基于OpenFlow的虚拟交换机的关键技术研究与实现

摘要

OpenFlow技术作为下一代互联网关键技术之一，是近年来提出的基于流分类的可编程新型网络技术，其核心思想是分离网络设备控制层面和数据转发层面，由控制层集中管理转发层，为网络创新、升级改造提供了极大便利，并因其可以方便地实现云计算环境中数据中心网络的虚拟化，在云计算数据中心有着很好的应用前景。然而，使用OpenFlow构建云计算数据中心网络还面临不少问题。其中，简单的OpenFlow流表匹配流程已不能满足数据中心交换机庞大的数据处理要求，另外，当前OpenFlow所支持的VLAN技术也无法解决数据中心虚拟机规模受限和多租户隔离的问题。
　　为此，论文首先在深入研究OpenFlow流表结构和基于流的数据包匹配转发流程的基础上，分析了当前OpenFlow虚拟交换机流分类技术，针对云计算数据中心的应用场景，提出一种流表匹配方案，并采用OpenFlow1.3予以实现;其次，研究并分析VxLAN为代表的overlay网络技术，在OpenFlow虚拟交换机上实现VxLAN网络技术，并优化VxLAN报文在OpenFlow虚拟交换机中的转发流程和ARP报文应答流程，解决了数据中心虚拟机规模受限和多租户隔离问题。
　　综上所述，论文针对OpenFlow交换机在云计算数据中心的应用场景，实现一种数据包匹配转发方案，并采用VxLAN技术解决了数据中心部署虚拟机规模受二层地址表项限制以及多租户网络隔离等问题。然后通过系统的测试和对实验结果的分析表明:该方案实现了功能完备、性能高效的流表匹配，其单级流表内核态转发时延稳定在十几微秒;并解决了云计算数据中心虚拟机规模受限和多租户网络隔离的问题，同时提高了VxLAN网络中报文转发效率并通过控制器代答ARP请求的方式避免了ARP广播。论文研究成果对OpenFlow技术应用，特别是OpenFlow虚拟交换机在云计算数据中心的应用具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究动态

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文组织结构

第2章 相关技术

2．1 OpenFlow技术起源与发展

2．2 OpenFlow关键技术的研究

2．3 Overlay技术介绍

第3章 OpenFlow交换机中流表匹配方案研究与实现

3．1 转发流程分析

3．1．1 流表结构

3．1．2 数据转发流程分析

3．2 几种常用转发方案分析

3．2．1 使用硬件实现转发功麓

3．2．2 优化流表匹配算法

3．3 流表匹配方案设计与实现

3．3．1 流表匹配流程方案整体分析设计

3．3．2 内核态匹配流程分析与实现

3．3．3 用户态匹配流程分析与实现

3．3．4 内核态流表老化机制

3．4 本章小结

第4章 OpenFlow交换机中VxLAN技术研究与实现

4．1 VxLAN在虚拟交换机中的应用场景

4．1．1 VxLAN的应用场景

4．1．2 VxLAN技术分析

4．1．3 OpenFlow交换机中实现VxLAN需求分析

4．2 VxLAN在OpenFlow交换机中应用分析与设计

4．2．1 VxLAN网络模型

4．2．2 VxLAN隧道的创建

4．2．3 基于控制器的ARP报文请求集中应答

4．2．4 数据报文转发

4．3 VxLAN在OpenFlow交换机中的应用实现

4．3．1 控制平面的实现

4．3．2 转发平面的实现

4．3．3 报文转发流程

4．4 本章小结

第5章 功能与性能测试

5．1 测试环境简介

5．2 流表匹配功能测试

5．2．1 匹配域字段匹配测试

5．2．2 匹配域覆盖测试

5．2．3 多级流表测试

5．3 VxLAN功能测试

5．3．1 基本功能测试

5．3．2 ARP代答测试

5．4 性能测试

5．4．1 普通报文流表匹配性能测试

5．4．2 VxLAN报文转发性能测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢