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.     

SDN交换机转发规则TCAM存储优化综述

软件定义网络(SDN)将传统网络的控制平面和数据平面解耦,通过控制平面的控制器灵活地对网络进行管理,目前应用最广泛的控制协议是OpenFlow.三态内容寻址存储器(TCAM)查找速度快、支持三态掩码存储,在SDN网络中应用广泛.但TCAM成本高、功耗大,并且在存储含有范围字段匹配域的规则时候存在范围膨胀问题,因此交换机中可存储的转发规则数量,尤其是匹配域的数量和类型都比较多的OpenFlow规则数目非常有限,这成为约束SDN网络大规模扩展和应用的瓶颈.研究机构从不同角度提出了针对SDN中交换机转发规则的TCAM存储优化方案.本文从转发规则存储架构优化、本地交换机转发规则压缩、全局转发规则动态优化以及控制器参与的网络转发规则管理四个角度总结了相关研究工作,并提出了适合未来SDN网络的转发规则存储的综合优化方案.     

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.     

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。     

基于分组TCAM的T比特高性能路由器快速查找更新技术

针对传统TCAM查找更新方法复杂度高、无法满足高性能路由器线速查找转发需求的问题,提出一种基于分组TCAM的路由查找更新技术.介绍T比特高性能路由器的系统架构,提出基于分组TCAM的路由查找更新架构,以及基于统计预测的预留表项空间算法,进行路由查找更新算法的设计.搭建测试验证环境,采用MAE-WEST和MAE-EAST路由表项数据,进行线速查找转发处理性能的分析测试.     

软件定义网络中基于分段路由的多路径调度算法

针对当前软件定义网络(SDN)在应对大量数据流时造成的流表利用率低、转发响应较慢以及当前网络调度算法容易造成网络局部拥塞和负载不均衡等问题,提出一种基于分段路由的多路径调度算法SRMF。首先,SDN控制器根据网络拓扑连接情况下发初始流表;综合考虑网络链路剩余带宽、丢包率和数据流估测带宽需求进行路径权重计算;最后,根据路径权重选择最优路径并构造分段流表下发到边缘交换机。实验结果表明分段路由转发技术在多种网络拓扑下较一般转发技术在流表项开销方面有明显优势,SRMF算法与Hedera、ECMP相比,在业务流端到端时延、端到端时延抖动、网络吞吐率、丢包率等方面有一定的优势。     

基于预测缓存的OpenFlow虚拟流表高效查找方法

OpenFlow支持通配符查找,会造成严重的流表查找性能瓶颈。为此,基于网络流量局部性,提出一种OpenFlow虚拟流表查找方法。通过缓存在数据包流中近期频繁出现的连接和对应的掩码,对大部分数据包直接定位其掩码,进而查找流表,无需逐个探测掩码数组。理论分析和实验结果表明,相比于目前主流虚拟交换机中的流表查找方法OFT-OVS,该方法的平均查找长度较小,可有效提升OpenFlow虚拟交换机的数据转发性能。     

兼容IPv4和IPv6的高速路由设计

提出一种兼容IPv4和IPv6报文高速路由查找方案,方案基于TCAM技术,同时对TCAM路由表更新算法进行比较,最后采用松散前缀顺序约束算法实现TCAM路由表的更新,并在网络处理器原型设计中得到应用。方案可以满足10Gbps速率IP报文线速转发的要求。     

基于时延与负载的SDN控制器部署模型

为在软件定义网络架构中对多控制器进行合理部署,考虑时延、负载和成本三方面因素,对交换机的平均流安装时延和控制器负载方差进行建模,提出一种多控制器部署模型及其求解算法,并基于粒子群优化(PSO)算法和模拟退火算法获取最佳控制器部署方案。仿真结果表明,在部署相同数量的控制器时,相对PSO算法和随机部署算法,该算法的平均流安装时延更短,控制器负载方差更小。     

一种保持OpenFlow功能完整性的TCAM流表压缩模型

随着OpenFlow协议版本的不断更新,其在数据平面上细粒度的控制能力得到了很大提升。然而,由于表项匹配域支持的任意通配符依赖TCAM进行匹配处理,随着OpenFlow匹配域支持字段的增加,设备中的TCAM存储空间面临很大压力。为此,提出一种减小TCAM中流表存储空间的数学模型FICO(A Function-Integral TCAM-saving Compression model for flow table of OpenFlow)。FICO首先根据匹配域不同字段间的关系,将字段之间的冗余分为三种。然后基于冗余提出三种预压缩算法,分别为域间字段合并、字段映射、域内字段压缩,最终组合为更小位宽的表项被送往TCAM中进行流匹配。通过仿真表明在保持OpenFlow功能完整性的前提下,较未压缩流表,FICO可以节省60%TCAM存储空间。并且随着流表规模的增大,压缩性能保持稳定。     

基于OpenFlow的SDN技术研究

软件定义网络(software-defined networking,简称SDN)技术分离了网络的控制平面和数据平面,为研发网络新应用和未来互联网技术提供了一种新的解决方案.综述了基于OpenFlow 的SDN 技术发展现状,首先总结了逻辑控制和数据转发分离架构的研究背景,并介绍了其关键组件和研究进展,包括OpenFlow交换机、控制器和SDN技术,然后从4 个方面分析了基于OpenFlow 的SDN 技术目前所面临的问题和解决思路.结合近年来的发展现状,归纳了在校园网、数据中心以及面向网络管理和网络安全方面的应用,最后探讨了未来的研究趋势.     

一种高效的网络安全设备IP数据包转发机制

通过对IP数据包转发机制研究,针对网络安全设备对数据包转发的特殊需求,提出了一种基于(IFPLUT TCAM)的IP数据包转发机制。该机制将查找表根据输出端口分割为若干个小查找表,并允许查找引擎对每个小查找表进行并行处理,有效地将寻找“最长前缀匹配”的复杂问题简化为“第一前缀匹配”问题。     

支持压缩和多下一跳查找的路由查找方案

TCAM(ternary content addressable memory)是目前流行的一种高速路由查找技术.TCAM具有查找速度快、操作简单的优点,但同时它也具有3个明显的缺点:成本高、功耗大和路由更新复杂.路由器为了实现负载平衡以及策略路由,在路由表中保存着相当数量的具有多个下一跳的路由表项.基于TCAM技术,提出一种支持多下一跳的高速路由查找方案.方案通过两级索引表实现了多下一跳路由的存储和快速访问.为了提高TCAM的更新效率,方案还提出了一个N子空间TCAM更新算法.该算法对目前实际网络中的路由表,可达到近似O(1)的更新复杂度.为了减少TCAM的成本和功耗,方案中还使用了有效的路由压缩技术.压缩技术基于Trie树结构,实现简单.应用压缩技术,对于实际网络中的路由表,可减少20%的路由.该查找方案可以很容易地应用到未来的IPv6网络中.     

无线传感网络数据转发最佳权重选取算法仿真

为了有效提高无线传感网络数据转发的有效性和可靠性,针对传统的数据转发算法存在的数据转发率低、延时长等问题,提出一种基于蚁群优化的无线传感网络数据转发最佳权重选取算法。选择无线传感网络数据节点负载、剩余能量以及数据转发时延作为网络服务性能评价指标,利用熵权系数法自适应地确定评价指标的权重。引入数据转发链路容量和链路距离等因素建立数据转发时延最小的优化模型,利用蚁群算法的节点概率函数机制找出能同时满足时延带宽和数据转发链路容量要求的评价值最高的邻居节点,通过上述节点选取数据转发最优权重,完成数据转发。实验结果表明,所提算法在节点能量消耗、转发延迟、数据转发率等方面都优于现有无线传感网络数据转发算法。     

园区WiFi网下软定义移动通信的设计与实现

当前WiFi园区网络存在移动通信范围有限、主机地址配置受限等问题.软定义移动组网的已有研究大多集中于实现无线接入点的可编程性,其在实际部署中需要使用专用的接入点设施.以单跳有设施网络为研究目标,提出了一种园区WiFi网下软定义移动通信方案,为移动主机访问本地资源提供免配置接入和移动通信支持.其中,网络设施选择OpenFlow网络,普通接入点直接连接OpenFlow交换机.控制器负责分发包含接入位置的流表项,为移动主机提供基于名称的路由转发,并主动调整通信流的返回路径.目前已经完成系统原型开发,进行了移动通信实验,测量和分析了不同配置下的网络可用带宽和切换时延.实验结果表明,该组网模式可以实现主机的移动通信,主机网络配置和OpenFlow交换机性能对切换时延影响较小.     

能量高效的ZigBee路由算法

研究无线网络能耗优化控制问题,传统的AODVjr路由算法通过洪泛路由请求分组(RREQ)来实现路由查找和记录,利用目标节点对最先到达的RREQ分组做出响应选择出最优路径.上述方法只有目的节点才能发送RREP分组,虽可避免无效的RREP分组出现和循环问题,但寻找路由方式需要大量的路由开销,造成网络拥塞,且没有保护剩余能量低的节点,引起通信效率低的问题.针对ZigBee传感网络路由算法的不足,为降低网络节点能量消耗,提出了一种能量高效的路由优化算法,充分利用邻居表信息及簇树分布式地址分配机制,转发数据分组并控制路由请求分组(RREQ)的传播方向,通过节点路由代价及能量等级避免关键节点的能量过度消耗,有效均衡网络能耗.仿真实验验证,改进算法有效地均衡了网络能耗,延长了网络的生命周期.     

OpenFlow网络数据流路径建立开销的量化分析

OpenFlow采用数据平面与控制平面分离的架构,以软件实现的OpenFlow控制器作为控制平面对网络进行集中控制。在这种分离架构中,由于交换机需要与控制器进行交互,因此必然会产生一定的时间开销。经实验,数据流建立过程中的信息交互导致数据包传输时延至少增长2倍,严重降低了网络性能。因此,量化分析OpenFlow网络中流建立开销具有重要意义。分析流建立开销产生的原因,对导致数据包传输时延增长的影响因素进行量化分析。 评估流建立开销对网络性能的影响是量化分析数据流路径建立开销的重点。     

OpenFlow路由机制研究

OpenFlow为软件定义网络提供了一种很好的实现方案,为科研人员研究下一代互联网技术提供了一种途径.OpenFlow对二层交换支持较为成熟,但缺少对三层路由的支持.提出了一种在虚拟机上运行开源路由软件Quagga进行路由计算,利用OpenFlow控制器通过获取虚拟机的路由表来控制OpenFlow交换机数据转发的OpenFlow路由实现机制.     

TCAM路由表项管理算法优化研究

TCAM(Ternary Content-Addressable Memory)能够很好的完成最长前缀匹配,实现快速路由查找和分组转发,但是其对路由表项的有序性要求使得表项管理比较复杂.在讨论已有TCAM表项管理算法的基础上,通过分析前缀表项的统计分布特性,对路由表的空间分配进行了优化,同时引入新的基于前缀块指针管理策略,提出了一种改进的表项管理方法,提高了路由表更新效率.     

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。