淺析軟件定義網絡東西向通信研究

田新志 陳曉范 申海杰

摘要：軟件定義網絡中多控制器部署過程中涉及控制器之間的通信問題，因而產生了東西性接口問題，多控制器的部署主要分為層次式與扁平式兩種結構，這兩種結構在東西向通信中有各自不同的特點。該文對 SDN中東西向通信問題進行了系統的分析，分析了不同部署方案中對東西向通信的處理方式，并對 SDN東西性通信問題的研究方向進行了展望。

關鍵詞：軟件定義網絡（SDN）;分布式控制;東西向通信

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0026-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

SDN自2006年開始至今的在這段時間內得到了高速發展，大規模網絡的形成、海量數據的應用以及高服務質量需求刺激著SDN的不斷發展壯大，致使SDN最初所設計的集中式控制方式的缺點越來明顯。單一控制器集中控制的設計特點，使網絡中控制平面的控制器能力受到嚴重限制，其在擴展方面尤其困難，而正是由于控制器的缺陷使得網絡遇到了性能瓶頸等問題[1]。為了能讓SDN持久地發展下去，SDN領域內的各大控制器廠商紛紛推出自己的改進方法及策略。如著名的由 NOX控制器升級來的NOX-MT控制器，在沒有改變原來控制器的基本結構的前提下，利用現有的并行技術來增加控制器多線程處理功能，以達到提升控制器性能的目的。正是基于這種原因，由NOX升級到NOX-MT非常方便，且系統并不會因為控制器平臺的更換而產生網絡狀態不一致等性問題。當然除了這種方法之外還可以采用性能較高的控制器如Maestro控制器[2]，Maestro控制器中設計有并行處理結構，因此其具有良好的并行處理能力，使用這種控制器的SDN可以充分發揮高性能服務器的多核并行處理能力;特別是在網絡規模較大情況下，其性能比NOX要優越得多。雖然這也不失為一個很好的解決方案，但這種方式在處理一個較大規模的網絡時，具體的做法則是要將網絡按照某種規則劃分為若干個區域，此時，假如還是使用單控制器集中控制方式來處置網絡中交換機相關請求時，可能因為傳輸距離等方面的原因，造成本域控制器與其他域中的交換機之間存在較大時延，這將很有可能造成網絡性能下降，嚴重時甚至會造成網絡不可用。 在單控制器集中控制方式中一旦控制器出現故障，那對網絡來說是災難性的。此類解決方案目前還只能用于同一控制器之間的性能擴展，對異構控制器之間的相互協同工作還做不到。再者，若某系統對安全、隱私方面要進行考慮的話，就需要系統能夠隱藏網絡內部的細節，這對單控制器集中控制方式來說也是無法做到的。

要更好地解決單控制器集中控制方式帶來的諸多問題，研究者們想到了擴展控制器的數量，在網絡中部署多個控制器，讓各個控制器按某種規則相互協同工作來提升網絡中控制平面的處理能力，這就是常說的SDN多控制器部署的問題，當在網絡中部署多個控制器時，就需要有 SDN域的概念。那么對于跨域之間流量的處理問題就需要網絡設計人員認真考慮了，那么實現多異構控制器之間的協同工作也是SDN的主要研究方向之一。根據SDN的結構描述可知，SDN控制平面有南向接口和北向接口。南向接口也稱向下接口，是面對數據平面的，其提供對不同廠家網絡單元的管理功能。北向接口也稱向上接口，是面向應用的。而對于控制層內部控制器與控制器之間的接口則稱之為東西向接口，其作用是完成控制器之間的通信。多控制器模型結構如圖1所示。

2 SDN多控制器部署方式

目前在 SDN多控制器部署環境中主要有兩種部署方式，一是層次式結構，也稱為垂直結構的，二是扁平式架構，也稱為水平結構。

層次式架構部署方式是在控制平面中再分出一層——高級控制層。分出的這一層主要是用于在網絡的運行中協調多個異構控制器之間的協同工作，以便完成網絡跨控制器（或跨域）通信請求。該方式一般的做法是先將控制器按照其用途進行分類，劃分為局部控制器和全局控制器。局部控制器的主要職能是完成本區域內交換機的控制與 管理，只需要掌握本區域的網絡狀態即可。而全局控制器的主要職能則是完成全網信息的維護，負責完成全網信息的路由等操作。在這種模型結構中，控制平面內部有兩種信息需要進行交互處理：一是各局部控制器與全局控制器之間交互信息的處理。二是全局控制器之間交互信息的處理。層次式SDN模型結構圖如圖2所示。

扁平式架構是把網絡分為不相交的區域，在每個不相交的區域內有各自的控制器，這些控制器在網絡中的地位是相等，從邏輯上來看，它們都屬于全局控制器，都掌握著全網狀態信息，它們交換信息是通過控制器的東西向接口進行的。一旦網絡狀態發生了變化，網絡 中的所有控制器為了獲取全網狀態，這些控制器均需進行同步更新操作，這種操作只需要交換機調整與控制器的地址映射就可以了，不需要進行復雜的更新操作，因而扁平式結構的SDN模型對數據層的影響較小。 扁平式SDN模型結構圖如圖3所示。

3 SDN東西向接口研究現狀

多域控制器的域間通信協作機制需要一個東西向接口，目前分布式控制器各自有自己定義的東西向接口。這些接口的功能包括在各分區控制器實例之間實現導入/導出數據、數據一致性模型的算法、分布式監測和通知功能、新控制器節點的部署狀態。那么在多控制器SDN模型結構中，由控制器之間的通信而產生的東西向接口同樣對網絡的運行起著至關重要的作用。

在層次化結構部署中典型的成功案例是文獻[3]中提到的Kandoo網絡。對于Kandoo網絡的工作模式來說，如果網絡中的SDN交換機需要轉發未知報文時，交換機首先向較近的局部控制器發送咨詢報文。局部控制在收到報文后，對報文進行識別，如果報文是局部信息，則該控制器迅速做出響應。如果控制器沒法處理交換機發來的報文，其向全局控制器發送咨詢報文，在收到全局控制器的回應后將獲得的信息下發給交換機，在這里也需要用控制器的東西向接口來進行控制器之間的通信。Kandoo網絡由于采用了分層的思想，使得控制平面信息的交換不需要在全局控制器之間進行頻繁交互，為降低流量負載做出了很大的貢獻。這種方式對于局部應用較多的場合具有非常不錯的執行性能。

在扁平式結構的部署中的典型成功案例是文獻[4]中提到的Onix和文獻[5]中提到的HyperFlow。在Onix架構中，設計師們引進了網絡信息庫（network information base，簡稱NIB）的概念。網絡中的所有控制器都保有一份對應的網絡信息庫（NIB），模型通過保持控制器中的網絡 信息庫NIB的一致性來實現控制器之間的同步更新。而文獻[5]中的 HyperFlow模型的工作機制主要是利用注冊和廣播機制來實施的，如果某控制器因故障原因失效，則需要利用手動配置的方式來進行，將原來由失效控制器負責的交換機配置到網絡中另外一個新控制器上，其目的是保證其可用性。由于這種模型的控制方式中所有控制器都掌握了全網狀態，而控制器在絕大多數情況下卻只用來控制局部網絡，從而造成了一定程度上的資源浪費。除此之外，當控制器更新時還會增加網絡的整體負載。而且在實際網絡部署過程中，不同的域極有可能是屬于不同運營商的，各運營商采用的技術極有可能是不同的，導致控制器要在不同域之間進行平等通信則是不可能的。

還有其他的一些研究成果，比如文獻[6]中所提出的用于東西向通信的OXP（Open e Xchange， 開放性可變長協議）。OXP 的核心思想 是：將控制平面進行分層，以此來解決當前 SDN 網絡在規模較大時網絡性能下降問題，具體做法是將控制平面劃分兩層，分別為域間控制層和域內控制層。在該模型中域間控制器的主要任務是進行各域之間跨域通信任務，而對域內控制器來說，其主要任務是完成域內交換機流表等的下發等操作。那么在進行全網跨域路徑計算時，OXP模型將其劃分為域內路徑計算和域間路徑計算兩部分，這樣一來，可以大大降低其全網路徑計算算法的復雜度。但在規模龐大的網絡系統中OXP的可行性有待進一步驗證。

文獻[7]提出了一種 P2P方式來解決 SDN網絡中控制器之間的協調， P2 P方法可以保持每個 SDN控制器的獨立性，具有不同的策略和路徑設置，以適用于其控制中的網絡元素。此外，P2P SDN允許逐漸部署和連續演進，并實現網絡的靈活配置。但是這種方法一方面目前只能部署在靜態拓撲網絡中，一旦網絡拓撲發生改變剛文獻[7]中所提出的算法將失效，另一方面由于 P2P方法仍然是以 BGP方式在域間交換數據，所以在云環境，尤其是數據中心網絡中其吞吐量不一定能滿足要求。

4 SDN東西向接口發展趨勢

隨著云計算、大數據、人工智能技術的迅猛發展，網絡從規模上也是越來越大，人們對網絡的服務質量都提出了很高的要求，這就要求現代的網絡在響應速度、用戶體驗、功能模塊方面都上一個新的臺階。而對于軟件定義網絡中的多控制器的部署來說更是如此。筆者認為，有關SDN東西向接口今后的研究方向有以下幾點：

1）目前SDN東西向接口并沒有統一的標準，如何統一標準，制定規范是今后的主要研究方面，這需要更多的人參與進來。

2）控制平面東西向通信的實施可能會帶來控制規則的邏輯一致性問題、可用性問題和容錯性問題等，在一個具體的網絡中三種特性是無法同時滿足，如何達到三者之間的平衡，也是研究者們今后的主要工作之一。

3）多域 SDN控制器東西向通信安全性問題研究，域間互聯基本上是通過控制器的東西向通信來實現，但是控制器之間的通信方式以及安全性還沒有受到很多關注。域間安全是 SDN 網絡的大規模部署的關鍵問題，所以構建域間分布式控制器的安全通信是非常必要的。

5 結論

本文對 SDN網絡在多控制器的部署方案中進行了詳細的描述，系統地介紹了多控制器中的層次式架構與扁平式架構各自特點，對目前在 SDN多控制器中控制平面的東西向接口的通信進行了系統的介紹，對當前所使用的東西向通信技術的特點及不足之處進行了深刻的剖析，并對 SDN東西向通信問題的發展趨勢進行了簡單的分析。

參考文獻：

[1] Koteswararao Kondepu.Performance evaluation of SDN-controlled green mobile fronthaul using a federation of experimental network testbeds[J].Photonic Network Communications，2019，37（3）：399-408.

[2] 呂焦盛.基于SDN的網絡控制器均衡技術設計與實現[J].河南科技學院學報（自然科學版），2019（02）：60-64.

[3] 楊明軍.基于Kandoo 架構的網絡負載均衡算法的研究[D].蘭州：蘭州大學，2013.

[4] Jain S，Kumar A，Mandal S，et al.B4：Experience with a globally-deployed software defined WAN[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review.ACM，2013，43（4）：3-14.

[5] Bartosz Balis.HyperFlow：A Distributed Control Plane for Open[J].Flow Future Generation Computer Systems，2016：147-162.

[6] 楊帆，李呈，黃韜.OXP：一種面向SDN移動自組網的東西向協議[J].電信工程技術與標準化標準與規范，2016（9）：32-37.

【通聯編輯：朱寶貴】