SDN交換機與傳統交換機的架構與性能比較

摘 要 網絡設備的管理一向是重要的話題，而現今SDN網絡將控制層從網絡設備的數據層分離，集中由外部控制器進行管理，網絡設備只進行封包傳遞的動作，大幅簡化眾多設備的管理問題。本文進行傳統交換機與SDN交換機的性能測試與比較，在傳輸速率方面，傳統交換機能達到帶寬的9成，而SDN交換機在TCP傳輸只有25%，UDP是幾乎無法傳送的狀態，而SDN交換機整體延遲時間約為傳統交換機的13.23倍。由于SDN交換機 CPU頻率不高，使得封包處理速度慢，以及封包被轉送到控制器，增加多余的延遲時間，加上封包發送速率過快，又或者封包過大需要分割，導致大量的封包被重送或丟失，這四種因素造成SDN交換機性能不及傳統交換機。

【關鍵詞】SDN 交換機 OpenFlow 架構 性能

1 簡介

在現今企業的網絡中，云端運算已成為不可或缺的一部分，將分散的服務器集中管理，使實際上位于不同處的資源看似于放置在同一個地方。如此一來，不但擁有大量的資源，更可以提升系統容錯的能力，也就是資源虛擬化。研究人員發現虛擬化所帶來的好處后，也想將負責連接與傳送資源的網絡進行虛擬化，使其網絡的性能及管理方面能夠進一步的提升。但在實際中發現，網絡與其它資源不同，就算將設備集中，也只是達到集中化的效果，在管理方面還是得對每一部設備進行各別的設定，并無法進一步達到虛擬化的效果。為了解決網絡虛擬化的問題，Nick McKeown帶領的研究團隊提出將網絡的控制層獨立出來集中管理，分散于各處的網絡設備就僅是負責數據傳遞的服務，也就是軟件定義網絡（Software-Defined Networking， SDN）[1] 的概念。如此一來，路徑的運算、環境的配置以及設備的維護都可以集中處理，達到網絡控制層虛擬化的目的。本篇文章會針對傳統交換機與 SDN 交換機的性能進行三個項目的測試：

（1）傳輸速率；

（2）OpenFlow控制封包產生率；

（3）延遲時間，來了解傳統交換機與 SDN 交換機兩者之間的差異。

2 SDN介紹

SDN是將網路設備中的控制層（control plane）從數據層（data plane， forwarding plane）分離，由外部控制器（controller） 集中管理控制層，僅剩下數據層的網絡設備就只需要負責處理封包傳遞的部分。在控制器中以軟件的形式執行所定義的網絡行為，依照軟件所定義的行為不同，底層的網絡設備就會具有不同的行為，例如在控制器中定義收到封包后一律進行廣播的動作，這時底層的網絡設備就是一個集線器（hub）；又或者是定義收到封包后進行包頭（header）的解析并傳送給指定的端口（port），此時底層的網絡設備就會變成是一個交換機（switch）。通過這種方式，SDN 可以快速且不需更換實體的網絡設備，便能夠部署各式各樣不同的網絡環境，更重要的是，集中且程序化的管理控制層，能夠省下大量的部署時間與進行維護人力資源，真正達到虛擬化的目的。

2.1 SDN架構

在 SDN 發展的過程當中，有許多研究人員提出各式各樣SDN 架構的方法，其中就以OpenFlow最為有名，以下將以OpenFlow為例介紹 SDN 網絡的架構，并針對交換機做為網絡設備進行討論及比較。

OpenFlow是由 Nick McKeown所帶領的研究團隊提出，目的是提供一個開放的通訊協議（protocol） 使得程序可以控制不同交換機上的流程表（flow table），達到 SDN 的效果，主要有三個部分：

（1）流程表：在交換機中寫入封包的流向，封包進入交換機后依照流程表所定義的流向來傳送封包。

（2）控制器：在流程表中沒定義其流向的封包會進入控制器，由控制器決定封包接下來的流向。

（3）OpenFlow通訊協議：通過SSL加密通道，讓交換機以及控制器進行溝通。

2.2 與傳統交換機架構之比較

在現今的網絡環境中，交換機本身具有許多的功能，本篇文章中我們稱之為傳統交換機，在此與 SDN 交換機的架構進行比較，如圖1所示。圖1的左半邊為傳統網絡的架構，右半邊為 SDN 網絡的架構。從傳統網絡架構中，可以看出交換機集所有功能于一身，從最底層的封包傳遞，中層的網絡管理，到最上層的應用程序都由一臺交換機一手包辦，其優點是可以由硬件的設計來達成交換機的行為，提升交換機的處理速度；但缺點是相同的功能出現在多個交換機上，需要改變交換機的行為時，必須逐一對每臺交換機進行設定，更糟的情況是要變更的行為已經寫入硬件時，必須直接更換整臺交換機來完成設定，此時將浪費許多的成本。

而 SDN 網絡架構與傳統網絡不同，底層只負責封包傳遞，位于傳統網絡中層及上層的功能被移轉到控制器上，由控制器中的軟件進行控制，最大的優點是可以快速且不需更換交換機，部署各式各樣不同的網絡環境，并省下大量的部署時間與進行維護人力資源，達到虛擬化的效果。

3 OpenFlow交換機介紹

OpenFlow交換機是一個可程序化的交換機，主要在交換機上運行ofprotocol與ofdatapath兩個程序以及記錄一張流程表。ofprotocol的功能是記錄封包進出交換機的信息，ofdatapath的功能是處理進入交換機的封包，流程表的功能則是記錄規則及處理動作。當封包從外部網絡進入到交換機時，會先由ofprotocol得知該封包是由哪個端口進入交換機中，并記錄在封包內，然后交由ofdatapath處理。

OpenFlow交換機主要是傳遞封包，僅能判斷控制與資料封包的類別以及執行流程表上的定義的幾個簡單的動作，其余的部分會因為流程表上未定義而送往控制器去決定，達到控制層與數據層分離的效果。

4 實驗架構與方法

本次實驗是利用三臺計算機以及一臺實體交換機，在100Mbps的網絡速度下，進行網絡性能的測試，架構如圖2所示。其中三臺計算機的操作系統都是GNU Linux/Debian Wheezy ，linux_kernel版本為3.2.0-4 ，交換機使用TP-LINK TL-WR1043ND，在上面搭載OpenWRT的系統，并使用 POX做為 SDN 網絡中的控制器。這臺交換機是以軟件實作流程表，因此在本實驗當中交換機的CPU常會出現高負載的情況。

本次實驗將測試三個項目：

（1）傳輸速率；

（2）OpenFlow控制封包產生率；

（3）延遲時間。

主要的測試是利用netperf這個程序進行，首先使用netperf預設參數在傳統交換機與 SDN 交換機下分別進行 TCP 與 UDP 大量數據的傳送來測試傳輸速率；然后再通過wireshark分析，探討OpenFlow控制封包的產生率；最后分析傳統交換機與 SDN 交換機發送封包從 client 端到 server端之間各段的延遲時間。

5 實驗結果

5.1 傳輸速率

表1是利用netperf預設參數，進行傳統交換機與SDN 交換機的 TCP 與 UDP傳輸速率的比較。傳統交換機不論是在 TCP 或是 UDP 的傳輸上都有 9 成以上的速度；反觀SDN 交換機，受限于交換機CPU速度的影響，加上控制器與交換機溝通導致交換機 CPU 一直處于高負載，使得 TCP 傳輸速率只有 25.70Mbps，而 UDP 甚至因為大量的封包丟失，傳輸速率只有0.10Mbps。

5.2 OpenFlow控制封包產生率

表2調整不同信息大小，由wireshark觀察OpenFlow控制封包產生率。根據分析結果得知，信息大小小于 MTU（1480 bytes）時，控制封包產生率低；反之則高。在netperf產生的 5000 個數據封包中，信息大小為 1000 bytes時會多產生 0.22%的控制封包；而在信息大小為 2000 bytes 時則會多產生 45.48%的控制封包。

5.3 延遲時間

表3為 1 秒內送出 500 個封包，傳統交換機的延遲時間與 SDN 交換機是否符合流程表規則的延遲時間，在 SDN 交換機測試的 500 個封包當中，前 4 個是不符合流程表規則的封包，會送往控制器處理，每個封包約需 9.9 ms；其它496 個封包有符合流程表的規則，會直接執行流程表內的動作將封包傳送到指令的位置，每個封包約需 1.52 ms。由表中可以看出，SDN交換機不符合流程表規則的封包延遲時間約為傳統交換機的 82.5 倍，符合流程表規則的封包延遲時間約為傳統交換機的 12.67 倍。

6 結論

本次實驗是傳統與 SDN 網絡的架構進行網絡性能的測試。在傳輸速率方面，傳統交換機能使用到帶寬的9 成，而SDN 交換機在 TCP 傳輸只能用到 25% 的帶寬，UDP 是呈現無法使用的狀態。而在延遲時間方面，SDN 交換機整體延遲時間約為傳統交換機的 13.23 倍。單就 SDN 交換機本身的影響，在相同交換機以及控制器的條件下，由于交換機 CPU 頻率不高，加上這臺交換機是以軟件實現流程表，使得封包處理速度慢，又因為封包被轉送到控制器，增加多余的延遲時間，再加上封包發送速率過快，或者封包過大需要分割，導致大量的封包被重送或丟失。綜合以上幾點，SDN 交換機性能是低于傳統交換機。

參考文獻

[1]K.Greene，"Software-defined networking，" Technology review - the 10 emerging technologies of 2009， March 2009.

[2]N.McKeown，T.Anderson，H.Balakrishnan， G.Parulkar，L.Peterson，J.Rexford， S.Shenker and J.Turner，“Open?ow： enabling innovation in campus networks”SIGCOMM Comput.Commun.Rev， 2008.

[3]OpenWrt，https：//openwrt.org/.

[4]POX，http：//www.noxrepo.org/pox/about-pox/.

[5]Netperf，http：//www.netperf.org/netperf/.

[6]Wireshark，http：//www.wireshark.org/.

[7]張景皓.“新一代網絡架構SDN顛覆傳統網絡的控制模式”[J].iThome計算機報，2012.

作者簡介

周東（1982-），男，江蘇省宿遷市人。現為南京廣播電視大學科長、工程師。研究方向為計算機網絡。

作者單位

南京廣播電視大學 江蘇省南京市 210002