OpenFlow网络冗余控制报文消除机制研究

OpenFlow网络数据平面将未匹配流表的数据包发送给控制器,其中的无连接突发流量将产生冗余控制报文,对网络性能造成不良影响,而目前的OpenFlow协议并未对此进行处理.研究了在控制平面和数据平面分别消除冗余控制报文的方法 ERCMC(eliminating redundant control messages on the control plane)和ERCMD(eliminating redundant control messages on the data plane),分别在NOX和Open vSwitch上进行实现,并进行性能评价.实验结果表明,ERCMC方法能够消除冗余控制报文,但增加了额外的处理开销;ERCMD方法在减少冗余控制报文数量的情况下能够减小控制器和OpenFlow交换机负载.     

基于流粒度的OpenFlow分组缓存管理模型

基于OpenFlow的软件定义网络(SDN)技术通过在OpenFlow交换机中建立有效的缓存模型,能够大幅减少控制平面和数据平面的通信负载,但整条数据流的缓存模型会对数据流的传输造成较大延时,降低整个SDN的数据传输性能。针对该问题,引入PiBuffer流缓存模型,构建基于报文分组粒度的分组缓存模型。通过在控制平面建立流路由和流状态的缓存信息,分别对流报文之间和交换机之间的数据传输采用"分组缓存,组内保序"机制和"传输询问,完成通知"机制,并对控制平面和数据平面的通信消息进行优化,以提高数据中心网络的通信性能。软件模拟结果表明,在数据中心基于OpenFlow技术的SDN网络中,该模型比流缓存模型具有更优的通信性能。     

Nimble:一种适用于OpenFlow网络的快速流调度策略

突发流量是导致网络拥塞和丢包的重要原因之一.减少网络拥塞的一种方法是在多条可达路径间均衡网络流量,如等价多路径(Equal-Cost Multi-Path,ECMP)路由.然而,大多数等价多路径路由或者静态地将不同的流/数据包哈希到不同的路径,或者依赖于局部的/过时的路径状态信息.OpenFlow技术利用集中式控制器控制网络行为,为控制器根据全局网络状态信息进行动态的数据流优化提供了可能.然而,采用基于轮询的网络状态探测机制在处理突发流量问题上面临诸多困难.文中提出一种用于OpenFlow网络的快速流调度策略,称为Nimble.Nimble架构扩展了OpenFlow协议的packet-in消息,由网络设备自主监测设备状态,并在网络出现拥塞时通过扩展的packet-in消息主动向控制器通告拥塞信息.模拟结果显示Nimble策略能够以近于零的时延检测网络链路拥塞,从而有效提高网络性能.     

OpenFlow交换机流表溢出缓解技术研究综述

软件定义网络的转发控制分离、集中控制、开放接口等特性使网络变得灵活可控,其架构得到了充分的发展.由于与各种云化业务的良好结合,软件定义网络(software defined networking,SDN)在近些年来得到了大量的商业部署.在基于OpenFlow的SDN架构中,为了实现流表项的快速查找、掩码匹配等目标,商业部署的硬件交换机大多使用三态内容寻址存储器(ternary content addressable memory,TCAM)来存储控制器下发的流表项.但受限于TCAM的容量和价格,目前商用OpenFlow交换机至多能支持存储数万条流表项,导致其存在因突发流和流表攻击等原因而产生流表溢出问题,严重影响了网络性能.因此,如何建立高效的流表溢出缓解机制引起了研究人员的广泛关注.首先对OpenFlow交换机流表溢出问题产生的原因及其影响进行了分析,在此基础上按照流量突发和攻击行为2种情况归纳对比了流表溢出缓解技术的研究现状,总结分析了现有研究存在的问题与不足,并展望了未来的发展方向和面临的挑战.     

DAFT:一种OpenFlow大规模流表区分存储与加速查找架构

软件定义网络作为一种数据转发与逻辑控制相解耦的创新网络范式,当采用OpenFlow协议进行大规模部署时,其数据平面的流表规模急剧增大,对OpenFlow交换机的流表存储资源和分组转发性能提出了严峻的挑战.对此,本文构建了一种OpenFlow大规模流表区分存储与加速查找架构DAFT.该架构根据流量分布特性将OpenFlow网络流区分为重要流和次要流,进而采用TCAM和SRAM分别存储其标识字段,并采用DRAM单独存储其内容字段,有效缓解OpenFlow流表存储资源紧张问题.针对重要流/次要流区分问题,在分析传统大象流/老鼠流区分方法的基础上,基于OpenFlow网络流的包成批特性,提出活跃流/空闲流区分方法,以提高TCAM命中率.针对SRAM流表查找性能瓶颈,利用掩码访问不均匀的特点,采用"往前移1"启发法自适应调整掩码顺序,以减少后续数据包的掩码失败探测次数;利用掩码探测多数会失败的特点,借助计数型布鲁姆过滤器预测元组查找失败结果,从而绕过对应的子流表遍历过程.最后,借助骨干网络流量样本,对本文所提DAFT流表架构的查找性能进行实验评估.实验结果表明:DAFT流表架构的TCAM命中率、SRAM平均查找长度和平均流表访问时间均明显优于传统的大象流/老鼠流架构,且稳定性强,有效提升了OpenFlow交换机的分组转发性能.     

基于OpenFlow的软件定义网络虚拟化方案

软件定义网络(SDN)可以将网络控制平面与数据平面分离开来,为网络虚拟化提供了良好的平台。为了解决SDN中多租户下的虚拟化,提出了一种基于OpenFlow的网络虚拟化方案。通过一个中间代理来转换并匹配物理MAC地址与虚拟MAC地址,以及物理流表项和虚拟流表项,以此实现流量空间的虚拟化。其中,根据实际数据包的惰性计算,使用前缀或通配符来精确匹配流表项。另外,为了保障物理OpenFlow网络上不同租户之间的隔离,将单个虚拟MAC-通配符流表项映射为多个具有精确MAC地址的物理流表项。实验结果表明,该方案成功的实现了网络虚拟化,且虚拟化开销较小,具有可行性。     

SDN架构的高校图书馆虚拟社区

结合大学生网络社交特点,高效的图书馆虚拟社区可以增强大学生与图书馆的粘合度。本文提出构建基于软件定义网络(SDN)架构的高校图书馆虚拟社区,在虚拟社区服务器与网络设备间建立一个控制层,控制层由OpenFlow交换机和集中控制器组成。OpenFlow交换机控制图书馆网络中的数据流,集中控制器进行网络功能的协调和配置,实现高校图书馆为在校大学生提供高速、便捷网络资源服务的功能。     

SDN中基于时延优化的多控制器部署方案

针对SDN在广域网中部署时,单一集中式的控制器无法满足整个网络性能需求这一问题,提出一种多控制器部署方案。评估给定网络拓扑所需部署的控制器个数,使用聚类方法将控制器初步部署到网络中,向网络中输入动态数据流,根据蜂群算法思想,以最小化流表建立时间和控制器之间的同步时延开销为目标进一步优化控制器的部署。仿真结果表明,该方案在优化流表建立时间的同时,能够获得较小的控制器间同步时延开销。     

基于匹配动作表模型的可编程数据平面流表归并

与传统网络技术相比,SDN技术将网络的控制平面与数据平面分离,使网络具有一定的可编程能力。以OpenFlow、POF、P4等为代表,领域内常见的SDN交换机大多基于匹配动作表模型实现。与协议相关的OpenFlow等技术不同,协议无感知的SDN技术使用{偏移,长度}等结构表示协议字段,从而实现对任意协议字段的解析和处理。然而,待处理的数据包可能带有不同长度的数据包头,所以这些数据包中特定协议字段的偏移也会不同,需要多个匹配域偏移不同的流表去完成数据流的解析,从而造成流表和流水线结构复杂。针对上述问题,本文提出一种基于MAT模型的可编程数据平面流表归并方案,扩展MAT模型中的动作集,在数据包查询流表时使用特定的动作动态地调整数据包的起始偏移,使不同数据包同一协议字段的偏移保持一致,实现匹配域相同的流表的归并。本文方案在兼容VLAN、QinQ的POF Switch实验场景下,以跳转流表时多执行一条动作为代价,缩减了约69%的流表内存消耗。     

基于强化学习的网络时延自动化控制数学建模研究

传统的网络时延控制模型在分析时延原因时,仅从宏观角度分析,缺少建立网络模型的过程,导致时延控制能力差、数据传输时间长、丢包率大的问题。为解决此问题,设计一种基于强化学习的网络时延自动化控制模型。该模型的构建主要分为两部分,先是确定网络模型,具体分析网络时延出现的原因,在此基础上,利用强化学习中的Q学习算法构建自动化控制模型,以解决网络时延问题。实验结果表明:与传统的基于均衡调度的网络时延控制模型相比,该模型对网络时延的控制性能更好,且数据包传输时间缩短3.7 s,数据包丢包率降低5%,应用优势明显。     

软件路由器的硬件加速研究

OpenFlow作为软件定义网络的一种实现方案,允许我们可以通过编程实现控制器,从外部控制高速交换机的包转发行为。本文提出了一种使用软件路由器(Quagga)来作为路由引擎,根据路由表状态向控制器发送控制消息,从而控制支持OpenFlow的高速交换机实现路由器效果的一种软件路由器加速方案。     

Route manipulation aware Software-Defined Networks for effective routing in SDN controlled MANET by Disney Routing Protocol

In MANET network management, the Software-Defined Networking (SDN) plays a vital role in terms of controller plane and data plane. It is always easy to manage the data communication over the MANET because of logically centralized control on the SDN. Since the dynamic route on MANET, are controls the packets and changes the route between the source to destination alternatively. Hence the maintenance of real-time SDN analysis-based application planes is a crucial process. To maintain the effective MANET communication over the Software-Defined Network, it essential to improve the control and data plane process on the SDN controlled MANET based OpenFlow switching procedure. Nevertheless, SDN allows for route interaction against security threads. In this research article, the four stages were suggested to preserve the security measures in packet-based data transmission that are conceived in MANET. In this article, an SDN controlled MANET based OpenFlow switching scenario for effective security threading is proposed. The major part played by an SDN controlled MANET in bringing about a result of being effective without wasting time and energy on routing. The proposed Distinct Network Yarning (DISNEY) routing protocol for SDN controlled MANET overcomes the congestion communication on MANET routing. To decrease performance degradation, efficient routing is maintained by the route matrix manipulation table. This routing scheme helps to find the optimal routing with a secure and intelligent manner. The proposed result was compared to existing approaches. As a result, the proposed illustration to be improved by routing and data transmission. In comparison to the proposed method achieves a better ratio for packet transmission delay, throughput, and data transmission rate.     

基于SDN的OpenFlow交换机数据包流水线处理机制

目前,软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)已成为网络研究与开发的重点,但相关的研究与开发工作还仅仅局限于园区网络和数据中心网络等。由于SDN控制层与数据层处理效率的限制,SDN面向互联网这样超大规模网络的研究还基本处于空白阶段。为了提升SDN的性能以使其适应大规模网络的特点,挖掘SDN数据层中并行加速处理的可能性,提出了将流水线技术应用到SDN数据层中交换机对数据包的转发过程。另外,结合SDN南向接口OpenFlow协议提供的交换机工作规范,设计了适用于OpenFlow交换机数据包转发的三级流水线处理机制。仿真实验说明,将流水线应用到SDN中能有效加快OpenFlow交换机的数据包转发速度。     

基于OpenFlow的报文分类算法研究与实现

随着软件定义网络、OpenFlow等技术的兴起,传统的基于5元组的报文分类技术已不能满足OpenFlow基于多元组的细粒度流量控制需求。因此,以分析已有的报文分类算法为基础,采用分而治之的思想,针对OpenFlow报文分类的精确匹配需求,设计实现了一种基于Hash的计数型链表Bloom Filter算法--OF_CBF算法。针对OpenFlow报文分类的通配匹配需求,借鉴正则表达式匹配算法思想,设计实现了基于有限自动机的报文匹配算法--OF_FSMP算法。对两种算法进行分析验证,并初步对两种算法进行了性能分析。     

Flow-based anomaly intrusion detection using machine learning model with software defined networking for OpenFlow network

Moving towards recent technologies, Software Defined Networking (SDN) produces a promising network framework to combine the overall network management system with network programming. It gives a more effective tracking system towards the data center. By centralized system and symmetric controller, it prevents security cracks from creating new threats during OpenFlow packet transmission with vulnerabilities. It creates more interest to the researchers to work towards Flow-based SDN for the priority-driven algorithm in anomaly intruder detection. In this paper, we made a study towards a priority-based model using SDN to control the flow of data packets over the network, gives assurance to the bandwidth enforcement, and reallocation is made through virtual circuits. The network behavior of the system is continuously monitored through the machine learning model for normal and abnormal traffic data transmission to detect anomaly intruders. Flow-based machine learning (ML) model with SDN act as an intelligent system to limits the throughput virtually through the flow of reserved bandwidth and make use of extra bandwidth, which presents more than the utilization bandwidth for priority-based applications with minimal cost while compared with the traditional methods. The proposed work also compared with the schemes available at the network to produce outcomes with fast routing and the fault tolerance of existing networks to overcome the gap open at the security of the SDN architecture to detect and identify vulnerabilities.     

基于软件定义网络的网络故障诊断方法研究

基于软件定义网络环境下故障诊断方法的研究现状,提出了一种在软件定义网络下故障诊断定位的方法。通过发送具有匹配识别标志字段的TCP测试数据分组,利用软件定义网络环境下控制器的可编程和流表可扩展匹配的特性,设计匹配流表和指令,匹配并按特定格式写入具备定位作用的转发信息到测试数据分组。监听分析模块根据返回数据分组中的历史转发信息,提取数据并据此诊断和定位网络故障。在模拟环境下,实验结果证明了该方法的有效性,具备一定的应用价值。     

基于OpenFlow的SDN状态防火墙

提出了一种基于OpenFlow的状态检测防火墙系统,该方案通过在SDN控制器和交换机中添加状态表和变换流表,并根据包的类型分别制定相应的状态转换规则,实现对SDN网络状态的监测。最后,在开源控制器Floodlight和Open vSwitch上实现了一个基于状态检测的防火墙系统,并对该防火墙的性能进行了评估,结果表明基于OpenFlow的SDN状态检测防火墙能够识别不同类型的包并实现现有SDN防火墙不能实现的基于状态的细粒度访问控制。     

基于模型检测的OpenFlow多交换机数据包转发协议的分析与验证

OpenFlow协议是SDN网络中控制平面与数据转发平面之间进行交互的规范与标准,其正确性将直接影响到整个网络功能的实现。通过模型检测技术实现一种验证OpenFlow协议正确性的形式化方法。首先提取OpenFlow协议的核心子协议,即OpenFlow多交换机数据包转发协议作为验证的实例;然后运用协议行为自动机对该子协议进行形式化建模,并且通过时态逻辑描述协议需要进行验证的性质;最后给出算法验证协议模型是否满足给定的性质要求,以此检测OpenFlow协议是否存在正确性漏洞,以便对其进行修正。