SDN中一種基于拓撲變換的功能組合方法

席孝強，蘭巨龍，段通，江逸茗

（國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

研究與開發

SDN中一種基于拓撲變換的功能組合方法

席孝強，蘭巨龍，段通，江逸茗

（國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

現有軟件定義網絡（SDN）中的功能組合方法大多都在單節點內進行，均未考慮單節點交換機的功能承載力。為此，首先提出一種基于拓撲變換的功能組合方法，通過拓撲變換將功能組合分散到多個節點中進行處理。其次，將拓撲變換建模成0-1線性規劃問題并提出了綜合搜索算法進行求解。最后，基于NetFPGA-10G和Ryu控制器完成了所提功能組合方法的原型系統實現。實驗結果表明，與現有方法相比，所提出的功能組合方法在降低流處理時延和存儲開銷的同時提高了組合效率。

軟件定義網絡；拓撲變換；功能組合；NetFPGA-10G

1 引言

軟件定義網絡[1]（software defined networking，SDN）將控制功能從底層網絡設備中剝離出來，實現了控制平面與數據平面相分離。其中，控制平面通過北向接口與應用層交互以實現多樣的網絡業務功能，通過南向接口（OpenFlow[2]等）實現控制器與交換機的交互，使網絡功能以表項的形態存在于數據平面。SDN支持大數據、云計算等多樣化新興網絡業務，這些業務往往需要多個功能（如監控、路由、負載均衡、NAT、接入控制等）共同作用于數據分組，然而，如果將各種不同的功能都包含于單個應用內，會導致不同功能生成的表項相互覆蓋，也會使網絡應用中的功能邏輯變得錯綜復雜，進而增加應用開發難度。Monsanto C等人[3]指出模塊化可以降低SDN軟件系統開發的復雜度，并提出將SDN中應用轉為多個可以同時協作處理網絡數據分組的功能模塊組合，從而降低SDN應用的邏輯復雜性并提高可擴展性。產業界中，在城域網中SDN技術可以實現業務的智能控制與多樣化，通過利用策略和業務鏈中的功能組合，可以為不同用戶靈活定制差異化的業務服務。尤其是近年來在SDN中引入NFV技術，改變了設備狀態，簡化和開放了網絡能力，并逐漸凸顯出網絡功能在新型網絡體系結構中的重要性，這就使得網絡功能編排成為產業界的一個研究熱點。

每個功能都會生成相應的功能表項并下發至數據平面，因此，功能模塊組合問題可以轉化為表項組合問題。參考文獻[4,5]中提出了網絡編程語言Frenetic，將功能生成表項進行并行組合，實現了多個功能（如路由、監控、計數）同時作用于數據分組。隨后，又提出了優化的模塊化編程語言Pyretic[3]，并增加了功能表項的串行組合方案，從而實現了不同的功能先后作用于數據分組（如一個被接入控制功能處理后的數據分組再經過路由功能處理）的效果。以上工作基于OpenFlow單級流表[6]實現，面臨表項存儲開銷大等問題。為此，參考文獻[7]基于OpenFlow多級流表[8]實現了SDN功能模塊的串行和并行組合，并針對任意多級流表結構提出了相應組合算法，降低了表項開銷和應用開發復雜度。

以上研究中提出的功能組合方案均基于單個網絡節點，當應用下發所需的功能數量超過單個交換節點的承載能力時，以上方法均難以處理。而考慮到單個交換機的功能承載力十分有限（承載功能的個數約等于流表級數），因此以上方法在實際應用中存在較大局限性。為此，參考文獻[9]從可重構網絡[10]中引入元能力概念，提出一種基于元能力的SDN功能組合機制，通過多個交換節點協作的方式將功能組合分散到多個交換機內進行，從而減小單個交換機的開銷，但在該方法所預設的應用場景中，功能表項是提前下發到交換機中的，并不符合SDN實時下發流表項的特性。

綜上所述，如何基于多交換節點進行SDN中的功能組合是一個有待解決的問題。為此，本文提出了一種基于拓撲變換的SDN功能組合方法，該方法在控制器中完成組合策略的分析，當所需功能數量大于單個節點的承載力時，對發送給各個功能模塊的網絡拓撲進行虛擬變換，然后將各個功能生成的表項分散到虛擬變換的幾個節點中，從而在不影響上層功能處理邏輯的同時實現了多功能組合處理。最后，在Ryu[11]控制器內實現了該功能組合模塊的原型系統。

2 功能組合整體架構

本文所提的功能組合方法在控制器中實現，其整體架構如圖1所示，由功能組合模塊、功能庫以及組合策略等部分組成，其中，功能組合模塊完成策略分析、拓撲構建、表項下發等任務。根據網絡業務功能需要，上層應用下發組合策略。組合策略中包含多種有序編排的網絡功能，功能對應生成相應的表項并下發到OpenFlow交換機中完成對數據分組的處理。策略分析模塊用來接收組合策略并進行分析，判斷組合策略中的功能數是否超過單個交換機功能承載力，如果超過，則拓撲構建模塊將獲取的底層抽象拓撲進行虛擬變換。拓撲構建模塊用來生成虛擬網絡拓撲以供上層功能模塊使用，其首先根據底層實際物理網絡拓撲生成抽象拓撲，然后根據策略分析模塊的處理結果決定是否對抽象拓撲進行拓撲變換。控制器根據組合策略從功能庫中調用處理數據分組所需的功能，并將功能生成表項下發到表項下發模塊。表項下發模塊根據拓撲構建模塊傳來的網絡拓撲，決定將功能表項下發到單個或者多個OpenFlow交換機中。

2.1 功能庫

功能庫，是指在SDN控制器上運行的各種不重疊的網絡功能模塊的集合，其中包含常見的網絡功能，如監控、接入控制、路由、轉發等。功能庫的存在使得在設計不同的SDN應用時不用再重新開發功能的實現模塊，而僅需通過下發組合策略的方式，并用功能組合模塊從功能庫中獲取相應的功能。控制器將功能相應表項下發到交換機中，從而實現業務所需的多功能處理，避免了不同應用中相同功能模塊的重復開發。

2.2 組合策略描述

面對網絡業務的多樣化需求，上層應用通過下發組合策略的方式實現業務對數據分組的多功能處理。組合策略由目標集和功能集組成。目標集是指被處理的數據流集合，如在異常檢測過程中處理{SrcIP=192.168.2.1/16;DstIp=192.168.3.3/16}的數據流；功能集是指處理目標集中數據流所需功能的有序集合，即功能組合鏈，對目標數據流的操作必須包含功能組合鏈中的所有功能。功能組合鏈和組合策略的形式化描述如下。

圖1 功能組合整體系統結構

定義1 （功能組合鏈）網絡業務所需各種功能有序排列的集合，在應用層表現為功能的排列，即邏輯功能組合鏈；控制層根據底層網絡拓撲將功能組合鏈向下映射到數據層，得到功能組合實例鏈，并以下發流表項的方式實現上層的組合鏈。F是功能集合，且F≠。功能序列Fp就是一個功能組合鏈。

通過一個例子簡要說明。管理員希望用戶在訪問IP地址為10.10.21.1/24的服務器之前，要經過負載均衡、監控、計數功能處理，所以該組合策略可以表述為＜{SrcIP=192.168.2.1/24,DstIP=10.10.21.1/24},{load-balance,monitor,count}＞。

2.3 拓撲變換

拓撲變換是指控制器從底層網絡獲得抽象拓撲后，根據策略需求將源節點附近若干能與其形成到達目的節點的數據流通路的節點看成一個虛擬節點而完成的虛擬變換。經過拓撲變換，控制器可以將下發到源節點交換機的功能表項改為下發到一個虛擬節點中，然后再將功能表項分散到虛擬節點內的多個物理節點中，從而解決單點交換機承載能力有限的問題。為方便后文敘述，定義單個節點的功能承載力。

定義3 （功能承載力）OpenFlow交換機同時執行功能表項對應動作的能力，以能夠同時執行的動作指令的數量定義功能承載力。當處理數據分組所需功能較多時，對應下發到交換機中功能表項也較多，而交換機的表項容量以及動作執行數量均有限，就可能導致單個節點無法承載多個功能處理。假設單點交換機的功能承載力為N（約為流表級數）。

根據網絡業務功能需要，上層應用下發組合策略，控制器分析組合策略，根據網絡拓撲從功能庫中獲取相應功能并生成表項下發到源節點交換機中，即在單節點內完成功能組合。當功能需求超過單個節點的功能承載力時，控制器會根據變換后的拓撲將功能表項下發到多個交換節點中，假設需要M個功能，單節點功能承載力為N，則需要將功能表項下發到[M/N]+1個交換機中，功能表項與交換機的對應關系由拓撲變換方法得出（見第4節）。

單節點內的功能表項組合，就是將不同功能表項匹配域與動作集進行拆分合并，然后用多級流表進行連接，route（路由）和 load-balance（負載均衡）的示例如圖 2所示，具體組合方法見參考文獻[7]。由于并行組合方法是串行組合方法的一種特殊情況，所以將參考文獻[7]中串行和并行組合方法進行合并，并統一用&表示；對于多節點內功能表項組合，就是將相應功能表項放在不同交換機上進行連接，monitor（監控）、route、load-balance、count（計數）與NAT的示例如圖3所示。

圖2 單節點內功能組合示例

通過一個簡單例子具體說明拓撲變換的過程，如圖4所示。假設組合策略的功能集為{monitor，count、load-balance，NAT}，單點交換機的功能承載力N=2。當數據流到達源點交換機E6時，通過分析組合策略判定需要進行拓撲變換，通過拓撲變化方法得到需要變換的節點以及執行路徑{E6-E4-E5-E3}，即將節點E6、E4看成一個虛擬節點E0完成變換，如圖4所示。最后下發功能表項時，將monitor與 count組合表項下發到 E6，將 load-balance與NAT組合表項下發到E4。

3 功能組合問題建模

3.1 問題描述

將單節點功能承載力作為功能組合的影響因素，是本文的一個創新點。因此，本文提出SDN中基于全局網絡拓撲的功能組合問題并對其進行建模。

定義4 （功能組合問題）對于給定的組合策略、底層網絡拓撲，控制器為策略規定的功能組合鏈尋找一條最優執行路徑并將相應的功能表項下發到底層OpenFlow交換機中。是功能集中相應功能映射到底層拓撲的一條執行路徑。定義SF={s1,s2,…,sm,…,si,…,sn}是功能集F的一條執行路徑，且需要滿足下列條件:

· 節點 si與 si+1是相互連通的，1≤i≤n-1；

·{s1,s2,…,sm}是功能集映射到底層拓撲的節點集；

·s1是源節點，sn是目的節點。

多節點內的功能組合過程可建模為“組合策略—執行路徑—交換機表項”的兩級映射過程，即“組合策略—執行路徑”的映射和“執行路徑—交換機表項”的映射，定義如下。

定義6 （“組合策略—執行路徑”映射）將組合策略P中的功能集作為功能組合鏈，以業務需求為約束條件，為每個功能組合鏈選取最優的執行路徑，即將功能組合鏈中功能映射到底層拓撲交換機中，形成從源節點到目的節點的數據流通路。映射過程可以表示為h:P→SF，其中，P={＜Op,Fp＞|Op?O,Fp?F}，SF是功能組合鏈 F 的執行路徑。

定義7 （“執行路徑—交換機表項”映射）根據功能組合鏈與底層網絡拓撲的映射關系，將功能相應表項按次序下發到底層OpenFlow交換機中。映射過程可以表示為g:SF→EF，EF表示執行路徑中交換機的表項，其包含功能表項和普通表項。

圖3 多節點內功能組合示例

圖4 拓撲變換示例

一個“組合策略—執行路徑—交換機表項”的映射過程示例如圖5所示。該組合策略的目標集為 (src=W1,dst=

執行路徑的形式化描述見定義5，其中，符號“?”表示功能所在節點交換機。

定義5 （執行路徑）F是功能集合W6),首先將邏輯功能組合鏈映射到底層拓撲交換機上，得到從W1到W6的執行路徑，圖5中陰影的節點是功能組合鏈映射到底層拓撲的節點。然后根據“組合策略—執行路徑”的映射關系，控制器將表項下發到交換機中，得到E1到E6的表項，圖5陰影的表項是功能組合鏈對應生成的功能表項；非陰影的表項是普通表項，僅起到連接的作用。

圖5 “組合策略—執行路徑—交換機表項”映射過程

3.2 “組合策略—執行路徑”映射

底層網絡拓撲用G(V,L)表示，其中，V表示交換機節點集，L表示執行路徑的鏈路集合。“組合策略—執行路徑”映射，即把組合策略中的邏輯功能組合鏈映射到底層網絡拓撲，得到執行路徑。假設應用下發組合策略P，通過形式化的描述對該映射過程進行建模，稱其為功能組合模型。從源節點到目的節點有多條執行路徑，通過選取最優執行路徑，最小化鏈路代價。本文計算鏈路代價，考慮執行路徑距離代價、流表空間耗費參數與最小節點數目對鏈路代價的影響。

由于現有網絡路由算法均以最小化路徑距離代價為設計目標，低的路徑距離代價可以降低系統能耗。因此，執行路徑的距離代價依然是本文優先考慮的因素。對于流表空間耗費而言，由于功能表項不止一條，而交換機流表存儲空間有限，如果流表存儲空間占用過大，會降低交換機處理性能，導致分組丟失率和處理時延增大。因此，流表空間耗費是選擇執行路徑時需要考慮的關鍵因素之一。最小化節點數目可以降低交換機總體存儲開銷，減少系統資源占用。

模型用式（1）～式（6）進行表示，表1中給出主要符號的含義。

表1 描述中主要符號的含義

優化目標：

式（1）是該模型的優化目標，最小化執行路徑的代價，其中，N表示拓撲中節點數目，M表示功能集中的功能數。式（2）中R表示承載功能所需最小節點數目，T表示交換機流表級數。式（3）表示歸一化后的執行路徑距離代價。式（4）表示歸一化后的流表空間耗費，在選取執行路徑的前R個節點時需要考慮，因為功能生成表項條目較多，而普通表項只有一條，起到連接轉發的作用，所以普通表項空間耗費可以忽略不計。式（5）表示兩個放縮系數應滿足的條件，可以用來調節執行路徑距離代價和流表空間耗費這兩個因素的重要程度比例。式（6）表明該問題的解空間取值為0或1，即該問題為0-1線性規劃問題。式（7）保證所選執行路徑從源地址s到目的地址t的可達性。

3.3 “執行路徑—交換機表項”映射

“執行路徑—交換機表項”映射是一個表項下發的過程，控制器根據“組合策略—執行路徑”映射中所選的執行路徑 SF={s1,s2,…,sm,…,sn}，將功能表項下發到進行拓撲變換的交換機上，將其他普通表項下發到執行路徑的其余交換機上，這些流表項僅起到連接的作用。該過程可以表示為 SF?EF，EF={siei,1≤i≤n|e1,e2,…,em,…,en}，其中，{e1,e2,…,em}是功能表項，其余的為普通表項。

4 拓撲變換方法

拓撲變換方法其實就是在源節點附近尋找R-1個節點（R同式（2）），確保這R-1個節點在從源節點到目的節點的可達執行路徑上，并滿足所需的約束條件。其實就是從源地址到目的地址間找到一條鏈路代價最小的執行路徑，執行路徑中的前R個點（包含源節點在內）就是需要進行拓撲變換的節點。由第2.2節中得到執行路徑的選取是0-1線性規劃問題，即拓撲變換方法也是0-1線性規劃問題。為求解該問題，本文基于鏈路代價提出一種節點搜索算法——綜合搜索算法。

4.1 綜合搜索算法

綜合搜索算法可以減小搜索范圍，在保證所選執行路徑滿足所需約束條件的前提下，最小化鏈路代價。該算法的過程是：在滿足約束條件的前提下，從源節點出發搜索其鄰接點中路徑代價最小的點（路徑代價包括兩點之間的距離代價與節點的流表空間耗費之和），并將其記錄；然后從該節點出發，搜索其鄰接點中路徑代價最小的點，參照上述過程，直到搜索到第R個（含源節點）滿足條件的節點；繼續搜索節點時，只考慮路徑距離代價，直到搜索到目的地址為止，最終得到鏈路代價最小的執行路徑，即最優執行路徑。

算法1 綜合搜索算法

輸入 網絡拓撲G(V,L)及其鄰接矩陣W、組合策略P及其目標集{src=vi,dst=vt}。

輸出 最優執行路徑SFP及拓撲變換的節點集。

Src=vi,SF-Set=[vi] //源節點vi是執行路徑的第一個

節點，SF-Set表示執行路徑節點集；

for j=1:N

while(len.SF-Set＜R&&w(i,j)=1)do//從源節點出發，搜索其鄰接點，w(i,j)=1表示節點vi與vj相鄰；

if vj≠vi&&min f(y)then //搜索代價最小節點，并且節點集長度小于R時，搜索的節點不能是目的節點；

SF-Set=[SF-Set,vj]，i=j//更新執行路徑節 點集 ，更新搜索起點；

end if

end while

while(len.SF-Set≥R&&w(i,j)=1)do

if min h(y,n)then//當執行路徑節點集大于或等于R時，以最小距離代價為條件進行搜索，當vj=vi時停止搜索；

SF-Set=[SF-Set,vj]，i=j//更新執行路徑節點集，更新搜索起點；

end if

end while

end for

4.2 算法分析

在節點尋找問題上，一般使用窮舉算法，從源節點出發，搜索整個拓撲中滿足約束條件的節點，假設網絡拓撲中有N個節點，窮舉算法的時間復雜度為O((N-1)!)。而本文所提綜合搜索算法綜合考慮鏈路代價與計算復雜度，并在它們之間尋求平衡，搜索空間較小，其算法時間復雜度為O((N-1)2)。當網絡中節點較多時，綜合搜索算法搜索空間較小，時間復雜度較低，明顯優于窮舉算法。

5 實驗分析

5.1 基于Ryu的原型系統實現

[12]中提出的Application-aware是在交換節點內加入功能組合模塊（App和App table），數據平面通過在控制平面調用所需功能完成功能組合。然而，該方法需要修改控制平面與數據平面之間交互的OpenFlow協議，這會導致開發難度大，交換機復雜度高。參考文獻[7]將功能組合模塊放在控制器中，針對單節點交換機完成功能組合并下發表項，并未考慮單節點交換機功能承載力有限的問題。因此，在上述基礎上將功能組合模塊放置在Ryu控制器中，并且考慮到單節點功能承載力有限的問題，在模塊中加入策略分析、拓撲構建、表項下發等模塊，通過分析策略所需功能，完成在單節點或者多節點下發功能表項。

控制平面中引入功能組合模塊改變了傳統SDN處理數據流的過程。當數據流到達OpenFlow交換機時，如果數據流匹配到交換機中的流表項，則執行對該數據流的相關處理；如果未匹配成功，則將數據流頭部封裝分組的packet in消息上傳至控制器，交由功能組合模塊進行處理；數據流頭部信息匹配組合策略，從而得到處理數據流所需功能，如果未匹配到相應組合策略，則交由控制器其他組件進行處理；匹配后判斷是否超過單節點功能承載力，并決定將功能表項下發到單節點還是多節點交換機中，以完成對數據流的多功能處理。

為了實現文中所述功能組合方法 （control plane function composition，CPFC），基 于 NetFPGA-10G[13]平 臺 和Ryu控制器設計并實現了CPFC的原型系統，如圖6所示。在數據平面，采用NetFPGA-10G實驗平臺，現已實現最大支持OpenFlow 1.3[8]協議的4級流表串聯的流水線處理機制，可實現路由、轉發、計數、負載均衡等功能，為了更好地進行對照實驗，實驗時限制節點流表級數為兩級。NetFPGA-10G板卡通過PCIe插槽插在工控機中，工控機中運行OpenFlow agent軟件包，以實現與控制器的互聯。控制平面采用Ryu控制器，Python語言編寫的Ryu提供強大的API，有利于網絡應用的開發，而且Ryu自帶一些功能模塊，如防火墻、路由、交換等。

5.2 功能組合性能分析

采用第5.1節提到的CPFC原型系統對CPFC的性能進行仿真分析，實驗仿真拓撲如圖7所示。本文采用參考文獻[14]中提到的仿真驗證方法，基于NetFPGA-10G構造6個交換節點，各節點由Ryu控制器控制并下發流表。該實驗拓撲用來實現用戶向視頻服務器請求視頻服務，實驗時上層組合策略為＜{SrcIP=192.168.2.146,DstIP=192.168.3.3},{monitor,route,load-balance}＞，各功能表項具體如圖8所示。實驗時各NetFPGA-10G節點均限制為兩級流表，每級流表由64條表項組成，每條表項寬度是 64 bit的匹配域（存于 TCAM中）和 380 bit的動作域（存于SRAM中）。采用綜合搜索算法得到的最優路徑為 E1-E3-E4-E6，因此在 E1上下發 monitor和route對應功能表項，在E3上下發 load-balance對應功能表項。

圖6 CPFC原型系統

圖7 實驗拓撲

圖8 具體功能表項

實驗與參考文獻[12]的數據平面組合方法（data plane function composition，DPFC） 和 NFC （network function composition）[7]進行對比。實驗時，CPFC的功能組合均在多節點中進行，單節點內功能組合的思想來源于NFC，后續仿真分析不再討論。本文采用與參考文獻[7]中相同的實驗方法，利用數據分組測試工具packet sender從網口發送10 Gbit/s數據分組，分別記錄 DPFC、NFC、CPFC 3種方法的單節點流處理時延情況，如圖9所示。從圖9中可以看出，NFC和CPFC的流處理時延明顯低于DPFC，這是由于在控制平面調用功能模塊比在數據平面調用控制平面內功能模塊的時延小。隨著數據分組流量的增大，3種方法的時延均變大，當數據分組流量超過單個節點的處理能力（約350 Mbit/s）時，CPFC較NFC的時延增速顯著下降，這是由于CPFC將功能組合分散到多個交換機中，會減少單個交換機的負載。從圖9中還可以得出，對于源地址重寫所帶來的時延，DPFC低于NFC和CPFC，因為對于簡單的轉發功能來說，DPFC可以直接在交換機中處理，而NFC和CPFC還要調用控制平面中的功能組合模塊進行判斷。

5.3 組合效率分析

在功能組合效率方面，Frenetic、Pyretic利用OpenFlow單級流表結構將不同功能生成表項進行合并，完成功能組合，NFC則利用OpenFlow多級流表結構，對不同功能生成表項的匹配域進行判斷后，進行拆分與合并，并用多級流表進行連接；以上功能組合方法均是在單節點交換機中完成的。為與以上功能組合方法進行對比，本文采用參考文獻[3，4，7]中提到的 3 類功能表項 monitor、route、load-balance進行驗證，隨機生成1 000～7 000次組合策略，得到不同功能組合方法生成表項的時間，如圖10所示。Frenetic和Pyretic分別是在單級流表上引入功能并行組合與串行組合方法，這兩種方法需要判斷表項匹配域的可合并性以及對表項進行合并，所以時間復雜度較高，表項生成時間較長。NFC利用多級流表結構分別實現功能串行和并行組合，由于多級流表表項合并流程復雜度比單級流表高，所以NFC時間復雜度最高。而所提功能組合方法直接對各個功能表項進行下發和連接，省去了表項合并的時間，因此表項生成時間最短，即功能組合效率最高。

圖9 流處理時延對比

5.4 表項存儲開銷分析

對于兩個功能產生的表項，A有M條，B有N條，則Pyretic的存儲開銷為M×N，因為A和B的每一條表項均需要進行合并；NFC的存儲開銷則與多級流表結構有關，若交換機有K級流表，則其存儲開銷近似為(M×N)/K；CPFC則直接將不同功能的表項下發至不同交換機的流表，因此其存儲開銷為M+N；當M和N較大時，CPFC的存儲開銷更低。考慮到匹配域字段放在TCAM中，動作字段放在SRAM中。采用第5.3節中提到的3種功能表項，圖11給出了4種功能組合方法對應表項存儲開銷對比。NFC由于使用多級流表結構對匹配域進行判斷合并，所以該方法較Frenetic與Pyretic節省了寶貴的TCAM資源。CPFC方法也使用多級流表并將不同功能表項下發到不同交換機的流表，在SRAM資源占用比NFC高約6%的情況下，能夠節省約25%的TCAM資源。由于TCAM的成本遠高于SRAM，因此CPFC能夠節省一定的交換機存儲開銷。

圖10 表項生成時間對比

圖11 表項存儲開銷對比

6 結束語

針對SDN中單節點功能組合無法滿足多功能組合需求的問題，提出了一種基于拓撲變換的功能組合方法，并設計和實現了相應的功能組合模塊。當業務功能需求大于單節點交換機的功能承載力時，對底層抽象拓撲進行虛擬變化，把原來在單節點內進行的功能組合分散到多節點中進行。實驗結果表明，該方法提高了組合效率并且降低了流處理時延，而且也節省了交換機存儲開銷。

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[14]GIBB G,ZENG H,MCKEOWN N.Outsourcingnetwork functionality[C]//The Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks,March 5-10,2012,Las vegas,USA.New York:ACM Press,2012:73-78.

A function composition method of software defined networking based on topology transformation

XI Xiaoqiang,LAN Julong,DUAN Tong,JIANG Yiming
National Digital Switching System Engineering&Technology Research Center,Zhengzhou 450002,China

The existing function composition methods of software defined networking(SDN)are mostly carried out in the single node without considering the function bearing capacity of the single switch.To solve this problem,firstly a function composition method based on topology transformation was proposed to carry out function composition in multiple nodes by transforming abstract topology.Secondly,the topology transformation was modeled as the 0-1 linear programming problem and a comprehensive search algorithm was proposed to solve this problem.Finally,the function composition module and implemented the prototype system based on NetFPGA-10G and Ryu controller were devised to do the function composition.The experimental results show that the method can reduce processing delay and storage cost as well as improve the composition efficiency compared with the existing method.

software defined networking,topology transformation,function composition,NetFPGA-10G

s:The National Basic Research Program of China(973 Program)(No.2012CB315901,No.2013CB329104)，The National Natural Science Foundation of China（No.61372121,No.61309019,No.61502530），The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2013AA013505,No.2015AA016102)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016175

2016-05-10；

2016-06-14

國家重點基礎研究發展規劃(“973”計劃)基金資助項目(No.2012CB315901,No.2013CB329104)；國家自然科學基金資助項目(No.61372121,No.61309019,No.61502530)；國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(No.2013AA013505,No.2015AA016102)

席 孝 強(1989-)， 男 ， 國 家 數 字 交 換 系 統 工程技術研究中心碩士生，主要研究方向為新型網絡體系結構。

蘭巨龍(1962-)，男，國家數字交換系統工程技術研究中心總工程師、教授、博士生導師，主要從事新一代信息網絡關鍵理論與技術的研究工作，目前作為首席科學家主持國家“973”計劃項目“可重構信息通信基礎網絡體系研究”。

段通(1992-)，男，國家數字交換系統工程技術研究中心碩士生，主要研究方向為可編程網絡數據平面。

江逸茗(1984-)，男，國家數字交換系統工程技術研究中心講師，主要研究方向為新型網絡體系結構、可重構網絡、網絡虛擬化。