基于緩存策略的OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化方案研究

張亞南，鄧怡辰，宋強(qiáng)，周錫玲

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶，526100）

0 引言

傳統(tǒng)方法中，對(duì)OpenFlow流表存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方法主要有替換策略方法、遺傳算法、流緩存器的中心交換控制存儲(chǔ)方法以及TCP引擎卸載存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方法等[1]。其中，文獻(xiàn)[2]對(duì)于流表漏表項(xiàng)設(shè)置緩沖區(qū)暫存超時(shí)向量利表，基于局部LRU原則對(duì)到期的非活躍流進(jìn)行緩存失配補(bǔ)償，但該方法是在OpenFlow流表存儲(chǔ)中流包含過濾過程，導(dǎo)致少數(shù)包的跟蹤狀態(tài)性能不好。劉中金等人[3]提出一種 OpenFlow 多級(jí)流表結(jié)構(gòu)及其映射算法，可節(jié)省17%以上TCAM 資源。但該算法在進(jìn)行流表分級(jí)時(shí)，匹配集合的表項(xiàng)寬度會(huì)因?yàn)閭€(gè)別字段值的重復(fù)次數(shù)多而變大，使得總體壓縮效果顯著下降。針對(duì)上述問題，本文出一種基于遺傳進(jìn)化緩存策略的OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化方案，引入緩存替換策略實(shí)現(xiàn)OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化，最后進(jìn)行存儲(chǔ)性能測試，證明本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)方法的優(yōu)越性能。

1 OpenFlow流表時(shí)態(tài)集合及緩存模型分析

1.1 OpenFlow流表時(shí)態(tài)集合

為了實(shí)現(xiàn)面向OpenFlow流表的優(yōu)化存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，首先建立OpenFlow流表安全存儲(chǔ)的網(wǎng)格分布結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，在OpenFlow中心交換機(jī)中進(jìn)行流高速緩存時(shí)態(tài)記錄，在OpenFlow流表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型中，采用有向圖作為OpenFlow流表存儲(chǔ)的模糊聚類Sink節(jié)點(diǎn)，則 ti，令A(yù){a1, a2, …, an}為OpenFlow流表的采集模型地存儲(chǔ)空間，采用AHTM作為SDN輕量級(jí)應(yīng)用程序接口，在分布式環(huán)境下OpenFlow流表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型采用五元組 O = (C,I,P,H c,R,A0)表示，其中，C為OpenFlow流表采樣時(shí)間序列的稀疏性特征概念集，I是數(shù)據(jù)信息流的實(shí)例集，流表 R t的時(shí)態(tài)屬性值 IRt可等價(jià)為 IRp∩IRq={t|t∈IRpAND t∈IRq}。根據(jù)流表項(xiàng)的空閑超時(shí)重置的時(shí)態(tài)關(guān)系，得出對(duì)應(yīng)的時(shí)序位置關(guān)系表，設(shè)PRp=[ PRp，PRp]，P Rq=[ PRq, PRq]，P Rp，PRq分別表示時(shí)態(tài)列族的存儲(chǔ)對(duì)象的緩存時(shí)間點(diǎn)，利用時(shí)態(tài)集合間的交運(yùn)算進(jìn)行公平性和高效的緩OpenFlow流表的閉合式公式 P Rp與 PRq相交所得集合有：

1.2 OpenFlow流表緩存模型分析

為了最大限度降低對(duì)OpenFlow流表在緩存區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)存的消耗，進(jìn)行OpenFlow流表緩存模型優(yōu)化分析，不妨令OpenFlow流表數(shù)據(jù)集合 JD，JD中各元素序偶 PRp,s ≤ PRq,s ，則有：

圖1 OpenFlow流表的優(yōu)化緩存模型

2 OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

對(duì)上述OpenFlow流表時(shí)態(tài)集合及緩存模型，進(jìn)行OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)流表的漏表項(xiàng)產(chǎn)生的擁塞問題，提出一種基于遺傳進(jìn)化緩存策略的OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化方案。

2.1 流表特征聚集關(guān)系自適應(yīng)控制演算

基于遺傳進(jìn)化緩存策略進(jìn)行OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)[4]，對(duì)OpenFlow流表在緩存區(qū)域的特征聚集關(guān)系進(jìn)行自適應(yīng)控制演算，構(gòu)建OpenFlow流表安全存儲(chǔ)的時(shí)間序列流模型描述為：

優(yōu)化流表的空閑匹配率，進(jìn)行自適應(yīng)控制演算，得到控制目標(biāo)函數(shù)為：

上式中，OpenFlow流表存儲(chǔ)中的聚集計(jì)算的負(fù)載量為Mh，在產(chǎn)生一組聚集屬性特征V后，進(jìn)行OpenFlow流表屬性集的向量量化處理，進(jìn)而采用遺傳算法進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了更高的流表匹配。

2.2 流表項(xiàng)的動(dòng)態(tài)平衡緩存設(shè)計(jì)及存儲(chǔ)方案優(yōu)化

在對(duì)OpenFlow流表在緩存區(qū)域的特征聚集關(guān)系進(jìn)行自適應(yīng)控制演算的基礎(chǔ)上，采用遺傳進(jìn)化方法進(jìn)行流表項(xiàng)的動(dòng)態(tài)平衡緩存設(shè)計(jì)，應(yīng)用在流表項(xiàng)的動(dòng)態(tài)平衡存儲(chǔ)控制中，建立初始種群，設(shè)計(jì)一個(gè)面向OpenFlow流表存儲(chǔ)的種群適應(yīng)度函數(shù)：

種基于遺傳算法的分布式進(jìn)化原理，挑選出個(gè)別的個(gè)體作為選擇個(gè)體進(jìn)入下一代，緩存節(jié)點(diǎn)滿足S = V -{S ink}，iSKDNS(p)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)集滿足 UT= U-1，VT= V-1，D ∈ Rm×M，且 D =[∑ 0]，在整個(gè)種群中的適應(yīng)度最高的個(gè)體的特征分解函數(shù)為：

其中，k表示分布式OpenFlow流表的特征融合中心，采用遺傳操作，把OpenFlow流表數(shù)(a) 測試樣本1據(jù)隊(duì)列當(dāng)作一個(gè)Chunk來進(jìn)行時(shí)間區(qū)域重組，設(shè)定被求解的變量為Q，Xi是變量Q的空間中的解，得到OpenFlow流表中存儲(chǔ)空間動(dòng)態(tài)平衡特征矢量集合為 ：P = { p1, p2,… pm},m ∈ N

為了克服OpenFlow流表存儲(chǔ)中漏表項(xiàng)擁塞的問題，引入緩存替換策略實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)優(yōu)化，引入流表資源相適配的流表自適應(yīng)控制機(jī)制，得到流表匹配的模糊隸屬函數(shù)為：

其中，Pfi表示OpenFlow流表的匹配融合概率，Pdi為上一輪的存活時(shí)間累積方差。通過上述設(shè)計(jì)，計(jì)算多個(gè)流表項(xiàng)的替換索引值，保留一些空流表項(xiàng)作為緩沖，結(jié)合流表項(xiàng)的動(dòng)態(tài)平衡緩存設(shè)計(jì)方法，保持流條目的高匹配概率，提高整個(gè)流表的匹配率，從而改善存儲(chǔ)性能。

3 結(jié)束語

本文研究了提出一種基于遺傳進(jìn)化和緩存優(yōu)化模型的OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)方案，引入緩存替換策略實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)優(yōu)化，在OpenFlow中心交換機(jī)中進(jìn)行流高速緩存時(shí)態(tài)記錄，構(gòu)建OpenFlow流表的時(shí)態(tài)集合，對(duì)OpenFlow流表在緩存區(qū)域的特征聚集關(guān)系進(jìn)行自適應(yīng)控制演算，然后采用遺傳進(jìn)化方法進(jìn)行流表項(xiàng)的動(dòng)態(tài)平衡緩存設(shè)計(jì)，引入緩存替換策略實(shí)現(xiàn)OpenFlow流表存儲(chǔ)優(yōu)化，研究得出，采用本文方案進(jìn)行OpenFlow流表存儲(chǔ)，能提高流信息的吞吐量，降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)的流表資源適配延時(shí)，提高了響應(yīng)速率，改善了OpenFlow流表存儲(chǔ)性能。