主要軟件定義網絡控制器的對比和分析

陳凡+劉果+李劍鋒+但歡

摘要：在軟件定義網絡（Software-DefinedNetworking，SDN）的體系結構中，控制器是控制層的核心部件，對網絡的性能起到至關重要的作用。本文將會對SDN控制器結構和性能等多個因素進行對比和分析，并針對學術界和工業界提出的SDN控制器，分別對基于單一控制的集中式控制和基于多個控制器的分布式控制進行結構、技術特點等方面的比較與分析。

關鍵詞：軟件定義網絡；控制器；控制平面；結構分析

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.06.018

本文著錄格式：陳凡，劉果，李劍鋒，等，主要軟件定義網絡控制器的對比和分析[J].軟件，2015，36（6）：97-102

ComparisonandAnalysisofMainSoftware-DefinedNetworkingControllersCHENFan，LIUGuo，LIJian-feng，DANHuan

[Abstract]：Inthesoftware-definednetworkingarchitecture，controlleristhekeycomponentofcontrolplane，whichplaysanextremelyimportantroleforthenetworkperformances.ThispapermakescomparisonandanalysisfortheSDNcontrollerarchitecture，performances，andsoon.Meanwhile，consideringtheSDNcontrollersproposedbyaca-demiaandindustry，thispaperanalyzesandcontrastsfeaturesofthesinglecontrollerincentralcontrolplaneanddis-tributedcontroller，includingarchitecture，technicalcharacteristic，etc

[Keywords]：Software-definednetworking（SDN）；Controller；Controlplane；Structuralanalysis

0引言

當前因特網的網絡規模急劇膨脹和網絡應用快速增多，此外，類似于高性能需求的數據中心及其網絡也出現并得到大力發展，傳統的網絡架構已經很難以適應這種變化。軟件定義網絡（SDN）2009年提出以來[1]，是當今非常熱門的網絡架構之一，它將數據與控制層面分離，并采用集中控制，有著硬件選擇靈活、部署時間更短、可編程和成本低等多種優勢，主要以OpenFlow協議作為其核心通信協議[2]可以滿足現有網絡變化的需求。目前，國內對OpenFlow和SDN的商業價值、技術和可編程的設計進行了相關研究[3，4，5]。

作為SDN架構中控制層的核心部件，SDN控制器負責管理整個網絡設備和資源，對網絡的良好運行起到至關重要的作用。針對不同的網絡環境，學術界和工業界已推出各種控制器，如NOX[6]、Beacon[7]、Floodlightc8]等，以及一種功能、接口全面的理想化SDN控制器結構[9]。此外，針對網絡規模的急劇膨脹，網絡性能和擴展性更高的分布式SDN控制器也已被提出，如HyperFlow[10]和Kandoo[11]等。

本文將介紹學術界提出的理想化SDN控制器結構，接著分析適用于較小或中等網絡規模的單一控制器，最后對多個控制器的分布式控制結構和技術特點進行概括和分析。

1SDN控制器結構

ONF（OpenNetworkingFoundation）提出了一種已被學術界、產業界普遍認可的SDN典型的體系結構[12]。該SDN體系結構由下到上分別為轉發層（基礎設施層）、控制層和業務層（應用層）。其中轉發層表示網絡底層的物理轉發設備，維護著流表結構；控制層集中管理網絡設備和資源，并負責流表的生成和配置，同時為業務層提供北向接口；業務層根據不同的應用需求實現不同功能的應用程序。控制層通過南向接口與轉發層進行通信，并獲取轉發層的網絡設備的信息；控制層與業務層之間由可擴展的北向接口完成通信。

SDN控制器既為上層業務層的網絡應用提供轉發層的網絡設備狀態信息，還生成、配置底層網絡設備的流表，是連接上層業務層和底層轉發層的橋梁。NadeauTD和GrayK給出一種理想化的SDN控制器框架[9]，如圖1所示。

該理想化SDN控制器提供以下主要功能[9]：

網絡狀態的管理，通過一些數據庫保存網絡設備和SDN應用程序的控制、狀態和配置等信息。

高級數據模型，用以描述所管理的網絡資源、相應策略和控制器所提供其它服務之間的關系。

完善的北向接口（RestAPI），提供業務層的應用程序使用，為應用程序和控制器之間的通信提供一種接口，達到網絡管理的目的。

基于標準的、協議適配功能，配置轉發層中的網絡設備上應用程序的驅動狀態。

網絡設備、拓撲和虛擬網絡的管理。

制定路徑計算的系統，通過路徑計算單元（PCE）服務器完成路徑計算和協議支持。

可靠的會話，通過TCP連接在控制器和網絡設備之間建立可靠的會話。

控制器的開發效率、支持的南向接口協議和性能等諸多因素都會影響開發者和研究者的選擇。針對SDN控制器的性能評測，當前研究主要采用兩個性能指標[7，1314]：

控制器單位時間內響應和處理的消息數目。

控制器平均處理每個消息的時延。

由于從網卡讀取OpenFlow消息和同OpenFlow交換機之間的通信是OpenFlow控制器操作流程中最耗時的一部分[14]。若將OpenFlow控制器作為一個模塊嵌入到系統內核中，控制器讀取OpenFlow消息和同OpenFlow交換機通信的時間將減少，這將極大地增加控制器單位時間內處理消息的數目和降低控制器的處理時延[14]。

2支持集中控制的控制器

SDN控制層中的控制平面最初通過部署單一控制器實現。本文給出的幾款學術界和工業界所推出的采用單一控制器實現控制的SDN控制器，并對它們開發語言和所支持的系統環境等方面進行分析。

2.1NOX、NOX-MT和POX

Nicira團隊開發一款網絡操作系統NOX[6]，并在2008年將其捐給了研究社區，它是第一個開源OpenFlow控制器，采用異步的和基于事件的編程模型，其最初的版本是由C++和Python兩種編程語言實現的，只支持單線程的操作。NOX提供了C++或者Python的應用編程接口（API），并采用了基于組件的框架來開發應用程序‘9]。

針對NOX的單線程操作方式，Toronto團隊提出了具有更強大性能的控制器NOX-Mr[13]。MOX-MT采用傳統的并行技術，提高NOX單位時間內處理消息的數目并降低其響應時延。但它并沒有改變NOX的基本結構，也不能解決NOX的性能缺陷，如基于每個請求的過多內存拷貝和大量使用動態內存分配等[10]，并且從NOX升級更新到NOX-MT，也不會產生前后不一致的問題[15]。

POX[16]是由NOX團隊開發的一款更新的、完全基于Python的控制器，它的事件處理機制和編程模式與NOX是一致的，采用了多線程的操作方式。POX具有路徑選擇、拓撲發現等提供了可重復使用的組件，并提供了一套基于Python的OpenFlow接口，支持與NOX相同的圖形用戶界面（GUI）和虛擬化T具。

2.2Ryu

Rvu[17]是日本NTT公司開發的一款基于組件的開源SDN控制器，完全由Python實現，并支持Python在其上開發應用，在Ryu的消息服務中也支持其它語言開發的應用。Ryu支持多種南向接口協議，其中包括OpenFlow、Netconf和OF-config等。Ryu通過定義好的API提供了完備的組件，如消息機制、應用程序管理、事件管理等，同時它還提供了二層交換機、偵測、GRE隧道抽象等的應用程序和服務‘9]。

2.3Beacon

Beacon[7]是斯坦福大學在2010年設計開發的一款基于Java的開源SDN控制器，采用了多線程的操作方式，有著較高的性能和較強的穩定性。Beacon提供的應用組件包括拓撲、設備管理和路由等控制平面所需的通用功能，并通過OpenFlow協議管理網絡設備，同時它還支持用戶白定義的應用。Beacon向開發者提供了一系列相關的shelf庫和API，并提供了一個基于WebUI的管理控制。Beacon通過提供用戶界面OpenServiceGatewayInterface（OSGI）.使開發者可以在Beacon運行狀態下動態地添加或者刪除模塊。在v1.0.2版本的Beacon中，定制版的I/O設計進行了性能的優化，因此新版本的Beacon有著強大的性能[7]。

2.4Floodlight

Floodlight[8]1是由BigSwitch公司基于Java開發并捐獻給開源社區的一款企業級SDN控制器，采用Apache2.0license開源協議標準和多線程的操作方式，提供了可視化的WebUI。BigSwitch公司的商業版控制器BigNetworkController（BNC）與Floodlight的架構和API是共享的，所以基于Floodlight的應用程序可直接運用在BNC上。

Floodlight采用了模塊化的核心架構，其中包括設備管理、Web訪問和管理、拓撲管理等[5]，并提供了一個模塊加載系統，以便輕松地進行模塊的拓展和增強。通過提供一系列可擴展的RESTAPI和事件通知系統，開發者可以獲取網絡設備信息和設置控制器的狀態。由于其核心架構來自于商業的BNC控制器，Floodlight有著較為強大的性能，但由于Floodlight是基于未對I/O進行優化的Beacon源碼開發的，所以Floodlight的性能不如優化后的Beacon[7]。

2.50penDaylight

OpenDaylight[18]是由Linux基金聯合Cisco、Juniper等多家網絡設備廠商和軟件公司提出的一個項目，目的是為實現一個具有網絡可編程性的開源平臺，以便靈活地部署SDN和為網絡功能虛擬化（NFV）創建一個堅實的基礎。

OpenDaylight有著一套模塊化的、插件化的SDN控制器，其控制器的架構分為三個層次，分別為南向協議插件、服務抽象層和北向應用功能[19]。服務抽象層（ServiceAdaptationLayer，SAL）將南向協議插件和北向應用插件分開，它支持多種南向協議插件，并將南向協議標準換轉為北向應用可使用的請求服務，同時將北向應用的消息轉換為符合南向協議的格式，保證了南向協議的透明性。OpenDaylight控制器支持的南向協議插件除了OpenFlow之外，還有Netconf、邊界網關協議（BGP）和PathComputationElementProtocol（PCEP）等，這也是與ONF的SDN架構的最大區別，ONF的SDN架構的南向協議插件通常只支持OpenFlow[20]。

2.6綜合比較

下面對以上幾款支持集中控制的SDN控制器主要特征和參數進行對比和分析（表1）。

控制器的主要開發語言是Python、C++和Java，其中基于Python的控制器易于上手、靈活性好，基于C++的控制器可提供良好的性能，基于Java的控制器則有著豐富的API。

除NOX外，其余的SDN控制器均采用了多線程的操作方式。同時，除早期的NOX、NOX-MT和POX控制器不支持OpenStack外，隨后的SDNI控制器均可在OpenStack上部署，這說明OpenStack的支持已成為SDN控制器的設計趨勢。

為了降低部署成本和提高部署靈活性，支持多種南向協議接口已經成為SDN控制器的發展趨勢。

3支持分布式控制的控制器

針對于規模較小的網絡，集中式控制可以較為理想地管理網絡資源和網絡設備。但是，通常一個規模較大的網絡被劃分為多個不同的域，若采用了單一控制器的集中式控制，控制器與跨域的交換機之間的通信將會產生較大的時延，從而影響控制器的性能和擴展性[21]。因此，分布式控制是基于SDN的大規模網絡的發展趨勢。分布式控制的基本思想就是在每個域內部署一個或者多個控制器，控制器之間通過協議統一管理網絡設備的資源。

分布式控制的結構主要可分為兩種[21，22]：層次SDN控制和扁平SDN控制。圖2給出一種典型的層次SDN控制結構，不同的控制器被分配到不同的層面上，局部控制器處理其所在域內的大多數底層數據通道事件和屏蔽更高的層面；根控制器（全局控制器）控制局部控制器，并完成局部控制器之間的交互。

圖3中所示的為扁平SDN控制網絡結構[21]，每個域的管理由域內的控制器完成，整個網絡中的所有控制器都在同一層面上，網絡狀態或拓撲結構的更新將會同步到所有的控制器中。

3.1HyperFlow

HyperFlow[10]是在2010年提出的第一款基于事件的分布式控制器，通過將其作為一個NOX上的一個應用程序的方式實現。通過在一個規模較大的網絡內部署多個控制器，所有的控制器共享相同的全局網絡視圖，并采用消息的發布/訂閱模式通信[23]，每臺控制器處理本域內的服務請求而不需要和任何遠程節點建立連接，減少了流表的建立時間。HyperFlow是基于一個分布式文件系統WheeIFS設計的，并采用文件更新的形式實現控制器之間網絡事件的傳遞。雖然，HyperFlow實現簡單（對NOX的少量修改），但其性能較低，并在網絡規模較大或網絡事件更新頻繁的情況下，控制器之間的通信會產生較大的開銷。

3.20nix

Onixc24]是在2010年提出的一款面向大規模網絡的分布式控制器，其架構主要由物理基礎設施、連接基礎設施、Onix和控制邏輯四部分組成。在Onix網絡中，一個網絡信息庫（NIB）維護著全局網絡狀態，NIB既是Onix控制模式的核心，也是Onix分布模式的基礎，網絡控制應用通過讀和寫NIB內的信息完成部署，通過維護NIB的分發機制，確保網絡狀態信息的一致性。

3.3Kandoo

Kandoo[11]是在2012年提出的一款基于層次的SDN控制的分布式控制器，它將控制器劃分到了不同的層面上，分別為頂層的根控制器和與頂層網絡設備相連的局部控制器（如圖3所示），根控制器負責全局的管理和控制器之間的通信，局部控制器負責本地信息的管理。在Kandoo網絡中，交換機首先請求信息發送給本地的局部交換機；若局部交換機可以處理該請求，則發送回復信息給交換機，否則轉發給根控制器；這有效地降低了根控制器的處理負擔和交互頻率。

總之，分布式SDN控制器的提出主要是為了解決單個控制器的集中式控制中的控制器性能無法保證、跨域請求時延過長等問題。表2對4.1到4.3中介紹的3種分布式控制器進行了總結。

4總結

SDN的可編程、數據與控制平面分離和集中式控制等多項優勢使得網絡的部署和管理變得靈活、智能和方便。SDN控制器的發展歷程從單線程、單一的南向協議接口和單一控制器的集中式控制到多線程、多種南向協議接口的支持和多個控制器的分布式控制，并且支持在OpenStack上的部署已經成為控制器的設計趨勢。本文介紹和分析了理想化的SDN控制器、單一控制器的集中控制和多個控制器的分布式控制等方面的結構和特點；并對比了單一控制器的集中控制平面中的每個控制器的開發語言、南/北向接口、運行環境等方面。同時，還對當前主流的三款分布式控制器的所采用的結構和技術特點進行了總結。

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