開發(fā)一個具有成本效益的OpenFlow試驗臺對于小規(guī)模的軟件定義網絡

1、開發(fā)一個具有成本效益的OpenFlow試驗臺對于小規(guī)模的軟件定義網絡AbstractOpenFlow是第一標準接口實現(xiàn)軟件定義網絡(SDN)可以分離數(shù)據(jù)平面和控制平面,提供可靈活控制的網絡管理。來驗證OpenFlow標準的性能和特點,許多研究人員使用專門的硬件網絡NetFPGA等設備。然而,這些設備并不合適實現(xiàn)一個小規(guī)模的SDN試驗臺由于成本高,復雜性,以及專門的編程語言。著名的SDN模擬器,Mininet1,也廣泛使用,但它是不足以支持網絡動態(tài)性和虛擬主機的性能。在本文中,我們建議性價比更高的可供選擇的open vSwitch(ovs)來實現(xiàn)SDN試驗臺,基于低成本的樹莓pi嵌入式Linux

2、機器。我們確認我們的實驗OpenFlow規(guī)范1.0版本證明其最大網絡吞吐量與NetFPGA-1G相比顯示了幾乎相同的性能。INTRODUCTION最近,大量的網絡流量爆炸式增加歸功于由于IPTV(網絡電視)智能手機和各種智能設備的發(fā)展。由于服務的多樣化和用戶的需求量,用戶業(yè)務流量也變得越來越復雜。然而,目前的網絡基礎設施不能處理這些服務需求,因為傳統(tǒng)網絡體系結構集成轉發(fā)平面和控制平面到相同的設備。為了設計出一個更靈活可擴展的網絡,軟件定義網絡(SDN)近年來提出了統(tǒng)一規(guī)范。SDN解耦控制和網絡平臺是其最突出的特點。（SDN的核心理念之一就是將控制功能從網絡交換設備中剝離，降低設備復雜度，提升管

3、理效率）如此,網絡可以基于網絡配置策略實現(xiàn)動態(tài)地管理,比如路由和服務等政策優(yōu)先級3。SDN架構的評估方法有三種:Mininet模擬器、net-FPGA和OpenFlow基于S / W開關。Mininet 是一個SDN仿真器,包括一個虛擬終端機,開關和設備的集合,可以用來做設計不使用實際設備虛擬鏈接。另一方面,全國范圍內各種研究機構構建了SDN實驗平臺如“OFTEIN”,和“OFELIA”4。然而,這些項目規(guī)模很大,不適合為小實驗室規(guī)模的實驗做基于測試臺的評估。而不是這些SDN的大實驗, net-FPGA可以用于規(guī)模較小,獨立SDN分析。然而net-FPGA也可能帶來一些問題,如高成本、復雜性和

4、使用專業(yè)編程語言5。小規(guī)模SDN試驗平臺與大規(guī)模的測試平臺相比,可以更加動態(tài)的靈活的驗證和測試操作各種OpenFlow 應用程序或SDN控制器功能。為了評估小規(guī)模SDN做出一個合適的實驗平臺,我們建議一個簡單的和具有成本效益的試驗臺樹莓pi。在我們SDN試驗臺,所有的SDN 設備比如SDN控制器和主機都是建立在相同的設備。因此,試驗臺的重新配置和維護是比net-FGPA容易得多。實現(xiàn)的SDN實驗平臺的評估結果顯示了類似的性能相比與SDN1 gbps net-FPGA設備上實現(xiàn)。背景和相關工作在本節(jié)中,我們描述了SDN架構建設SDN試驗臺。同時,我們簡要描述一些SDN有關試驗臺實現(xiàn)。SDN架構可

5、分為三層，基礎設施層、控制層和應用程序層。SDN架構的概述如圖1所示。SDN基礎設施層包括交換機、路由器和網絡主機之間的交互?；A設施層只實現(xiàn)轉發(fā)功能,因此路由發(fā)現(xiàn)不能僅靠基礎設施層單獨完成。為了創(chuàng)建設備間的路由鏈路,每個設備發(fā)送一個請求消息給位于控制層的SDN控制器通過一個安全通道6。所有的SDN的控制策略是由應用層的每個應用的類型決定的。同時, 使用安全通道將既定的策略送到每個設備,南向接口使用api連接上層和底層。OpenFlowOpenFlow是一個標準的接口,允許研究人員直接控制如何在實際的SDN 路由數(shù)據(jù)包如何轉發(fā)。OpenFlow基于以太網交換機,但保持一個開放的協(xié)議（OpenF

6、low協(xié)議）可以用來描述流表在各交換機和路由器6。OpenFlow組織三個組件,流表,安全通道和OpenFlow協(xié)議。流表由流表項決定如何處理網絡中的數(shù)據(jù)流。通過流表項,可以實現(xiàn)動態(tài)調整和傳輸數(shù)據(jù)流在網絡基礎設施中7。安全通道被用作SDN交換機和控制器之間建立安全連接的通信手段。OpenFlow協(xié)議提供了一個標準接口,可以被研究者從外部定義,從而避免額外的編程。b . Net-FPGA和其他商業(yè)臺Net-FPGA是構建高性能網絡系統(tǒng)硬件平臺。Net-FPGA基于可編程路由器的優(yōu)點是處理數(shù)據(jù)包在line-rate以用戶方式。Net-FPGA由基于PCI的板，它是基于linux PC的插件。Net

7、-FPGA包括兩個靜態(tài)存儲器與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)同步操作。一個四接口物理層收發(fā)器提供了支持平臺來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包在四個標準雙絞線以太網電纜。兩個系列先進技術附件(SATA)連接器在這個平臺上可以連接多個Net-FPGAs系統(tǒng)高速交換數(shù)據(jù)8。它可以有效地部署在封閉的領域,比如辦公室,大樓和實驗室和OpenFlow啟用開關。Net-FPGA 在OpenFlow環(huán)境中可以被認為是一個好的組件。然而,它有兩個缺陷。首先,開發(fā)人員必須精通低層編程語言和設計工具9。這是因為Net-FPGA library由Verilog骨架設計。Net-FPGA使用標準計算機輔助設計(CAD)工具運行來實現(xiàn)電路

8、的FPGA10。大量的公司也開發(fā)了商業(yè)網絡交換機,實現(xiàn)OpenFlow。一些這些產品使用商業(yè)OpenFlow-enable交換機來構建測試平臺，NEC IP8800,WiMax,惠普Procurve 5400年,思科Catalyst 6k and Quanta LB4G。然而,這些交換機不適合小規(guī)模SDN試驗臺高成本和限制修改?；赾的Linux PC軟交換一般來說,OpenFlow的底層架構使用的是linux基于pc的軟交換。Pfa et al。7實現(xiàn)OpenFlow內核模塊在通用 linux PC使用ovs 。OVS 是OpenFlow的軟交換之一，（OVS提供對OpenFlow協(xié)議的支持

9、）通過使用開放源碼提供開放和無障礙設計12。OVS提供虛擬機和物理接口之間的連接。樹莓pi是基于arm的嵌入式系統(tǒng)的，比起Net-FPGA它更適合比小規(guī)模SDN環(huán)境由于低成本,易編程 ,標準化的設備驅動程序。樹莓pi的成本只有35美元13，但是1 gbps Net-FPGA接口卡是1300美元，而且還需要一個專門的主平臺裝備他們。測試平臺的架構該試驗臺包括三個網絡設備SDN控制器,SDN交換機和主機設備。所有設備在所提出的測試平臺是建立在標準樹莓pi嵌入式機,并使用基于Raspbian操作系統(tǒng)的通用linux內核。因此,所有設備很容易重新配置評估各種網絡環(huán)境。在這一章節(jié)我們描述我們的測試平臺的

10、每個網絡設備網絡設計和軟件體系結構。網絡設計網絡底層就SDN主機交互連接來考慮，如圖2所示,如果主機連接OVS,那么ovs就確定了匹配的流表。如果ov找不到任何流表,然后ov發(fā)送請求給基于floodlight SDN控制器。通過組成流動的路線可以動態(tài)地提供可編程網絡。例如,可以路由數(shù)據(jù)包通過物理節(jié)點路由為一個特定的服務或光加載路徑根據(jù)他們的優(yōu)先級。提供可編程的方式網絡是使QoS指標或流量路線由用戶手動控制。當這些調用滿足用戶需求, Floodlight控制器將發(fā)出響應消息給ovs。它將更新流表并傳輸給目的主機。b .軟件設計（OVS有許多組件，負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和openflow流表功能。最重要

11、的是vswitched，實現(xiàn)openflow交換機的核心，通過Netlink協(xié)議直接和OVS內核模塊通信。Ovsdb數(shù)據(jù)庫，保存配置信息。）圖3顯示提出了試驗臺的軟件設計架構。我們分析了在Raspbian linux內核中樹莓pi、ovs和Floodlight控制器之間的交互 15。樹莓linux內核是3.7.11 +版本基于Ubuntu，ovs版本是2.0.90。被提議的Floodlight控制器由基本模塊:QoS,基本路由、防火墻和MACtracker。因此,所有的設備作為一個網絡交換機或主機動態(tài)改變。c . SDN控制器裝置試驗臺的SDN控制器使用Floodlight SDN控制器軟件。

12、Floodlight控制器可以處理大量設備,同時保持一個高水平的服務。因此,各種應用程序如QoS控制,負載平衡,和SDN拓撲可視化可以被應用在我們的平臺上。它還提供了一組豐富的api接口來執(zhí)行操作底層OpenFlow網絡。Floodlight控制器不只能輕松控制模塊的列表而且也可以使用流行的JAVA語言。d . SDN交換機設備樹莓pi 提供 1 gbps以太網接口,不足以單獨處理多個連接。為了解決這個問題,我們使用ovs開源項目創(chuàng)建虛擬接口?？冃гu估我們實現(xiàn)建議SDN試驗臺和評估最大的吞吐量。同時,操作使用OpenFlow白皮書SDN函數(shù)進行了驗證。表1和圖4顯示了OpenFlow功能的驗證

13、結果在試驗臺上。表1的檢查列表中的項是根據(jù)強制性SDN的函數(shù)設定的。結果表明我們的實驗平臺成功實現(xiàn)SDN功能和操作都是使用控制器的應用驗證每個結果。圖4顯示了MACtracking在控制器方面的終端截圖,包括連接MAC和SDN交換機安全通道的信息?？冃гu估是通過吞吐量比較使用M. K. Park et al測試的用net-FPGA測試平臺的績效結果數(shù)據(jù)。他們正在實驗環(huán)境是異質的網絡環(huán)境等不支持OpenFlow。根據(jù)本文我們構建相似測試環(huán)境如圖2所示。在我們的測試場景中,主機發(fā)送使用iperf依賴于不同類型的最大部分的大量流量。我們使用iperf工具驗證的吞吐量，最大報文段長度(MSS)中也做同樣的配置。圖5顯示了不同方案的最大吞吐量Mininet模擬器,net-FGPA,樹莓。Mininet是一個軟件虛擬化結合的模擬器，具有可擴展的CLI和 API,它還提供了一個快速原型工作流來創(chuàng)建、定制和分享運行真正的硬件上的SDN。我們定制Mininet相同環(huán)境實驗并連接我們的Floodlight控制器。流表項向后兼容我們的實驗平臺得出的的實驗結果顯示了與1 gbps net-FPGA硬件類似的性能。然而,Mininet模擬器并不顯示精確