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.     

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。     

一种抗恶意攻击的OpenFlow虚拟流表高性能查找方法

针对恶意攻击给OpenFlow虚拟流表查找带来的破坏性影响,构建了一种抗恶意攻击的OpenFlow虚拟流表高性能查找方法。该方法基于近似成员关系查询理论,采用布鲁姆过滤器预测元组查找失败结果,以绕过绝大多数元组失败查找操作,提高OpenFlow虚拟流表查找效率;进一步,设计了一种可扩展计数型布鲁姆过滤器,根据元组规模的动态变化进行适应性伸缩,从而始终以高准确率判定元组查找失败结果;最后,采用实际网络流量样本和模拟恶意攻击方式,评估所提OpenFlow虚拟流表查找方法的性能。实验结果表明：当攻击包与正常包分别按1:2和2:1比例混合时,所提方法的假阳性错误率始终保持在6%以下,比计数型布鲁姆过滤器降低了93%,而平均查找长度降低了90%。     

数据流特征感知的交换机流表智能更新方法

针对软件定义网络（SDN）中交换机流表匹配率低的问题,提出了数据流特征感知的交换机流表智能更新方法。首先,论述流表项的生存超时时间timeout对数据包匹配的影响,并且分析比较基于先进先出（FIFO）、近期最少使用（LRU）等一般方法存在的不足;其次,根据流表项的生存时间和数据流的特征密切相关的思想,利用基于隐马尔可夫模型（HMM）的深度流检测（DFI）技术对数据流进行分类;最后,根据流表资源和控制器计算资源状况,实现对不同类型数据流流表项的智能更新。采用校园数据中心网络行为数据的模拟实验表明,与流表更新的一般方法相比,智能方法能使流表匹配率提高5%以上,对SDN交换机的管理有实际意义。     

面向SD-DCN的OpenFlow分组转发能效联合优化模型

在软件定义网络(software-defined networking, SDN)中,OpenFlow交换机通常采用三态内容可寻址存储器(ternary content addressable memory, TCAM)存储流表,以支持快速通配查找.然而,TCAM采用并行查找方式,查找能耗高,因此有必要为OpenFlow交换机选择合适的TCAM容量,以平衡分组转发时延和能耗.针对软件定义数据中心网络(software-defined data center network, SD-DCN)这一典型应用场景,利用多优先级M/G/1排队模型刻画OpenFlow交换机的分组处理过程,进而建立OpenFlow分组转发时延模型.同时,基于网络流分布特性,建立TCAM流表命中率模型,以求解OpenFlow分组转发时延与TCAM容量的关系式.在此基础上,结合TCAM查找能耗,建立OpenFlow分组转发能效联合优化模型,并设计优化算法求解TCAM最优容量.实验结果表明：所提时延模型比现有模型更能准确刻画OpenFlow分组转发时延.同时,利用优化算法求解不同参数配置下的TCAM最优容量,为SD-DC...     

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.     

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。     

基于ARMA模型预测的交换机流表更新算法

针对SDN网络中交换机在网络流量高峰期流表匹配率低以及控制器负载过重的问题,提出了一种基于自回归移动平均（ARMA）模型预测的交换机流表更新算法。算法首先收集每个取样周期内的新增流表项数量作为历史数据,然后使用ARMA模型对收集的历史数据进行分析,预测下一个周期内新增加的流表项数量,并结合当前流表空间的使用情况,清除交换机中过去一段时间内使用频率较低的流表项。采用真实数据中心网络数据的模拟实验结果表明,与流表更新的一般方法相比,该算法有效地提高了交换机流表的匹配率,并减少了交换机与控制器之间交互的次数,降低了控制器端的负载。     

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。