开发一个具有成本效益的OpenFlow试验台对于小规模的软件定义网络

开发一个具有成本效益的OpenFlow试验台对于小规模的软件定义网络AbstractOpenFlow是第一标准接口实现软件定义网络(SDN)可以分离数据平面和控制平面,提供可灵活控制的网络管理。来验证OpenFlow标准的性能和特点,许多研究人员使用专门的硬件网络NetFPGA等设备。然而,这些设备并不合适实现一个小规模的SDN试验台由于成本高,复杂性,以及专门的编程语言。著名的SDN模拟器,Mininet[1],也广泛使用,但它是不足以支持网络动态性和虚拟主机的性能。在本文中,我们建议性价比更高的可供选择的openvSwitch(ovs)来实现SDN试验台,基于低成本的树莓pi嵌入式Linux机器。我们确认我们的实验OpenFlow规范1.0版本证明其最大网络吞吐量与NetFPGA-1G相比显示了几乎相同的性能。INTRODUCTION最近,大量的网络流量爆炸式增加归功于由于IPTV(网络电视)智能手机和各种智能设备的发展。由于服务的多样化和用户的需求量,用户业务流量也变得越来越复杂。然而,目前的网络基础设施不能处理这些服务需求,因为传统网络体系结构集成转发平面和控制平面到相同的设备。为了设计出一个更灵活可扩展的网络,软件定义网络(SDN)近年来提出了统一规范。SDN解耦控制和网络平台是其最突出的特点。（SDN的核心理念之一就是将控制功能从网络交换设备中剥离，降低设备复杂度，提升管理效率）如此,网络可以基于网络配置策略实现动态地管理,比如路由和服务等政策优先级[3]。SDN架构的评估方法有三种:Mininet模拟器、net-FPGA和OpenFlow基于S/W开关。Mininet是一个SDN仿真器,包括一个虚拟终端机,开关和设备的集合,可以用来做设计不使用实际设备虚拟链接。另一方面,全国范围内各种研究机构构建了SDN实验平台如“OF@TEIN”,和“OFELIA”[4]。然而,这些项目规模很大,不适合为小实验室规模的实验做基于测试台的评估。而不是这些SDN的大实验,net-FPGA可以用于规模较小,独立SDN分析。然而net-FPGA也可能带来一些问题,如高成本、复杂性和使用专业编程语言[5]。小规模SDN试验平台与大规模的测试平台相比,可以更加动态的灵活的验证和测试操作各种OpenFlow应用程序或SDN控制器功能。为了评估小规模SDN做出一个合适的实验平台,我们建议一个简单的和具有成本效益的试验台——树莓pi。在我们SDN试验台,所有的SDN设备比如SDN控制器和主机都是建立在相同的设备。因此,试验台的重新配置和维护是比net-FGPA容易得多。实现的SDN实验平台的评估结果显示了类似的性能相比与SDN1gbpsnet-FPGA设备上实现。背景和相关工作在本节中,我们描述了SDN架构建设SDN试验台。同时,我们简要描述一些SDN有关试验台实现。SDN架构可分为三层，基础设施层、控制层和应用程序层。SDN架构的概述如图1所示。SDN基础设施层包括交换机、路由器和网络主机之间的交互。基础设施层只实现转发功能,因此路由发现不能仅靠基础设施层单独完成。为了创建设备间的路由链路,每个设备发送一个请求消息给位于控制层的SDN控制器通过一个安全通道[6]。所有的SDN的控制策略是由应用层的每个应用的类型决定的。同时,使用安全通道将既定的策略送到每个设备,南向接口使用api连接上层和底层。OpenFlowOpenFlow是一个标准的接口,允许研究人员直接控制如何在实际的SDN路由数据包如何转发。OpenFlow基于以太网交换机,但保持一个开放的协议（OpenFlow协议）可以用来描述流表在各交换机和路由器[6]。OpenFlow组织三个组件,流表,安全通道和OpenFlow协议。流表由流表项决定如何处理网络中的数据流。通过流表项,可以实现动态调整和传输数据流在网络基础设施中[7]。安全通道被用作SDN交换机和控制器之间建立安全连接的通信手段。OpenFlow协议提供了一个标准接口,可以被研究者从外部定义,从而避免额外的编程。b.Net-FPGA和其他商业台Net-FPGA是构建高性能网络系统硬件平台。Net-FPGA基于可编程路由器的优点是处理数据包在line-rate以用户方式。Net-FPGA由基于PCI的板，它是基于linuxPC的插件。Net-FPGA包括两个静态存储器与现场可编程门阵列(FPGA)同步操作。一个四接口物理层收发器提供了支持平台来发送和接收数据包在四个标准双绞线以太网电缆。两个系列先进技术附件(SATA)连接器在这个平台上可以连接多个Net-FPGAs系统高速交换数据[8]。它可以有效地部署在封闭的领域,比如办公室,大楼和实验室和OpenFlow启用开关。Net-FPGA在OpenFlow环境中可以被认为是一个好的组件。然而,它有两个缺陷。首先,开发人员必须精通低层编程语言和设计工具[9]。这是因为Net-FPGAlibrary由Verilog骨架设计。Net-FPGA使用标准计算机辅助设计(CAD)工具运行来实现电路的FPGA[10]。大量的公司也开发了商业网络交换机,实现OpenFlow。一些这些产品使用商业OpenFlow-enable交换机来构建测试平台，NECIP8800,WiMax,惠普Procurve5400年,思科Catalyst6kandQuantaLB4G。然而,这些交换机不适合小规模SDN试验台高成本和限制修改。基于c的LinuxPC软交换一般来说,OpenFlow的底层架构使用的是linux基于pc的软交换。Pfaetal。[7]实现OpenFlow内核模块在通用linuxPC使用ovs。OVS是OpenFlow的软交换之一，（OVS提供对OpenFlow协议的支持）通过使用开放源码提供开放和无障碍设计[12]。OVS提供虚拟机和物理接口之间的连接。树莓pi是基于arm的嵌入式系统的，比起Net-FPGA它更适合比小规模SDN环境由于低成本,易编程,标准化的设备驱动程序。树莓pi的成本只有35美元[13]，但是1gbpsNet-FPGA接口卡是1300美元，而且还需要一个专门的主平台装备他们。测试平台的架构该试验台包括三个网络设备SDN控制器,SDN交换机和主机设备。所有设备在所提出的测试平台是建立在标准树莓pi嵌入式机,并使用基于Raspbian操作系统的通用linux内核。因此,所有设备很容易重新配置评估各种网络环境。在这一章节我们描述我们的测试平台的每个网络设备网络设计和软件体系结构。网络设计网络底层就SDN主机交互连接来考虑，如图2所示,如果主机连接OVS,那么ovs就确定了匹配的流表。如果ov找不到任何流表,然后ov发送请求给基于floodlightSDN控制器。通过组成流动的路线可以动态地提供可编程网络。例如,可以路由数据包通过物理节点路由为一个特定的服务或光加载路径根据他们的优先级。提供可编程的方式网络是使QoS指标或流量路线由用户手动控制。当这些调用满足用户需求,Floodlight控制器将发出响应消息给ovs。它将更新流表并传输给目的主机。b.软件设计（OVS有许多组件，负责实现数据交换和openflow流表功能。最重要的是vswitched，实现openflow交换机的核心，通过Netlink协议直接和OVS内核模块通信。Ovsdb数据库，保存配置信息。）图3显示提出了试验台的软件设计架构。我们分析了在Raspbianlinux内核中树莓pi、ovs和Floodlight控制器之间的交互[15]。树莓linux内核是3.7.11+版本基于Ubuntu，ovs版本是2.0.90。被提议的Floodlight控制器由基本模块:QoS,基本路由、防火墙和MACtracker。因此,所有的设备作为一个网络交换机或主机动态改变。c.SDN控制器装置试验台的SDN控制器使用FloodlightSDN控制器软件。Floodlight控制器可以处理大量设备,同时保持一个高水平的服务。因此,各种应用程序如QoS控制,负载平衡,和SDN拓扑可视化可以被应用在我们的平台上。它还提供了一组丰富的api接口来执行操作底层OpenFlow网络。Floodlight控制器不只能轻松控制模块的列表而且也可以使用流行的JAVA语言。d.SDN交换机设备树莓pi提供1gbps以太网接口,不足以单独处理多个连接。为了解决这个问题,我们使用ovs开源项目创建虚拟接口。绩效评估我们实现建议SDN试验台和评估最大的吞吐量。同时,操作使用OpenFlow白皮书SDN函数进行了验证。表1和图4显示了OpenFlow功能的验证结果在试验台上。表1的检查列表中的项是根据强制性SDN的函数设定的。结果表明我们的实验平台成功实现SDN功能和操作都是使用控制器的应用验证每个结果。图4显示了MACtracking在控制器方面的终端截图,包括连接MAC和SDN交换机安全通道的信息。绩效评估是通过吞吐量比较使用M.K.Parketal测试的用net-FPGA测试平台的绩效结果数据。他们正在实验环境是异质的网络环境等不支持OpenFlow。根据本文我们构建相似测试环境如图2所示。在我们的测试场景中,主机发送使用iperf依赖于不同类型的最大部分的大量流量。我们使用iperf工具验证的吞吐量，最大报文段长度(MSS)中也做同样的配置。图5显示了不同方案的最大吞吐量Mininet模拟器,net-FGPA,树莓。Mininet是一个软件虚拟化结合的模拟器，具有可扩展的CLI和API,它还提供了一个快速原型工作流来创建、定制和分享运行真正的硬件上的SDN。我们定制Mininet相同环境实验并连接我们的Floodlight控制器。流表项向后兼容我们的实验平台得出的的实验结果显示了与1gbpsnet-FPGA硬件类似的性能。然而,Mininet模拟器并不显示精确的结果。这是因为Mininet生成一个虚拟网络基础设施,不能考虑各种实际因素和参数。结论在本文中,我们提出一个基于Rasberry-pi开源的软件使用小规模SDN试验台和软件体系结构。提出了试验台有几个好处不仅成本低,复杂度低，且易于编程。此外,实验结果显示了与1gbpsnet-FPGA硬件类似的性能。同时,重要OpenFlow功能成功实现。对于未来的工作,我们将扩展提出了SDN功能从有线到无线网络使用该试验台和软件架构。