由，以及与流表机制进行协作互动.当收到IP区域路由器发送的RIPv2协议报文时，RIPv2路由管理模块需要按顺序完成下列动作.

(1)更新全网RIPv2路由表.提取报文携带的目的网络字段作为新增路由条目的目的网络字段；提取该报文的源IP地址，源IP作为新增路由条目的下一跳地址字段；提取对应目的网络的跳数，将跳数加1，作为新路由表条目的跳数字段.如果跳数≥16，则放弃添加本路由条目.例如，在图1中，收到路由器R2发送的协议报文包含路由信息{(192.168.1.0/24，direct)}，表示路由器R2与网段192.168.1.0/24直连，即距离为0跳.控制器添加1条路由信息{(192.168.1.0/24，192.168.2.1，1跳)}，表示SDN虚拟路由器到达网段192.168.1.0/24下一跳的地址为192.168.2.1(该地址为路由器R2的p1接口地址)，距离为1跳.

(2)更新拓扑与子网信息库.当控制器更新RIPv2路由表的同时，也会触发更新拓扑与子网信息库.更新方法是:提取报文携带的目的网络字段作为新增子网字段，控制器判断该子网与边缘路由器直接相连.如图1中，增加的子网信息条目为{(S1，p1，192.168.1.0/24)，(S1，p1，192.168.2.0/24)}.这样，当内部交换机请求去往目的网络为192.168.1.0/24网段时，控制器将根据拓扑与子网信息库启动内部路径计算，最后出口是S1交换机的p1端口.一旦报文出了SDN区域，按传统的RIPv2进行路由，实现报文路径从SDN区域到IP区域的跨越.

(3)向IP路由器通告内部子网.为了在IP区域也能找到SDN内部的主机或网络，控制器内的RIPv2路由处理模块，也需要将SDN区域内的子网全部通告邻接的IP区域路由器.首先，拓扑与子网信息变动时，需要由拓扑发现子模块触发更新全网RIPv2路由表.图1拓扑中，当发现192.168.3.0网段与S1的p3端口连接，则需要在RIPv2路由表中添加1条信息{192.168.3.0/24，direct}，表示SDN虚拟路由器与192.168.3.0/24直连.然后RIPv2路由处理模块需要将该路由信息发送给所有邻接的IP区域路由器，即R2和R3.当R2或R3收到该信息后，在自己的路由表中添加1条路由信息{192.168.3.0/24，p1，1跳}，表示达到192.168.3.0/24网段，从本地的p1端口转发，距离为1跳.这样IP区域的主机能够顺利找到SDN区域内的192.168.3.0网段的主机，实现报文路径从IP区域到SDN区域的跨越.

2 试验验证

2.1 架构实现与试验拓扑

为了验证上述轻量级IP/SDN互联架构的可行性，本文在开源控制器Floodlight的基础上，开发了以上架构的功能.主要新增的功能为RIPv2路由模块，并通过调用Restful接口与其他模块进行联动，如拓扑发现模块、流表下发模块等.试验环境主要通过Virtualbox虚拟平台实现，创建各种不同用途的虚拟机(所有虚拟机安装Ubuntu 12.04系统)，用来仿真IP路由器(安装开源路由软件Quagga，开启RIPv2协议)和主机，SDN区域网络通过在Ubuntu 12.04系统上安装Mininet和Floodlight来仿真，仿真试验环境的网络拓扑如图3所示.该环境中，共有5个虚拟机，VM1为SDN网络仿真环境，内部有控制器、3个SDN交换机以及1个内部主机，VM2和VM3分别仿真IP区域路由器，VM4和VM5代表IP区域主机.整个混合互联网络包含5个子网网段，设备相关接口用eth0/eth1/eth2标识，并配置相应的IP地址.

2.2 验证结果

为了验证IP区域和SDN网络区域的互通性，首先进行ping通测试，然后查看路由器的路由表和交换机的流表是否符合预期结果.验证步骤如下.

(1)Floodlight完成拓扑检测后，查看R1和R2的路由表，发现其路由表中包含了SDN内部网段192.168.3.0/24的路由条目(图4).说明拓扑检测完成后触发更新了RIPv2的全网路由表.但此时在交换机S1/S2/S3上并未发现到达目的网络192.168.1.0/24和192.168.5.0/2的流表项.

(2)从Host2 ping Host1测试，可以ping通，再次查看S1/S2/S3的流表项，发现S1和S2增加了到达192.168.1.0/24网段的流表项，而S3没有增加(图5～7).控制器根据当前RIPv2获取的子网拓扑信息计算得到:从Host2到达Host1的内部通路为Host2→S2→S1，而没有经过S3，因此给S1和S2下发了相应的流表.

(3)从Host2 ping Host3测试，可以ping通.同理，再次查看S1/S2/S3的流表项，发现S2和S3增加了到达192.168.3.0/24网段的流表项，而S1没有看到.控制器根据当前RIPv2获取的子网拓扑信息计算得到:从Host2到达Host3的内部通路为Host2→S2→S3，而没有经过S1，因此给S2和S3下发了相应的流表.

(4)从Host1 ping Host3测试，可以ping通.同理，再次查看S1/S2/S3的流表项，发现S2和S3增加了到达192.168.3.0/24网段的流表项，而S1没有看到.控制器根据当前RIPv2获取的子网拓扑信息计算得到:从Host2到达Host3的内部通路为Host2→S2→S3，而没有经过S1，因此给S2和S3下发了相应的流表.至此，从IP区域SDN区域互联互通得到充分验证，路由器路由表项和交换机流表添加的结果符合设计预期.

3 性能评估

为了进行性能评估，拟将未修订的控制器(Floodlight)和加入RIPv2路由功能的控制器(Floodlight)在时间轴上的CPU进程利用率进行对比.启动完成后，对其频繁进行拓扑变化操作(比如S1和S2链路切断与重连，触发拓扑计算与路由更新)，观察60 s内控制器CPU进程利用率的变化，对比结果如图8所示.从图8可知，控制器的CPU进程占用率为2.5%～5%，加上RIPv2路由处理功能，其变化率也没有超出这个范围.由此可见，基于RIPv2的IP/SDN互联架构对原有控制器性能影响很小，体现了其轻量级的特性.

4 小结

本文研究了基于RIPv2协议的IP/SDN互联机制，通过在Floodflight控制器中增加RIPv2路由管理模块，使得IP网络和SDN相互学习路由条目，实现IP网络和SDN互联互通.结果表明，该机制不需要增加额外的协议转换设备，且具有较低的性能开销，解决了中小型园区网的IP/SDN混合互联问题.虽然文中只讨论了IP网络跨越SDN网络访问IP网络的情况，但对于多SDN网和多IP网络混合互联的场景，其原理和架构不需要任何改变都可以适用.由于本架构设计简洁，不需要额外的部署成本，且具有良好的性能，对解决当前IP和SDN网络混合互联问题具有重要意义.传统IP网络与SDN的巨大差异性，实现两者的互联互通不仅仅考虑其报文转发，还需要考虑通信安全、服务质量以及流量工程等方面，这将是本文下一步的研究工作.

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(责任编辑:叶济蓉)

A lightweight hybrid interconnection architecture of IP/SDN based on RIPv2

SHU Zhaogang，LIN Jiaxiang，YANG Changcai，ZHANG Zhenchang，JING Lin
(College of Computer and Information Sciences，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China)

Basing on advantages and disadvantages of existing hybrid interconnection architectures of IP/SDN，a lightweight hybrid interconnection architecture of IP/SDN was proposed based on IPRv2.Its main principle is to abstract single virtual router from the whole SDN network，in which RIPv2 routing table can be transformed from/into flow table by the SDN controller.Theoretically，hop count will only increase by one when network packet gets through SDN domain，despite of the number of switches and subnets SDN domain contains according to RIPv2 protocol.The architecture was successfully implemented based on an open source controller Floodlight，then its functionality and performance were evaluated.Compared with existing architecture，the new architecture can be connected with multiple traditional IP network in the same topology without further conversion equipment，as well as being in low performance overhead，which makes it suitable for small or medium-sized IP/SDN interconnection scenarios.

software-defined network；hybrid interconnection architecture；routing protocol

TP391

:A

:1671-5470(2016)06-0719-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.06.018

2016－04－24

:2016－06－10

国家自然科学基金资助项目(41401458)；福建省科技厅资助项目(2016J05148、2014J05045)；福建省教育厅资助项目(JA14119、JA14125).

舒兆港(1981－)，男，高级工程师，博士.研究方向:软件定义网络、云计算等.Email:zhaogang.shu＠gmail.com.通讯作者景林(1957－)，男，教授.研究方向:计算机网络技术等.Email:jinglin＠fafu.edu.cn.