一种面向SD-WAN的协议无感知快速源路由转发方案
发布时间：2021-07-24 16:44
针对OpenFlow协议依赖的局限性,提出一种将协议无感知转发（POF）技术应用在软件定义广域网（SD-WAN）环境下的快速源路由转发方案。该方案利用POF的高可编程性特征,通过重构源路由包头字段来封装完整的转发路径,采用POF提供的流指令集实现交换机的包处理算法,且在多级流表设计中采用流水线的方式。通过抽象和重用相同的匹配逻辑,减少了整个网络中的流表条目数,提高系统的转发效率和扩展性。基于Mininet搭建了POF实验平台并在单链路拓扑和多播树拓扑2种环境下通过泛洪流量进行测试,实验结果表明,将POF技术运用在SD-WAN中能够获得更好的源路由转发性能。
【文章来源】：计算机工程. 2020,46(07)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
源路由数据包设计
基于OpenDaylight控制器的SD-WAN网络是一个可以从逻辑上描述数据分组转发甚至计算出延迟区间、流表项量级等信息的白盒系统。在OpenDaylight控制器中添加POF扩展,使控制器可以自由使用数据分组的元数据来临时缓存转发过程中所需的数据。带有图形界面的POF模块提供接口完成手动配置转发管道,配置文件也可以通过相同的接口加载到控制器中,同时,可以使用API为POF管理器开发其他应用程序,这使得SD-WAN网元可以保持相当多的软件定义特性。图2展示了POF控制器的框架。在SD-WAN网络环境中,网络通常会由不同的运营商进行管理和运营,因此需要处理域间流量组成的流。但基于POF的域间操作的机制和实现还未得到解决,为了弥补丢失的性能,本文系统在POF控制器中还设计了一个域间模块。该模块通过JSON(JavaScript Object Notation)实现并帮助POF控制器交换域间信息。在该设计中,让每台控制器都将自己管理的自治系统(Autonomous System,AS)抽象成一台大的交换机,并生成一张域转发表来描述AS与其邻居之间的连接。当拓扑发生变化时,域转发表将广播至邻居域中的协同控制器。从所有邻居域中的协同控制器收集到域转发表后,每个POF控制器会构建一个全局虚拟拓扑并保存于本地。当域间流量到达时,其可以通过域转发表数据库计算出正确的下一个域并根据域内的拓扑信息再计算出最优路径完成转发。对于需要特定QoS的流量,控制器还可以通过与其他控制器协作,在多个域间缓存端到端的路由路径。
图3显示了WireShark在节点1捕获到的数据分组。其中第1个和第4个是在交换机的左侧端口捕获,其余2个则是在右侧端口捕获。可以看出,第1个数据分组是从左侧端口进入的98 Byte的ICMP_Request数据包;第2个数据分组的长度变为104字节,这正好是一个TTL字段和4个出向端口字段的长度,此外,以太帧中的类型字段也变成了“unknown(0x0908)”,可见原始数据包已经在POF控制器的指导下被封装成了适用于POF传输的数据分组;第3个数据分组是来自s2的回包,由h2发出并且长度为100 Byte即只剩下多出的TTL字段,这验证了POF中间帧在传输过程中会完成自减;第4个数据分组是长度为98 Byte的ICMP_Reply数据包,验证了封装了POF的报文在从SD-WAN的环境内转发完成之后变回了标准的原始格式。为了验证基于POF的SD-WAN转发方案与OpenFlow方案的性能差别,利用网络测试工具iPerf来模拟网络中的背景流量,接着进行连通性测试来记录每次实验ICMP请求到响应所产生的延迟,然后逐渐添加拓扑中的交换机数量并观察延迟的变化。图4(a)显示了OpenFlow方案与POF方案的延迟结果对比,由此可见,OpenFlow方案随着交换机数量的增多延迟显著提高,而本文提出的基于POF的转发方案可以维持一个常数级的延迟时间。这是因为基于POF的方案在数据分组到达入口交换机时就对它进行了封装,后续的交换机不需要与控制器进行信息交互而只需从POF中间帧中取出相应的出向端口就可以正确的完成转发。接着使用iPerf开始泛洪ICMP流量,用来模拟POF在真实环境中流量负荷逐渐增多的情况并持续10 s左右,观察流表条目数的变化情况,结果如图4(b)所示。由此可见,与OpenFlow方案相比,POF方案总的流表条目数大约减少了55%～67%,更重要的是随着流表条目数的增加,本文提出的基于POF的转发方案的优势越来越明显。这是因为入口交换机需要安装基于每个流的流条目,而核心交换机可以共享流条目,且传统的OpenFlow需要在转发路径的每一跳交换机上都安装基于每个流的流条目才能使数据分组正确转发。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SDN的异构空间信息网络传输策略[J]. 杨力,戚耀文,潘成胜. 计算机工程. 2019(07)
[2]基于A*算法优化的片上网络源路由算法[J]. 来耀,荆明娥. 复旦学报(自然科学版). 2018(05)
[3]基于OpenFlow的控制器部署可靠性方案设计[J]. 张懿,禹忠,王军选. 计算机工程. 2018(08)
[4]An OSGi-based flexible and adaptive pervasive cloud infrastructure[J]. ZHANG WeiShan,CHEN LiCheng,LIU Xin,LU QingHua,ZHANG PeiYing,YANG Su. Science China（Information Sciences）. 2014(03)
本文编号：3301036
【文章来源】：计算机工程. 2020,46(07)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
源路由数据包设计
基于OpenDaylight控制器的SD-WAN网络是一个可以从逻辑上描述数据分组转发甚至计算出延迟区间、流表项量级等信息的白盒系统。在OpenDaylight控制器中添加POF扩展,使控制器可以自由使用数据分组的元数据来临时缓存转发过程中所需的数据。带有图形界面的POF模块提供接口完成手动配置转发管道,配置文件也可以通过相同的接口加载到控制器中,同时,可以使用API为POF管理器开发其他应用程序,这使得SD-WAN网元可以保持相当多的软件定义特性。图2展示了POF控制器的框架。在SD-WAN网络环境中,网络通常会由不同的运营商进行管理和运营,因此需要处理域间流量组成的流。但基于POF的域间操作的机制和实现还未得到解决,为了弥补丢失的性能,本文系统在POF控制器中还设计了一个域间模块。该模块通过JSON(JavaScript Object Notation)实现并帮助POF控制器交换域间信息。在该设计中,让每台控制器都将自己管理的自治系统(Autonomous System,AS)抽象成一台大的交换机,并生成一张域转发表来描述AS与其邻居之间的连接。当拓扑发生变化时,域转发表将广播至邻居域中的协同控制器。从所有邻居域中的协同控制器收集到域转发表后,每个POF控制器会构建一个全局虚拟拓扑并保存于本地。当域间流量到达时,其可以通过域转发表数据库计算出正确的下一个域并根据域内的拓扑信息再计算出最优路径完成转发。对于需要特定QoS的流量,控制器还可以通过与其他控制器协作,在多个域间缓存端到端的路由路径。
图3显示了WireShark在节点1捕获到的数据分组。其中第1个和第4个是在交换机的左侧端口捕获,其余2个则是在右侧端口捕获。可以看出,第1个数据分组是从左侧端口进入的98 Byte的ICMP_Request数据包;第2个数据分组的长度变为104字节,这正好是一个TTL字段和4个出向端口字段的长度,此外,以太帧中的类型字段也变成了“unknown(0x0908)”,可见原始数据包已经在POF控制器的指导下被封装成了适用于POF传输的数据分组;第3个数据分组是来自s2的回包,由h2发出并且长度为100 Byte即只剩下多出的TTL字段,这验证了POF中间帧在传输过程中会完成自减;第4个数据分组是长度为98 Byte的ICMP_Reply数据包,验证了封装了POF的报文在从SD-WAN的环境内转发完成之后变回了标准的原始格式。为了验证基于POF的SD-WAN转发方案与OpenFlow方案的性能差别,利用网络测试工具iPerf来模拟网络中的背景流量,接着进行连通性测试来记录每次实验ICMP请求到响应所产生的延迟,然后逐渐添加拓扑中的交换机数量并观察延迟的变化。图4(a)显示了OpenFlow方案与POF方案的延迟结果对比,由此可见,OpenFlow方案随着交换机数量的增多延迟显著提高,而本文提出的基于POF的转发方案可以维持一个常数级的延迟时间。这是因为基于POF的方案在数据分组到达入口交换机时就对它进行了封装,后续的交换机不需要与控制器进行信息交互而只需从POF中间帧中取出相应的出向端口就可以正确的完成转发。接着使用iPerf开始泛洪ICMP流量,用来模拟POF在真实环境中流量负荷逐渐增多的情况并持续10 s左右,观察流表条目数的变化情况,结果如图4(b)所示。由此可见,与OpenFlow方案相比,POF方案总的流表条目数大约减少了55%～67%,更重要的是随着流表条目数的增加,本文提出的基于POF的转发方案的优势越来越明显。这是因为入口交换机需要安装基于每个流的流条目,而核心交换机可以共享流条目,且传统的OpenFlow需要在转发路径的每一跳交换机上都安装基于每个流的流条目才能使数据分组正确转发。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SDN的异构空间信息网络传输策略[J]. 杨力,戚耀文,潘成胜. 计算机工程. 2019(07)
[2]基于A*算法优化的片上网络源路由算法[J]. 来耀,荆明娥. 复旦学报(自然科学版). 2018(05)
[3]基于OpenFlow的控制器部署可靠性方案设计[J]. 张懿,禹忠,王军选. 计算机工程. 2018(08)
[4]An OSGi-based flexible and adaptive pervasive cloud infrastructure[J]. ZHANG WeiShan,CHEN LiCheng,LIU Xin,LU QingHua,ZHANG PeiYing,YANG Su. Science China（Information Sciences）. 2014(03)
本文编号：3301036
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