2015年10月軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器及北向接口技術(shù)目錄控制器核心技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析2控制器總體架構(gòu)2控制器層次化架構(gòu)SDN控制器（n+1）層SDN控制器（n）層SDN控制器（n-1）層客戶端（控制器）服務(wù)器（代理）客戶端（控制器）服務(wù)器（代理）客戶端（控制器）服務(wù)器（代理）I-CPII-CPII-CPID-CPI至數(shù)據(jù)平面（n-2）層A-CPI至應(yīng)用平面（n）層D-CPI至數(shù)據(jù)平面（n-1）層A-CPI至應(yīng)用平面（n+1）層D-CPI至數(shù)據(jù)平面（n）層A-CPI至應(yīng)用平面（n+2）層相鄰控制器層次間以CS模式交互

擴(kuò)展性好，模塊化程度高：高層控制器具有更廣闊的資源視角，支持更好的網(wǎng)絡(luò)資源抽象能力提供系統(tǒng)安全性高：每個(gè)控制器層都可以有各自的信任域，可針對(duì)不同層次之間的引用點(diǎn)進(jìn)行專門的安全強(qiáng)化3目錄控制器核心技術(shù)南向網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)北向業(yè)務(wù)支撐技術(shù)東西向控制器擴(kuò)展技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析控制器的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)主要包括通過(guò)南向接口協(xié)議進(jìn)行鏈路發(fā)現(xiàn)、拓?fù)涔芾怼⒉呗灾贫ā⒈眄?xiàng)下發(fā)等鏈路發(fā)現(xiàn)和拓?fù)涔芾恚嚎刂破骼媚舷蚪涌诘纳闲型ǖ缹?duì)底層交換設(shè)備上報(bào)信息進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)策略制定和表項(xiàng)下發(fā)：控制器利用南向接口的下行通道對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)施統(tǒng)一控制南向網(wǎng)絡(luò)控制5鏈路發(fā)現(xiàn)獲得SDN全網(wǎng)信息的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址學(xué)習(xí)、VLAN、路由轉(zhuǎn)發(fā)等網(wǎng)絡(luò)功能的必要基礎(chǔ)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)現(xiàn)由各個(gè)網(wǎng)元自主進(jìn)行不同，SDN網(wǎng)絡(luò)中的鏈路發(fā)現(xiàn)工作由控制器統(tǒng)一完成OF交換機(jī)直連鏈路的發(fā)現(xiàn)LLDP協(xié)議OF交換機(jī)非直連鏈路的發(fā)現(xiàn)廣播LLDP報(bào)文結(jié)構(gòu)OF交換機(jī)直連鏈路發(fā)現(xiàn)6拓?fù)涔芾黼S時(shí)監(jiān)控和采集網(wǎng)絡(luò)中SDN交換機(jī)的信息，及時(shí)反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備工作狀態(tài)和鏈路連接狀態(tài)控制器通過(guò)定時(shí)地發(fā)送包含有LLDP數(shù)據(jù)包的Packet_out消息給與其相連接的SDN交換機(jī)并根據(jù)反饋回來(lái)的Packet_in消息獲知交換機(jī)信息，監(jiān)測(cè)交換機(jī)工作狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D更新當(dāng)SDN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，該機(jī)制會(huì)導(dǎo)致較慢的收斂過(guò)程，影響網(wǎng)絡(luò)情況的實(shí)時(shí)反饋；同時(shí)，該機(jī)制也使得包含LLDP數(shù)據(jù)包的Packet_out消息的發(fā)送周期設(shè)置更為復(fù)雜隨時(shí)記錄各種邏輯組網(wǎng)信息，滿足云計(jì)算環(huán)境下多租戶共享網(wǎng)絡(luò)資源的需求7策略制定交換機(jī)流表生成算法是影響控制器智能化水平的關(guān)鍵因素流表是SDN交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)包處理的最根本依據(jù)，直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能流表由集中化的控制器基于全網(wǎng)拓?fù)湟晥D生成，并統(tǒng)一下發(fā)給數(shù)據(jù)流傳輸路徑上所有SDN交換機(jī)控制器需要針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸需求，制定相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略并生成對(duì)應(yīng)的流表項(xiàng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SDN在各臺(tái)設(shè)備的本地進(jìn)行相關(guān)算法的執(zhí)行，通常只能根據(jù)設(shè)備自身所掌握的有限的局部網(wǎng)絡(luò)鏈接情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理決策具有集中化管控的優(yōu)勢(shì)，控制器能夠擁有全局的網(wǎng)絡(luò)資源視圖，因此更容易獲得優(yōu)化的算法執(zhí)行結(jié)果，但是處理壓力較重8表項(xiàng)下發(fā)控制器通過(guò)流表下發(fā)機(jī)制控制SDN交換機(jī)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)主動(dòng)（proactive）的流表下發(fā)是指在數(shù)據(jù)包到達(dá)OpenFlow交換機(jī)之前就進(jìn)行流表設(shè)置，因此當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)交換機(jī)后，交換機(jī)就已經(jīng)知道該如何處理數(shù)據(jù)包了，這種方式有效地消除了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的流表項(xiàng)設(shè)置延遲。同時(shí)，不存在控制器每秒鐘能夠處理的流數(shù)量的限制。理想情況下，控制器需要盡可能地預(yù)擴(kuò)散（pre-populate）流表項(xiàng)被動(dòng)（reactive）的流表下發(fā)是指當(dāng)OpenFlow交換機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包并且沒有發(fā)現(xiàn)與之匹配的流表項(xiàng)時(shí)，只能將其送給控制器處理。一旦控制器確定了相應(yīng)的處理方式，那么相關(guān)的信息就會(huì)返回并緩存在交換機(jī)上，同時(shí)控制器將確定這些緩存信息的保存時(shí)限9目錄控制器核心技術(shù)南向網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)北向業(yè)務(wù)支撐技術(shù)東西向控制器擴(kuò)展技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析11北向業(yè)務(wù)支撐控制器的業(yè)務(wù)支撐主要是通過(guò)北向接口為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用以及資源管理系統(tǒng)提供靈活的網(wǎng)絡(luò)資源抽象網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開發(fā)者通過(guò)北向接口，以軟件編程的方式調(diào)用局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等各種各樣的網(wǎng)絡(luò)資源能力網(wǎng)絡(luò)資源管理系統(tǒng)通過(guò)北向接口獲知網(wǎng)絡(luò)資源的工作狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)度，滿足業(yè)務(wù)資源需求北向接口定義是當(dāng)前SDN領(lǐng)域關(guān)注和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一北向接口直接為業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的，其設(shè)計(jì)需要密切聯(lián)系業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，所以具有更多樣化的特征較難統(tǒng)一北向接口設(shè)計(jì)的合理性和網(wǎng)絡(luò)能力開放的充分性，將直接影響到SDN控制器技術(shù)和產(chǎn)品的市場(chǎng)前景12RESTAPI設(shè)計(jì)原則RESTAPI是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用戶容易接受的方式，成為北向接口主流可尋址性強(qiáng)：對(duì)應(yīng)用而言，只要是用戶可能感興趣的數(shù)據(jù)或者算法的片段，都應(yīng)該具有獨(dú)立的地址被標(biāo)識(shí)以方便用戶訪問(wèn)，而URI是HTTP協(xié)議中標(biāo)識(shí)資源的方法，這就意味著每個(gè)片段都應(yīng)該擁有自己的URI。另外，URI的描述還應(yīng)當(dāng)具有良好的可讀性接口無(wú)狀態(tài)：對(duì)于每個(gè)請(qǐng)求而言，它們彼此之間應(yīng)該是隔離的。服務(wù)器不會(huì)根據(jù)之前的訪問(wèn)行為來(lái)約束后續(xù)的動(dòng)作，除非某些行為已經(jīng)影響到了服務(wù)器資源。在實(shí)踐中，這就意味著應(yīng)用在處理請(qǐng)求時(shí)不應(yīng)該使用基于會(huì)話的變量。注重關(guān)聯(lián)性：應(yīng)用應(yīng)該能夠根據(jù)用戶發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，自動(dòng)地在反饋的信息中盡可能地包含與請(qǐng)求相關(guān)的全部資源鏈接，以允許用戶在無(wú)需理解所有URI對(duì)應(yīng)的資源的前提下從應(yīng)用反饋的信息中選取可用資源。接口要統(tǒng)一：Web服務(wù)應(yīng)當(dāng)擁有統(tǒng)一的資源編址及表述方案。其中，統(tǒng)一編址需要在對(duì)資源相關(guān)的URI進(jìn)行準(zhǔn)確描述的基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP請(qǐng)求方法（例如GET、POST、PUT、DELETE等）；而統(tǒng)一表述則需要利用標(biāo)準(zhǔn)化的編碼機(jī)制（例如XML），同時(shí)，訪問(wèn)錯(cuò)誤處理也應(yīng)當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)化的HTTP響應(yīng)編碼。13OpenDaylight北向接口設(shè)計(jì)OpenDaylight具備比較完善的功能設(shè)計(jì)并且擁有較大的業(yè)界影響力，有可能成為SDN領(lǐng)域日后的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)OpenDaylight的北向接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)涵蓋了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能、網(wǎng)絡(luò)編排功能、服務(wù)管理功能等各個(gè)方面基于OSGi（OpenServiceGatewayInitiative）框架的接口，主要用于與控制器處于同一地址空間內(nèi)的Java應(yīng)用開發(fā)（例如應(yīng)用可作為控制器提供服務(wù)的一部分）雙向的RESTAPI接口，主要用于開發(fā)遠(yuǎn)程的基于Web的應(yīng)用，并為之提供完備的接口描述、URI、參數(shù)、響應(yīng)設(shè)置、狀態(tài)編碼等信息目錄控制器核心技術(shù)南向網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)北向業(yè)務(wù)支撐技術(shù)東西向控制器擴(kuò)展技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析15東西向控制器擴(kuò)展通過(guò)控制器的東西向擴(kuò)展，形成分布式集群，避免單一控制器可能存在的可靠性、擴(kuò)展性、性能等方面的問(wèn)題SDN支持控制能力的集中化，使得控制器具有更大的責(zé)任一旦控制器在性能或者安全性上不能得到有效保障，將導(dǎo)致整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力降級(jí)甚至全網(wǎng)癱瘓?jiān)诮M網(wǎng)架構(gòu)方面，系統(tǒng)中單一的控制器無(wú)法應(yīng)對(duì)跨越多個(gè)地域的SDN網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題16基于控制器集群的SDN架構(gòu)控制器的軟件化使得服務(wù)器可以作為控制器的載體，控制器集群可以以服務(wù)器集群為基礎(chǔ)進(jìn)行搭建17控制器集群核心技術(shù)為確保控制器集群對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)的控制效果，必須重點(diǎn)關(guān)注主控制器選舉、控制器集群對(duì)交換機(jī)透明化等問(wèn)題主控制器選舉：在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，集群中的副控制器需要周期性地監(jiān)控主控制器的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)其訪問(wèn)不可達(dá)，就要啟動(dòng)主控制器選舉過(guò)程集群虛擬地址：為了實(shí)現(xiàn)控制器之間的負(fù)載均衡，控制器集群可以借鑒傳統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)，利用集群虛擬地址實(shí)現(xiàn)控制器集群對(duì)交換機(jī)的透明化全網(wǎng)拓?fù)浍@取：為了獲得全網(wǎng)資源情況，各控制器周期性地進(jìn)行鏈路發(fā)現(xiàn)，并將采集回來(lái)的信息發(fā)給主控制器匯總，再由主控制器統(tǒng)一下發(fā)給控制器控制器失效應(yīng)對(duì)：如果控制器失效，集群利用負(fù)載均衡技術(shù)，將此前指派給失效服務(wù)器的虛擬IP地址映射到其它工作正常的控制器上，同時(shí)觸發(fā)對(duì)全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌母潞瞳@取目錄控制器核心技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析19控制器設(shè)計(jì)目標(biāo)SDN控制器通用性擴(kuò)展性可靠性簡(jiǎn)潔性高性能20控制器設(shè)計(jì)要素目錄控制器核心技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析22名稱編程語(yǔ)言特征簡(jiǎn)介BeaconJava由Stanford大學(xué)開發(fā)，采用跨平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)支持基于事件和線程化的操作FloodlightJava由BigSwitchNetworks開發(fā)，遵循Apache許可證，是企業(yè)級(jí)的OpenFlow控制器，脫胎于BeaconFlowERErlang由TravelpingGmbH個(gè)人開發(fā)，是基于Erlang語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的用于網(wǎng)絡(luò)控制的軟件平臺(tái)JaxonJava由Tsukuba大學(xué)開發(fā)，依賴于NOX，提供了可將Java應(yīng)用程序和NOX控制器相整合的接口MulC由Kulcloud開發(fā)，內(nèi)核采用基于C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的多線程架構(gòu)，為應(yīng)用提供了多各層次的北向接口NodeFlowJavascript由Cisco開發(fā)，基于Node.js的OpenFlow控制器，利用了GoogleV8引擎NOXC++/Python由Nicira開發(fā)，業(yè)界第一款OpenFlow控制器，是眾多SDN研發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)POXPython由Nicira開發(fā)，是NOX的純Python實(shí)現(xiàn)版本，支持控制器原型功能的快速開發(fā)RyuPython由NTT開發(fā)，能夠與OpenStack平臺(tái)整合，具有豐富的控制器API，支持網(wǎng)絡(luò)管控應(yīng)用的創(chuàng)建TremaRuby/CNEC開發(fā)，具有模塊化的框架主要開源控制器目錄控制器核心技術(shù)控制器設(shè)計(jì)要素控制器實(shí)現(xiàn)分析案例分析方法總結(jié)24NOX/POX業(yè)界第一款OF控制器，Nicira主導(dǎo)開發(fā)，采用組件化架構(gòu)Discovery組件：用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫扑愕腖LDP發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，通過(guò)向所有的交換機(jī)接口發(fā)送LLDP數(shù)據(jù)包，從而通過(guò)接收到的LLDP數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)交換機(jī)鏈接情況Topology組件：用于在控制器內(nèi)存中記錄當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中所有處于活動(dòng)狀態(tài)的鏈接信息，并根據(jù)連接情況變化及時(shí)更新Routing組件：用于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通路的計(jì)算，它將盡可能地保證數(shù)據(jù)通路的路徑最短，并與Topology組件關(guān)聯(lián)以維護(hù)路由信息Monitoring組件：用于周期性地向所有與控制器相連的交換機(jī)發(fā)送查詢信息，以獲知交換機(jī)工作狀態(tài)是否正常Authenticator組件：用于在控制器內(nèi)存中記錄網(wǎng)絡(luò)中所有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的主機(jī)和用戶信息，并利用一個(gè)三元組作為網(wǎng)絡(luò)位置對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行索引。這個(gè)三元組由鏈路層地址、網(wǎng)絡(luò)層地址和訪問(wèn)點(diǎn)（例如數(shù)據(jù)通路、端口對(duì)等）組成25RyuNTT主導(dǎo)開發(fā)，支持邏輯上集中控制的SDN操作系統(tǒng)26FloodlightBigSwitch主導(dǎo)開發(fā)，企業(yè)級(jí)的OF控制器OpenDaylight8ManagementGUI/CLIControllerPlatformSouthboundInterfaces&Protocol

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