SDN架构中流表项冲突与更新一致性问题研究

摘要

传统网络架构由于缺乏对网络服务差分化和网络资源虚拟化等需求的灵活适应能力，已经成为未来网络发展的瓶颈。软件定义网络SDN从架构层面上解决了这一问题。它通过控制平面与数据平面的分离，提供了网络可编程的能力。增强了网络快速演进的能力和灵活性，降低了网络的管理成本。有效地提升了网络整体的运行效率。　　作为一种新型的网络架构，SDN架构为未来网络发展指明了道路，但由于其正处于技术上升阶段，一些内部机制尚不完善。其中，流表项管理作为SDN架构中核心技术之一，其转发逻辑和更新的一致性对网络正常运行至关重要。当流表项间出现逻辑冲突时，将造成SDN应用功能表达不正常，致使控制平面逻辑混乱甚至失效。当流表项更新出现不一致时，可能导致网络中出现黑洞节点或循环路由，造成数据平面出现短暂的网络不可达。因此，如何解决流表项逻辑和更新的一致性问题对完善SDN架构具有重要的研究意义。　　论文通过使用B+树的流表项冲突解决策略和一种基于引导数据包的流表项更新策略，分别解决了流表项冲突问题和流表项更新一致性问题。论文的主要工作和创新点具体如下：　　一、通过对流表项数据结构进行深入研究，完成了流表项的特征提取和建模。证明了流表项数据结构间的相关性到几何空间的映射关系，为流表项冲突问题的类型划分和检测消除提供了理论依据。根据数据的结构特征提出了基于B+树的冲突检测算法，避免了Trie类算法进行冲突检测时产生的回溯问题，相较使用B树的冲突检测算法能以更低的成本一次检测出多项冲突。　　二、对流表项下发过程进行形式化描述与建模，提出了一种基于引导数据包的流表项更新策略。策略通过将无序的流表项下发过程转化为数据平面内的有序的数据包转发过程来保证流表项更新的顺序要求。经理论证明，该策略能够保证每包一致性级别的更新一致性。相较于已有的更新策略，它能有效降低负载开销。　　三、搭建仿真实验平台对流表项冲突解决策略进行了实验验证。并通过有效性、时间开销和控制器负载三个指标对策略进行了综合性的评定。根据实验结果对策略的适用规模进行了分析。论文的策略在单控制器条件下开销大致保持线性增长，实验表现良好，具有一定的实用价值。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究综述

1.3 本文研究内容及研究方法

1.4 本文的组织架构

2 相关技术研究

2.1 SDN架构

2.2 OpenFlow

2.2.1 OpenFlow通用转发模型

2.2.2 OpenFlow协议

2.3 SDN架构中一致性问题研究

2.3.1 流表项逻辑一致性

2.3.2 流表项更新一致性

2.4 本章小结

3 一种SDN流表项冲突解决策略

3.1 问题描述

3.2.1 流表项模型

3.2.2 流表项冲突模型

3.2.3 地址空间模型

3.2.4 动作集合模型

3.3 冲突情况分类

3.4 基于B+树的动态流表项冲突检测算法

3.4.1 流表项预处理

3.4.2 冲突检测算法数据结构

3.4.3 流表项冲突检测算法

3.4.4 流表项插入过程

3.4.5 流表项删除过程

3.4.6 算法分析

3.5 流表项冲突解决方案

3.5.1 冲突解决几项策略

3.5.2 基于流表项失效度的冲突解决策略

3.5.3 流表项冲突解决算法

3.6 本章小节

4 基于引导数据包的流表项配置更新一致性策略

4.1 问题描述

4.2.1 网络模型

4.2.2 流表项更新模型

4.2.3 流表项更新一致性

4.3 基于引导数据包的配置更新策略

4.3.1 引导数据包构建

4.3.2 流表项配置更新流程

4.4 策略分析

4.4.1 每包一致性证明

4.4.2 通用性

4.4.3 隔离性

4.4.4 负载控制

4.5 本章小结

5 流表项冲突解决策略部署及实验验证

5.1.1 前提假设和设计目的

5.1.2 模块结构研究

5.2.1 仿真实验软件介绍

5.2.2 实验环境与实验数据

5.2.3 实验环境测试

5.3.1 评价指标

5.3.2 有效性实验

5.3.3 时间开销实验

5.3.4 控制器负载实验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A.学位论文数据集

致谢