SDN體系結(jié)構(gòu)與OpenFlow技術(shù)基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9964SDN體系結(jié)構(gòu)與OpenFlow技術(shù)基礎(chǔ)概述 1215171.1SDN體系結(jié)構(gòu) 1114501.2OpenFlow交換機結(jié)構(gòu) 270231.3OpenFlow協(xié)議 3231191.4OpenFlow流表 31.1SDN體系結(jié)構(gòu)SDN是一種數(shù)據(jù)控制分離、軟件可編程的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，由ONF提出，分為三層結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層、應用層，其基本架構(gòu)如圖3所示，圖SEQ圖\*ARABIC3SDN體系結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)設(shè)施層是若干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以包含一個或多個SDNDatapath。每個SDNDatapath是一個邏輯上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，單純被用來轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)，其在邏輯上代表了全部或部分的物理資源，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也可以是軟件虛擬交換機[25]，比如OpenvSwitch?？刂茖邮怯蒘DN控制器組成，是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，SDN控制器主要負責兩個任務，一是將SDN應用層請求轉(zhuǎn)換到SDNDatapath，通常使用的控制協(xié)議是OpenFlow，NETCONF、BGPLS和PCEP等；二是為SDN應用層提供底層網(wǎng)絡(luò)的抽象模型。應用層由SDN應用構(gòu)成，SDN應用能夠通過可編程方式把需要請求的網(wǎng)絡(luò)行為提交給控制器。SDN體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點分為三個方面：（1）轉(zhuǎn)控分離基礎(chǔ)設(shè)施層只負責基于流表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)方式基于通用方法[26]，硬件廠家無需設(shè)計專用的硬件和軟件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備白牌化，降低設(shè)計復雜度與成本；網(wǎng)絡(luò)的控制部分交由控制層處理，轉(zhuǎn)發(fā)策略由控制器做出，通過流表下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。（2）集中控制網(wǎng)絡(luò)中的所有轉(zhuǎn)發(fā)決策由控制器集中處理，控制器具有獲得全局視角的能力，能夠?qū)θW(wǎng)資源進行合理調(diào)配與優(yōu)化，使得類似于復雜的流量工程問題，可以得到很好的解決。集中控制使得所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以僅通過控制器進行訪問，大大簡化了網(wǎng)絡(luò)管理復雜度。（3）可編程性與開放性SDN網(wǎng)絡(luò)提供了強大的可編程性與開放性，通過南北向接口，能夠?qū)崿F(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)應用和底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施更好的協(xié)調(diào)與配合，實現(xiàn)業(yè)務的快速上線和下線。綜上所述，SDN技術(shù)優(yōu)勢明顯，它解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中無法避免的一些問題，包括網(wǎng)絡(luò)管理復雜性、網(wǎng)絡(luò)缺乏靈活性、對需求變化的響應速度緩慢、無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化以及高昂的運維成本等。SDN通過轉(zhuǎn)控分離、集中控制以及可編程性與開放性，使得網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展更加具有創(chuàng)新性[27]。1.2OpenFlow交換機結(jié)構(gòu)OpenFlow協(xié)議已經(jīng)成為控制器與SDN交換機通信的事實標準。支持OpenFlow的交換機滿足OpenFlow協(xié)議規(guī)范，其結(jié)構(gòu)[7]如圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4OpenFlow交換機結(jié)構(gòu)圖其中：安全通道用于連接OpenFlow交換機與控制器，使用TCP或TLS進行連接，默認使用6633端口號；流表是控制器下發(fā)OpenFlow交換機作為其轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)，流表由流表項組成，每流表項都指定了匹配的報文和對應的動作；OpenFlow協(xié)議是交換機與控制器進行通信所遵循的標準，在下一小節(jié)進行詳細闡述。OpenFlow交換機可以用軟件實現(xiàn)，比如OpenvSwitch，本論文使用此交換機進行研究。1.3OpenFlow協(xié)議OpenFlow協(xié)議是控制器和交換機之間實事上的標準協(xié)議。自2009年底發(fā)布1.0版本后，OpenFlow協(xié)議又經(jīng)歷了1.1、1.2、1.3、1.4以及1.5版本的演進過程，目前使用和支持最多的是1.0和1.3版本。本論文使用OpenFlow1.0版本[28]進行研究。OpenFlow協(xié)議由三種消息組成：控制器到交換機消息、異步消息和對稱消息。控制器到交換機消息由控制器發(fā)送，分為許多子類型，主要包括指定、修改或刪除流定義、請求交換機功能信息的Features消息、查詢或設(shè)備交換機配置的Configuration消息，以及指定端口發(fā)出數(shù)據(jù)包PacketOUT消息等。異步消息是由交換機發(fā)送，包括未匹配成功上送數(shù)據(jù)包的PacketIN消息、通知流表項被刪除的FlowRemoved消息、通知控制器端口狀態(tài)變化的PortStatus消息以及錯誤發(fā)生時的Error消息等。對稱消息可由控制器與交換機任一方發(fā)出，主要用于建立連接、測量延遲與?；畹取?.4OpenFlow流表OpenFlow流表可視為OpenFlow對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的一種抽象。由于OpenFlow設(shè)備沒有控制邏輯，只是根據(jù)流表進行轉(zhuǎn)發(fā)操作。OpenFlow協(xié)議的流表項中整合了網(wǎng)絡(luò)棧中各個層次的信息，從而在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時可以使用更豐富的規(guī)則。OpenFlow協(xié)議1.0版本的流表項結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖SEQ圖\*ARABIC5OpenFlow1.0協(xié)議流表項結(jié)構(gòu)圖流表的每個流表項都由3部分組成：用于數(shù)據(jù)包匹配的包頭域，用于統(tǒng)計匹配數(shù)據(jù)包個數(shù)的計數(shù)器，用于展示匹配的數(shù)據(jù)包如何處理的動作。包頭域用于對交換機接收到的數(shù)據(jù)包的包頭內(nèi)容進行匹配。在OpenFlowv1.0中，流表的包頭域中包括了12個元組，相關(guān)內(nèi)容如圖6所示。圖SEQ圖\*ARABIC6OpenFlow1.0協(xié)議流表項包頭域圖包頭域中用于和交換機接收到的數(shù)據(jù)包進行匹配的元組涵蓋了ISO網(wǎng)絡(luò)模型中第二至第四層的網(wǎng)絡(luò)配置信息，每一個元組中的數(shù)值可以是一個確定的值或者是“ANY”以支持對任意值的匹配。OpenFlow協(xié)議1.1版本之后包頭域被稱作匹配域，本論文為了描述一致，將包頭域稱作匹配域。OpenFlow流表的計數(shù)器可以針對交換機中的每張流表、每個數(shù)據(jù)流、每個設(shè)備端口、每個轉(zhuǎn)發(fā)隊列進行維護，用于統(tǒng)計數(shù)據(jù)流量的相關(guān)信息。OpenFlow流表的動作