软件定义网络中控制平面架构的研究

【 摘 要 】 SDN是一种新型网络架构，它将数据平面与控制平面分离，实现集中式控制，简化了网络的管理和配置。论文介绍了SDN的核心思想，重点分析了控制平面架构方面的研究，最后给出了SDN中在控制平面架构中存在的问题及未来的研究方向。

【 关键词 】 软件定义网络（SDN）；控制平面

Survey of Control Plane Architecture in Software Defined Network

Liu Yan

（China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.，Ltd.， The Fourth Branch

HenanZhengzhou 450052）

【 Abstract 】 SDN is a new network architecture that separate the data plane and control plane， to achieving centralized control， simplifying network management and configuration. Describes the core idea of SDN and its logical structure， it focuses on the study of the control plane architecture. Finally， several key issue in SDN control plane architecture are discussed and future directions are point out.

【 Keywords 】 software defined network；control plane

1 引言

当前，信息通信技术ICT（Information Communication Technology）领域正朝着细粒度、移动性、开源、云计算和大数据方向快速发展，这无疑对现有计算机网络的带宽利用率、接入方式、动态管理等方面提出了新的要求和挑战。

随着传统网络体系架构暴露出越来越多的弊病，向未来互联网的演进，已经成为业界的共识。近年来，互联网发达国家以及国际标准组织都加强了对未来网络体系结构的研究，欧盟的未来互联网研究和实验FIRE （Future Internet Research and Experimentation），日本的AKAR-I，ITU的FutureNetwork等计划。其中，由GENI资金支持的软件定义网络SDN（Software-Defined Network，SDN）受到广泛的关注。

基于OpenFlow 的SDN 技术打破了传统网络的分布式架构，传统网络的运行模式已经被颠覆，在面临类似挑战时还需要满足新的技术和运营模式，目前，学术界和产业界为了寻找解决方案在做大量的研究。

2 SDN中控制平面架构

控制平面架构是整个SDN技术的核心，是当前研究的重点，也是今后研究的热点，本文也将着重对这方面进行研究。具有多个控制器的SDN控制平面架构研究有几项。

文献[1]中，谷歌的数据中心网络B4是业界最大的SDN部署。在数据中心之间采用了SDN网络，每一个数据中心由一系列OpenFlow控制器进行控制，并直接与数据中心的交换机连接，每一个SDN入口，主要用于全局流量管理。控制器通过与其他控制器之间的通信来改变拓扑结构和流表信息，与此同时，在B4网络架构中它也增加了许多复杂性和费用。

文献[2]中，Kandoo提出了一种两层控制网路架构，包括根源控制器和本地控制器。根源控制器具有对网络全局的了解，而本地控制器仅仅了解它们本地区域的网络状况，并把网络状况上报给根源控制器。如果本地控制器发现它自己无法处理的数据包，它将会与根源控制器进行联系，最后，根源控制器来处理这些重要的事件，具有很好的扩展性，随着网络规模的扩大，需要相应的增加本地控制器和根源控制器。

HyperFlow首次为OpenFlow提出了一种分布式的控制层面，一个域内同时运行多个控制器，每个控制器主要控制其局部范围内的OpenFlow交换机，控制器之间的信息共享借助了一个为广域网环境设计的分布式文件系统Whee1FS 。HyperFlow控制器拥有一定处理局部范围内事件的权限，而把影响全局的事件不定期的对外，其他应用接收到事件信息后，会重放事件信息以达到全局视图的同步，但是这种方式只能应对一些不频繁发生的事件，如链路状态改变并且对于数据中心或某些大规模的网络，管理员需要知道全部的实时数据流状况，而HyperFlow目前是不支持的。

文献[5]中，SOX提出了一种集中式多控制器架构，它可以使所有的控制器提供自治负载均衡和错误恢复，并且支持动态的调节控制平面的控制器数量。现存的研究像ElastiCon和SOX，都可以动态的调节控制器的数量，但是他们没有讨论门限值（需要控制器的数量）是否是最优值，与此同时，他们是用定性分析方法而不是定量分析方法来评估性能的值。

文献[7]中，MSDN是清华大学提出来的一种可扩展域内控制平面的架构，其主要针对于生成初始状态流表时，向控制器发送大量流请求消息而导致的性能瓶颈。MSDN引入了负载均衡、并行处理、数据共享和集群处理的思想。MSDN具有三层架构：负载均衡层、控制器集群和分布式数据存储，每一层都具有自己的可扩展方法：负载均衡层采取各种算法，以实现初始流请求的分发；控制器集群可以采用不同的控制器软件，所有的控制器共享全局视图；分布式数据存储由支持事务处理的水久存储和缓存两部分组成，永久存储用于数据分析或重启过程中保持网络的状态，缓存用于控制器的直接读写。

文献[8]中，NOX提供了最初的网络设备管理接口，NOX的设计仅仅是用于校园网络，并没有为商业使用提供足够的安全。由于早期工作的底层接口不便于操作和编程，一些研究像Maestro尝试根据网络状况用户自定义视图为程序员编写应用来构建逻辑控制平面架构。

3 存在问题以及未来研究方向

控制器作为SDN构架中一个非常重要的组件，针对商用的SDN来说，控制器将不再只是一个单独的实例，而是一个由大量实例所组成的控制器系统。在多控制器系统中，存在几个问题及未来研究方向。

（1） 没有分析控制器数量是否是最优值。目前的研究中虽然可以动态的调节控制器的数量，但是他们没有讨论需要控制器的数量是否是最优值，当一个网络规模大小发生变化时，他们不能决定要使用多少个控制器和最佳门限值。此外，在不同数量控制器工作下的网络的性能也是未知的。因此，未来工作需要对控制器的数量进行优化从而来降低系统的成本和能源浪费。

（2） 没有考虑交换机和控制器的差异性。在现存的控制平面的研究中，特别是在多个控制器组网以及控制器和SDN交换机对应关系的拓扑结构模型构建时，没有考虑到交换机之间性能的差异，缺乏实际的网络环境，使研究方案存在一定的局限性。因此，未来工作在控制器部署方案设计中需要考虑控制器性能的差异进行研究，从而使所设计的控制平面架构更具有可行性。

（3） 控制器的数量发生改变时造成负载不均衡。在控制平面中，当其中一个控制器遭到攻击或是损坏时，或某些控制器根据网络状态主动进入休眠时，在其所管理下的SDN交换机由其他控制器进行接管，目前的研究没有考虑控制器数量发生变化后的负载均衡问题。因此，未来工作要考虑网络负载均衡对控制器进行接管控制，从而来提高网络的性能。

参考文献

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[9] Z. Cai， A. L. Cox， and T. E. Ng， “Maestro： a system for scalable openflow control，” Technical Report TR10-08， Rice University， Tech. Rep.， 2010.

作者简介：

刘岩（1984-），男，汉族，河南郑州人，硕士，中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，工程师；主要研究方向和关注领域：有线通信传输系统。