SDN可扩展路由及流表资源优化研究

摘要

软件定义网络SDN定义了一种新的网络架构，它的核心思想是将网络的数据平面和控制平面进行分离。典型的SDN网络由控制器和网络传输设备构成，不同于传统IP网络，SDN网络中的传输设备仅保留数据转发功能，网络的控制功能则都交由SDN控制器来完成。控制器收集维护整个网络的状态信息，并通过标准的OpenFlow协议集中管理网络传输设备的转发行为，实现对整个SDN网络的控制。
　　可扩展性问题是SDN发展面临的主要问题，本文从大规模SDN网络可扩展路由以及流表资源优化两方面来提高SDN网络的可扩展性。(1)传统SDN网络的路由机制不适用于大规模网络。当网络中到达新的数据流时，控制器根据网络拓扑为该流计算全网最优的路由，并且更新路径上所有SDN交换机中的流表项。然而，网络规模增大或数据流量增多都会导致控制平面和数据平面之间交互信息的剧增，因此该路由方案存在可扩展性问题。(2)由于SDN交换机中的流表大部分都是由TCAM构成的，同时控制器单位时间可以处理的流请求消息数目也是有限的，因此SDN网络中的流表资源以及控制器计算资源都是受限的，需要进行有效的管理。另一方面，即时消息应用会产生数量巨大的流，在SDN网络中将会消耗大量的流表资源和控制器计算资源，考虑该场景下的网络资源优化很有必要。本文的主要贡献如下:
　　(1)针对大规模多域SDN网络，本文提出了一种可扩展路由机制SRSO。不同于大部分SDN路由方案，SRSO在路由数据流时只需给路由路径上的部分交换机添加流表项，该方案在保持网络传输设备仅负责转发功能的同时，还减少了控制网络中的交互信息。实际OpenFlow平台上的实验证明了SRSO路由机制的可行性;相比于其它SDN路由方案，仿真结果显示SRSO路由机制具有更好的可扩展性。
　　(2)针对即时消息流，本文主要研究流表项idle timeout值的合理设定问题。基于ON/OFF模型，本文定量分析了即时消息流表项的idle timeout值对流表资源以及控制器计算资源的影响，然后考虑这两类资源有限性的约束，给出idle_ timeout应该满足的条件，并建立了相应的优化问题来求解合理的idle_timeout值，最后通过比较理论结果和仿真结果，验证了理论模型的有效性。

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摘要

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表格索引

第一章 绪论

1．1．SDN研究背景

1．1．1 SDN网络架构的发展史

1．1．2 SDN网络架构的特性

1．2 SDN可扩展问题概述

1．2．1 控制平面的可扩展性问题

1．2．2 其它可扩展性问题

1．3 SDN网络路由机制可扩展性的挑战

1．4 SDN网络流表资源有限性的挑战

1．5 论文主要内容及结构

第二章 SDN／OpenFlow网络相关技术背景

2．1 引言

2．2 SDN／OpenFlow架构

2．2．1 SDN架构

2．2．2 OpenFlow架构

2．3 OpenFlow网络概述

2．3．1 OpenFlow控制器

2．3．2 OpenFlow交换机

2．3．3 OpenFlow协议

2．4 本章小结

第三章 SDN网络可扩展路由机制

3．1 引言

3．2 可扩展路由机制SRS0

3．2．1 路由机制详述

3．2．2 可扩展性分析

3．2．3 控制器组件设计

3．3 可行性验证

3．3．1 OpenFlow网络平台

3．3．2 实验场景描述

3．3．3 实验结果

3．4 可扩展性仿真验证

3．4．1 仿真环境

3．4．2 仿真结果

3．5 本章小结

第四章 IM消息流表生存时间idle_timeout研究

4．1 引言

4．2 相关工作

4．3 建模与分析

4．3．1 系统模型

4．3．2 定量分析idle_timeout的影响

4．3．3 网络资源约束

4．3．4 合理设定idle_timeout

4．4 仿真验证

4．4．1 仿真环境

4．4．2 理论结果

4．4．3 仿真结果

4．5 本章小结

第五章 结束语

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果