分布式协议无感知网络虚拟化系统的研究和实现

发布时间：2020-09-19 22:34

　　网络虚拟化是一种在物理网络上实现多个逻辑独立的虚拟网络的技术,将网络虚拟化技术和软件定义网络(SDN)结合,可以极大提高网络的灵活性。网络虚拟化Hypervisor(NVH)作为一个实现SDN网络虚拟化的系统平台,其性能的可拓展性,功能的可靠性对系统的运行至关重要。由于集中的NVH无法满足系统的高可拓展性和可靠性要求,我们考虑实现一个分布式的NVH系统。另外,借助协议无感知转发(POF)技术,我们可以实现一个分布式协议无关的NVH系统,从而极大提高网络虚拟化系统的可拓展性,可靠性和灵活性。因此,本文首先研究分布式协议无感知NVH系统的实现问题。借助POF技术和ONOS的分布式架构,我们将实现一个分布式协议无感知的NVH系统(DPVisor),从而实现协议无关的虚拟SDN网络(vSDN)切片。我们将测试NVH系统的消息处理时延,分布式系统的吞吐量,故障恢复时间,并将实验结果与基于OpenFlow和ONOS实现的分布式NVH(ONVisor)作比较,从而验证DPVisor具有高度的可拓展性和可靠性。然后我们将从分布式系统数据同步的一致性模型的角度,对分布式NVH的性能瓶颈进行分析。实验表明,我们提出采用基于缓存同步的方法不仅能极大提高分布式NVH系统的性能,也能保证数据同步具有很好的一致性。另外,我们结合分布式协议无关的网络虚拟化系统,研究虚拟网络映射(VNE)算法。结合网络虚拟化系统的实现方式,我们在虚拟网络映射过程中主要考虑节点TCAM资源和链路带宽资源的限制条件,同时考虑限制NVH使用的个数来避免NVH间过多的东西向通信。针对该问题,我们构建了一个整数线性规划(ILP)模型,从而对该问题进行精确求解。然后,我们基于全局资源容量(GRC)的节点排序算法,针对问题的实际模型,提出了该问题的启发式算法。仿真结果表明,我们的启发式算法不仅能极大提高网络资源的使用效率,而且相对已有的启发式算法性能更好。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP393.01
【部分图文】：

网络架构

１．１．１．软件定义网络和协议无感知转发逡逑软件定义网络（Ｓｏｆｔｗａｒｅ－ｄｅｆｉｎｅｄ邋Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，邋ＳＤＮ）是一种实现数据面和控逡逑制面分离的新型网络架构［１］。ＳＤＮ网络结构如图１．１所示，数据面负责数据的逡逑转发，控制面则按需部署不同的应用来管理网络。利用ＳＤＮ的集中管控和可编逡逑程特性，网络将变得更加灵活，从而更快适应不同业务和应用的部署需求。逡逑丫逦＇sE器＇逦■＇邋＇逡逑ｔ邋ＳＤＮ南向协议逡逑产（ＯｐｃｎＨｏｗ，邋Ｐ０Ｆ等）逡逑＿＜ｘ＾ＥｒｉＴＯ逡逑图１．丨ＳＤＮ网络架构逡逑如图１．１所示，ＳＤＮ网络的的控制面和数据面通过ＳＤＮ南向协议进行通信，逡逑从而实现控制面感知数据面的网络状态，并控制网络的转发行为。典型的ＳＤＮ南逡逑向协议如ＯｐｅｎＦｌｏｗ邋［２］基于现有的协议字段（如源和目的以太网地址，ＴＣＰ／ＵＤＰ逡逑五元组等）做匹配转发，拓展新的协议类型需要更新ＯｐｅｎＦｌｏｗ的版本。例如，逡逑ＯｐｅｎＦｌｏｗ邋１．０版本仅支持１２个匹配域

流程图,表结构,流程

和设备兼容性问题。与ＯｐｅｎＦｌｏｗ不同的是，ＰＯＦ根据偏移量，偏移长度以及对逡逑应的域值（＜ｏｆｆｅｓＵｅｎｇｔｈ，ｖａｌＵｅ＞）三元组对数据包做匹配转发，并定义了一套协逡逑议无感知的指令集［６］对数据包做处理，图１．２展示了邋ＰＯＦ的流表结构以及转发逡逑流程。首先，用户使用自定义的表（Ｔａｂｌｅ）来声明要匹配的协议类型，表是根据逡逑偏移量和偏移长度定义的各个匹配域（Ｆｉｅｌｄ）的集合，各个表有唯一的ＩＤ信息逡逑（ＴａｂｌｅｌＤ）。然后，用户下发特定的表项（Ｅｎｔｒｙ）到对应的表中，各个表项包含逡逑各个域对应的匹配值和处理数据包的指令集（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）。一旦数据包匹配成逡逑功，ＰＯＦ将根据用户定义的指令处理数据包，如添加、删除、修改包头信息，或逡逑将包发送到其它表中继续处理，从而实现一个灵活的处理逻辑（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ）。因此，逡逑ＰＯＦ在数据面对数据包协议无感知的操作可以极大提高网络的可编程性和灵活逡逑性。例如，我们在前面就ＰＯＦ的协议无感特性做了很多的研究和实现，如网络逡逑流汇聚［７，邋８］，源路由［９，邋１０］以及移动性管理［１丨］等。逡逑Ｆｉｅｌｄ｛逡逑ｏｆｆｓｅｔ．邋逦Ｆｉｅｌｄｓ逦Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ邋—逡逑ｌｅｎｇｔｈ；逦Ｆｉｅｌｄｓ逦Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ逡逑ｖａｌｕｅ；逦．逦．逡逑Ｇｏｔｏ邋Ｔａｂｌｅ邋１邋｜逡逑Ｆｉｅｌｄｓ邋Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ逡逑图１．２邋ＰＯＦ流表结构和转发流程逡逑１．１．２．分布式ＳＤＮ控带ｊ器手□0Ｎ0Ｓ逡逑尽管ＳＤＮ的集中控制的特性可以提高网络的可编程性和灵活性

示意图,控制器,租户

拟网络中的应用和业务相互隔离。将ＳＤＮ和网络虚拟化技术结合，可以在同一逡逑物理网络上实现多个逻辑独立的虚拟ＳＤＮ网络（Ｖｉｒｔｕａｌ邋ＳＤＮｓ，邋ｖＳＤＮｓ），从而极逡逑大提高网络资源的利用率，推动网络服务和应用的创新［１６－１８］。图１．４是ＳＤＮ逡逑网络虚拟化系统结构示意图，从图可以看出，实现网络虚拟化系统包含两个主要逡逑组件：网络虚拟化邋Ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ邋（Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ邋Ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ，邋ＮＶＨ）和虚拟逡逑网络映射器。ＮＶＨ南向与物理网络连接，北向与租户控制器连接，从而实现底逡逑层网络资源如拓扑，带宽资源的抽象和隔离，并提供给租户使用，这样各个租户逡逑就可以在同一物理网络上实现逻辑上互相隔离的虚拟ＳＤＮ网络［１９］。虚拟网路逡逑映射器则从ＮＶＨ获得物理网络拓扑和流表资源、带宽资源等信息，然后根据特逡逑定的映射算法实现虚拟网络到物理网络的映射。这也是一个著名的虚拟网络映逡逑射问题，即邋ＶＮＥ邋（Ｖｉｒｔｕａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ，邋ＶＮＥ）问题［２０］。逡逑ＮＶＨ位于租户控制器和物理网络之间的中间层，需要完成物理网络的抽象，逡逑池化网络资源

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