软件定义网络中协议无感知转发的关键技术研究

摘要

软件定义网络(SDN)实现了网络控制平面和数据平面的分离，使得网络的可编程性越来越高。OpenFlow是SDN中最早的实现技术，OpenFlow将数据平面设备的行为抽象为“匹配+动作”的处理范式，并基于该抽象设计了与控制平面的协议接口。然而，OpenFlow的数据平面采用协议依赖的设计，仍旧限制了网络的可编程性。近年来，随着互联网应用的不断发展，新协议新业务不断出现，协议无关转发(PIF)技术的研究得到了越来越多的人的关注。协议无感知转发(POF)是首个基于PIF思想提出的技术，旨在使数据平面可以摆脱对特定协议的依赖，支持任意协议字段的匹配和处理。
　　然而，当前POF作为新型网络技术，在发展上仍旧面临着如下问题:1）缺乏完善的生态系统环境支持。支持POF的控制器和交换机极少。2）交换机流表资源有限。SDN交换机的中的流表匹配可以实现非常精确的细粒度的流量管控，然而通常实现表的硬件资源(TCAM等)较为昂贵且能耗高，如何在细粒度的流量控制下减少流表资源开销是一个有待进一步研究的方向。3）缺乏支持协议无关的网络虚拟化技术。根据底层物理网络资源向租户提供支持自定义协议匹配和处理的虚拟网络有着非常诱人的前景。
　　本文针对以上POF面临的问题，逐一设计了解决方案。具体的研究内容和贡献如下:
　　在控制平面上，我们设计并实现了一个具有完整POF功能的控制器。该控制器可以实现对POF交换机的管控，并且提供了POF相关的北向接口，有利于协议无关的应用开发。在数据平面上，我们通过利用DPDK技术加速了POF软件交换机的数据包处理能力。并且，我们还搭建了跨广域网的POF网络实验床，并在其中部署了所研制的POF控制器和交换机。
　　基于POF设计了一套源路由转发方案，即POSR。该方案设计了专用的源路由首部，并使用POF提供的流指令集设计和实现了交换机的包处理流程。相比较传统方案，POSR可有效减少首部封装开销，并减少交换机中流表项的使用。
　　提出并实现了基于协议无关概念下的SDN网络虚拟化平台，即SR-PVX。在SR-PVX中，通过源路由转发和流表虚拟化技术，可以高效地为租户提供支持POF编程的虚拟SDN网络服务。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1．软件定义网络

1．1．2．协议无关转发

1．1．3． 网络虚拟化

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容与贡献

1．3．1．基于POF的SDN网络技术生态环境研究

1．3．2．基于POF的源路由研究

1．3．3． 支持POF的网络虚拟化技术研究

1．4 论实结构安排

第2章 协议无感知转发(POF)

2．1 引言

2．2 OpenFlow发展历程

2．3 POF工作原理

2．3．1．网络架构

2．3．2．协议字段抽象

2．3．3．流状态存储

2．3．4．POF交换机数据包处理流程

2．3．5．与P4比较

2．4 本章小结

第3章 协议无感知转发的生态系统研究

3．1 控制平面

3．1．1．POF控制器架构设计

3．1．2．性能评估

3．2 数据平面

3．3 基于广域网的POF网络试验床搭建

3．4 本章小结

第4章 基于协议无感知转发的SDN源路由研究

4．1 引言

4．2 相关研究工作综述和分析

4．3 协议无感知源路由

4．3．1．数据包格式设计

4．3．2．POSR的数据包处理流程

4．4 基于POSR的链路失效快速恢复方案

4．5 基于POSR的组播方案

4．6 性能分析

4．6．1．流表使用规模

4．6．2．传输带宽开销

4．7 实验评估

4．7．1．系统部署

4．7．2．功能验证实验

4．7．3．性能验证实验

4．8 本章小结

第5章 支持协议无感知转发的网络虚拟化研究

5．1 引言

5．2 相关研究工作综述和分析

5．3 SR-PVX系统设计与实现

5．3．1．SR-PVX运行原理

5．3．2．数据包格

5．3．3．数据包处理流程

5．3．4．仿真评估

5．3．5．系统部署和实验验证

5．4 流表虚拟化方案的设计与实现

5．4．1．研究动机

5．4．2．流表虚拟化实现原理

5．5 系统部署

5．6 性能验证实验

5．7 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果