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SDN多控制器一致性的量化研究

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资料介绍

针对SDN网络中多控制器的一致性问题,提出了一种量化的研究方法,为控制层的东西向扩展提供更为精准有效的共享网络视图方法.首先,结合SDN的特性,给出了控制器之间一致性、性能以及可用性的度量指标,建立通用的量化分析模型.其次,针对其中3类典型的一致性问题进行了量化研究,明确了其取得最优值的条件,为一致性参数的配置提供了参考.最后,通过仿真实验对该量化方法进行验证.实验结果表明,该量化方法能够有效提高SDN控制层的性能和可用性.

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第37卷第6期

2016年6月

V01．37 No．6

June 2016

通信学报

JournalonCommunicatioas

doi：lO．11959a．issn．1000-436x．2016119

SDN多控制器一致性的量化研究

李军飞，兰巨龙，胡宇翔，邬江兴

(国家数字交换系统工程技术研究中心，河南郑州450002)

摘要：针对SDN网络中多控制器的一致性问题，提出了一种量化的研究方法，为控制层的东西向扩展提供更

为精准有效的共享网络视图方法。首先，结合SDN的特性，给出了控制器之间一致性、性能以及可用性的度量

指标，建立通用的量化分析模型。其次，针对其中3类典型的一致性问题进行了量化研究，明确了其取得最优值

的条件，为一致性参数的配置提供了参考。最后，通过仿真实验对该量化方法进行验证。实验结果表明，该量化

方法能够有效提高SDN控制层的性能和可用性。

关键词：SDN：多控制器：一致性；性能；可用性

中图分类号：TP393

文献标识码：A

ofmulti—controller’S consensus in SDN

Quantitative

approach

Jun—fei，LAN

Ju—long，HU Yu-xiang，WUJiang-xing

_{Engineering&Technological}R&D_{Center，Zhengzhou}

450002，China)

(National Digital Switching System

Abstract：For the

ofmulti-controller’S COnSCnSUS

WaS

problem

SDN，a

approach

proposed,which provided

east-west met-

extension．Firstly,the

quantitative

more accurate and effective method of

network view for the control

sharing

layer's

_availabilitybetween

tics of

and

the controllers奶th the feature ofSDNWas

the three

consensus，performance

provided，establish-

in the research of

the comnlon model for

ing

quantitative research．Secondly,for

typical questions

its

was

for the

results

multi．controller’S

condition to achieve

the

value

reference

consensus，the

optimal

ofthe

explicated，which provided

configuration

consensus．Finally,to verify

validity

quantitative approach by simulation,experimental

ofthe control

can

the

and

in SDN

layer effectively．

^{show that this}approach

improve

performance

availability

Keywords：SDN，multi-controller,consensus，performance，availability

式控制在为网络应用带来创新与便利的同时，也带

来了可靠性、可扩展性以及可用性等方面的问题。

目前，无论是针对SDN的可靠性问题pJ，还是可扩

展性问题14J，大多数的解决方法均采用多控制器间

主备冗余或对等协同的方法。

引言

随着网络应用的快速发展，传统的网络交换设

备承载着越来越多的控制逻辑，已难以适应虚拟

化、云计算、大数据及相关业务发展对数据高速传

输、资源灵活配置、协议快速部署的需求。软件定

defined

然而，多个控制器之间如何高效地共享网络视

图，以期实现快速的主备切换或有效的集中式控

制，即SDN控制器的一致性(consensus)lh可题，仍是

SDN多控制器网络面临的主要难题之一。维护SDN

控制器一致性的主要目的就在于要保证主控制器

义网络(SDN，software

network)提出了控

制与转发分离的设计结构，实现了开放的可编程网

络接口，为网络提供了更细粒度的管理，引起了学

术界和产业界的广泛研究【l，2】。然而，SDN的集中

收稿日期：2015．10．19；修回日期：2016．05．10

基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)基金资助项目(No．2012CB315901，No．2013CB329104)；国家自然

科学基金资助项目(No．61521003，No．61372121)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(No．2015AA016102，

No．2013AA013505)

Foundation Items：The National Basic Research

Program

China(973 Program)(No．2012CB315901，No．2013CB329104)，The

National

Research and Devel-

National Natural Science Foundation of

China(No．61521003，No．61372121)，The

High Technology

opmentProgram ofChina(863Program)(No．2015AA016102．No．2013AA013505)

2016119．1

万方数据

。87·

李军飞等：SDN多控制器一致性的量化研究

第6期

获取的网络事件能够共享给从控制器，或本地控制

器获取的网络事件能够传播给全局其余的控制器，

以使多个控制器在关于全网的视图问题上达成一

致。在SDN网络中，强一致性有利于多个控制器间

具有更加一致的网络视图，使基于集中式控制的上

层应用的效果更好。但是，这也会带来更多的通信

开销和延迟，影响控制层面的性能并降低其可用性。

目前，SDN控制器的一致性主要是通过分布式

解决的根本问题。

HyperFlow[酬是第一个提出在SDN网络中引入

分布式控制器概念的，控制器之间通过构建在分布

式文件系统WheelFS之上的订阅一发布平台实现

数据同步，以确保节点之间对网络视图的一致性。

同时，文献[8]也评估了HyperFlow中控制器节点之

间的同步性能，即每秒能够处理1 000次以下的网

络事件更新，但没有对一致性强弱对性能的影响做

进一步的研究。Onix[5]是第一款产品级的强调可用

性和可扩展性的SDN控制器，由于其针对大规模

数据存储系统来实现l引，其可供选择的一致性协议、

数据交互和同步方法有限，难以满足上层应用的多

样化部署和流量优化需求【o，川。而且，控制器一致性

的研究主要集中在设计和实现方面，多是针对不同

强度一致性的定性研究，缺少对其进一步的量化和

优化。因此，研究多控制器之间一致性、性能以及

可用性的量化关系，并基于此来寻求SDN多控制

器间的协同优化配置，对于提升SDN控制层面的

的商用级网络所开发，所以广泛应用于Google、

VMware等公司的商用网络中。Onix控制器为上层

information

应用提供了NIB(network

base)的网络

视图，并有2种可供选择的不同类型的数据库用于

节点间的数据同步：面向SQL的、具有强一致性的

事务型数据库，但其同步性能较低；基于DHT

Hash

整体性能具有重要的现实应用价值。

(distributed

map)的、仅能最终一致性的

综上，本文提出了一种SDN多控制器的一致性

量化研究方法，希望能引起相关研究者的兴趣。具

体而言，本文通过建立SDN多控制器的通用量化分

析模型，研究其一致性、性能及可用性之间的协同

优化配置，以减少同步的通信开销、提高可用性。

Key—Value数据库，但有较好的同步性能。然而，

Onix是一款不开源的控制器，且仅提供了2种不同

强弱的一致性模型，难以适应SDN上层应用的多

样化需求。OpenDayLight是一个以商用为初衷的开

源的控制器项目，得到Cisco、IBM等公司的支持，

其中的多控制器协同主要是采用云计算中的

2相关工作

Infinispan数据存储框架一J，但由于其目前仍在开发

之中，没有达到理想的性能指标，故需要重新考虑

该部分的设计【J 。

SDN的主要优势之一就是具有全局的网络视

图，供部署在控制器上层的应用所使用，以简洁高

效地解决传统网络中难以解决的问题，如Handigol、

Wang等【1'2】的研究结果表明集中式网络具有更为有

效的负载均衡管理。然而，SDN网络中也存在着可

靠性、可扩展性以及可用性等方面的问题，成为了

该领域的研究热点。例如，Li等【3J针对主控制器异

另外，Bailis等lllJ研究了如何采用PBS(prob—

bounded

abilistically

staleness)模型预测分布式节

点间数据的最终一致性强度，为一致性和性能之间

的权衡提供了借鉴方法。但是，该模型针对通用的

分布式系统，没有结合SDN的特性给出具体的优

常会造成整个网络瘫痪的问题，提出了多个冗余控

化方法。Hassas等【12j提出了一种层次式架构来实

现多控制器间的一致性，其中，上下两层控制器形

成树状结构，下层的控制器负责局部交换机的管

理，上层控制器协调下层控制器的同步，维护网络

视图的一致性。然而，该方法仅改变了多控制器间

的通信模式，并没有缓解一致性和性能之问的冲突

问题。

制器采用BFT(byzantine^faulttolerant)技术，以增强

控制层的可靠性。另外，Dixit等【4J针对不断增长的

SDN网络规模及单个控制器性能有限的问题，提出

了多个分布式控制器协同工作的方法，以解决SDN

网络的可扩展性。因此，无论是解决SDN网络中

的可靠性还是可扩展性，目前大多数的方法都是基

于多控制器的思想。然而，由于不同控制器管理的

交换机不同或角色不同，导致其获得的网络视图不

同，为了能够达到SDN的集中式控制效果，多个

控制器之间需要同步其网络视图。控制器之间如何

同步，使具有更加一致的网络视图，是上述研究要

3一致性问题的量化模型

3．1动机

在分布式系统一致性的研究中，一致性与性能

之间的平衡始终是研究热点，针对不同的应用场景

万方数据

第37卷

通信学报

表1

常见的网络事件

提出了不同强弱的一致性协议【l3'14J。例如，Paxos

是解决分布式系统一致性问题的经典算法，可以保

证多控制器之间具有强一致的网络视图，但是在一

次数据同步中，proposer、acceptor和learner之间需

要多次交互。如图1所示，这种信息交互方式会产

综上可知，一致性的分析是要针对某一具体

的上层应用，且取决于该应用中所涉及网络事件

的类型和数量。所以，对于部署在多个SDN控制

器上的某一应用彳，定义控制器节点CNi的一致

性为

生较大的网络通信开销，尤其是在选举失败或提

议冲突的情况下消耗的网络带宽更为严重。因

此，采用弱一致性协议或最终一致性协议来降低

节点间同步的通信开销，对于提升性能具有较好

的效果。然而，弱一致性导致了控制器之间网络

视图的差异，影响某些上层应用的功能和效果，

q=芝乃蚓

，=1

文献[63qb所提及的流量负载均衡应用。因此，如

何在满足上层应用一致性要求的情况下，实现最

其中，西(1 ，所)表示在控制器节点CM上应用A

中所涉及的网络事件的类型，l△岛I表示该控制器节

点上已更新的但还没有及时同步的网络事件西的最

小的同步通信开销以及最高的可用性，是本文的

研究重点。

大数量，丑表示事件西在应用A中的影响因子。可以

看出，C，的取值越大，该节点的一致性越弱。进一步

地，可以定义应用彳在整个系统中的一致性为

■——]

leamer

client

acce‘ptor

proposer

1：request

～

2=prepare(N)

；3romise(N,{屹，Pj，K)r

～

(2)

4：accept(Ⅳ'p：)

c=窆q=杰羔乃I峨I

i=l

i=1

j=l

accepted(N,啪

一5

accept(?v-,V．)

其中，疗表示网络中控制器的数目。那么，当仅有

c；=l，V『≠f，C，=0，意味着SDN控制层面仅有

]

resoonse

一个控制器节点有事件更新，对应用于增强SDN

网络可靠性的主备冗余多控制器网络：当Vf，ci=1，

图1 Paxos算法的处理流程

3．2相关概念

3．2．1一致性

意味着每个节点最多有一个需要同步的事件，对应

强一致性的分布式多控制器网络。

3．2．2性能

对于一个SDN控制器节点，由于本地缓存或

通信延迟，使其控制区域内更新的网络事件没有

及时地共享给它其余的控制器，造成了节点间网

络视图的不一致。因此，这里采用控制器间网络

事件的差异度作为一致性的度量指标，控制器之

间网络事件的差异度越大，意味着系统的一致性

越弱。另外，控制器节点上有不同类型的网络事

件，表1中列举了部分常见的事件，如新的主机

节点加入、链路断开、流量负载更新等，并且，

一致性的强弱很大程度上依赖于具体的应用，例

控制器之间进行一致性同步的性能主要受限

于2个因素：1)节点间的通信开销；2)单节点的

同步负载。下面将逐一分析上述因素与一致性的关

系，以研究性能与一致性之间的平衡点。

对于通信开销，控制器节点CNi在同步一个网络

_{事件岛时，产生的数据分组通常较小，平均在1}KB

左右，最大不超过4 KB【15】，如图1中步骤2的数

据分组。而且，一致性协议交互过程中的其余数据

分组的大小也大都在该范围内，差异不大，如图1

中步骤3～步骤5通信过程的数据分组。因此，使用

单位时间内的通信次数作为衡量通信开销的指标，

文献[16】中也采用了该近似方法。那么，当控制器

节点CM每次均在达到一致性上限G时，节点间进

行一次一致性同步，则可以获得最小的通信开销，

速率为

如，对于路径计算应用来说是弱一致性的协议，

而对于负载均衡应用来说却可能是强一致性的。

同时，不同的网络事件对于同一上层应用的一致

性影响是不同的，例如，对于路径计算应用的一

致性而言，网络拓扑的变化相对于流量负载的变

化，具有更大的影响。

2016119．3

万方数据

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