SDN控制平面扩展性问题及解决方案
SDN 控制平面扩展性问题及解决方案
随着社会的进步，网络规模急剧膨胀、传输数据量的剧烈增长和应用类型的持续增多，导致传
统IP 网络的结构和功能日趋复杂，尤其是作为网络核心的路由器，通过不断增长的 Ｒ FC 数
量对现行网络进行修补和网络协议的多样化［1］，使其变得臃肿不堪。这与路由器最初的定
义目标背道而驰。与此同时，由于专有的硬件设备和操作系统，网络在很大程度上是封闭的，
从而造成了创新的艰难。但是，纵观当前网络行业的发展趋势，现有网络中所大量部署的网络
设备和网络协议也将在相当长一段时间内延续现有的网络体系结构［2］。
为解决当前传统网络所面临的上述问题，世界各国都开始了对下一代互联网的研究，比如美国
的GENI［3 ］、欧盟的 FI ＲE［4 ］、日本的 JGN2plus［5 ］和我国的 SOFIA［6］等。在经过
包括 ForCES［7］、4D［8］架构、Ｒ CP［9］、SANE［10 ］和 Ethane［11］在内的前期工作
基础上，于 2008 年，斯坦福大学的 Nick McKeown 教授提出了 OpenFlow［12］概念，并逐渐
推广到 SDN 概念。其核心思想是: 将路由决策控制功能从传统 IP 网络互联节点解耦出来，即
与数据转发平面分开，支持集中化的网络状态控制，实现底层网络设施对上层应用的透明，能
够通过软件编程实现硬件对数据的转发规则的控制。这是一种新型的网络架构，设计之初是为
了方便研究员在真实的网络流量环境中利用现有基础设施来进行实验，验证其观点，进行创新
［2］。
SDN 一经提出便受到了学术界和产业界的高度重视，给传统网络带来巨大冲击的同时，也为解
决传统网络所面临的问题提出了新的思路。
1 基于 OpenFlow 的SDN 组件
基于 OpenFlow 的SDN 构架主要由两部分组成:
OpenFlow 交换机和控制器。OpenFlow 交换机是数据转发平面，根据流表负责数据的转发; 而
控制器则是路由管控平面，负责抽象底层设备，维护全网视图。如图1所示。【1】
OpenFlow 交换机至少包含3 部分: 流表 ( FlowTable) 、安全通道 ( Secture Channel) 和OpenFlow
协议( OpenFlow Protocol) 。其中流表主要由流表项组成，即匹配字段( Match Field) 、计数器
( Counter) 和操作( Action)等; 安全通道则用于连接交换机和控制器的通道接口，负责两者互相
通信; 而OpenFlow 协议则是为控制器提供了一种标准格式来配置和管理OpenFlow 交换机。
控制器( Controller) : 如图2 所示，在 ONF 给出的软件定义网络体系架构中［13］，控制层中
的控制软件，与基础设施中的交换/路由等网络设备经由控制和数据平面接口交互，与应用层
各种 APP 经由开放API 交互。总之，控制器对下负责底层网络设备的抽象，对上负责提供并
维护全局视图，提供应用层的各种 APP 的接口。【2】
2 现有控制平面扩展性问题及解决
随着 SDN 关注度的提升，随之而来的是研究投入的加强和应用的增加，机遇增加的同时也带
来了挑战。
如在扩展平面方面，随着网络规模的增加，一味提升集中控制器的性能不能解决，必须增加控
制器数量来分担任务; 再者控制器数量的增加，又会带来控制器的放置问题，根据不同的性能
指标，放置问题也会多种多样。下面将列举出SDN 控制平面所遇到的问题即解决方案，介绍
SDN 扩展平面的发展。
2. 1 控制器数量的变化
在SDN 提出初期，其控制平面的一种设计就是将所有的控制功能移到一个集中控制器上，即
单控制器。
一经提出，研究人员便将全部精力集中在控制器性能及应用的高效性、创新性和实用性上，尤
其是在数据中心网络，经常利用中央控制器来进行协调和资源调度，其在文献［14 ～20］中
均有体现。文献［14］中实时地为流再次计算新的路径，文献［16］中强制性的为包路由使其
能够符合策略，文献［18］中主服务器存储分布式文件系统的元数据( Metadata) ，通过大量实
验拓扑结构证明，在大多数情况下，单控制器足够管理一个较大的网络。
然而将来是大数据时代，在对大规模网络进行管控时，控制器中存储的数据量过大，所需处理
的请求事件过于频繁，必将导致 SDN 控制器流表的爆炸性增长，流的映射及查询开销剧烈增
加; 同时，单一控制器的处理能力及 I/O 能力均有限，在面对大规模网络的复杂应用，必然会
产生系统性能瓶颈。文献［19］介绍了一种解决方案，即将简单的控制功能移植到交换机上，
减少了提交给交换机的事件请求，诸如此类思想的产品有DIFANE 和DevoFlow。虽也提高了
控制平面的可扩展性，但交换机需要特殊的ASIC( Application －Specific －Integrated Circuits)
和一般性能的 CPU 来实现这些简单功能，这就需要生产商的支持，从而增加了难度，且这种
思想也违背了 SDN 设计理念。
早期关于SDN 的提议均是基于流的，其都会产生额外的流初始化时延，文献［20］中详细阐
述了单控制器在扩展性方面所面临此的问题，即若网络直径足够大，控制器的部署位置同样会
对流的建立延迟产生影响。
图3 较好地说明了此问题: 相比右图，左图中仅有一个控制器，当跨区域建立流表和通信时均
会产生额外的时延。早期在 NOX［21 ］上进行的基准实验，表明单控制能每秒处理 3 000 个流
初始化，其中包含0. 1 ms 的流安装时间。在该种情况下，多控制器的思想便应运而生。其思
想是用多个独立的控制器来替代一个全能的控制器，每个控制器只负责部分网络，使其共同管
控整个网络，逻辑上相当于一个中央控制器。【3】
摘要：
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SDN控制平面扩展性问题及解决方案随着社会的进步，网络规模急剧膨胀、传输数据量的剧烈增长和应用类型的持续增多，导致传统IP网络的结构和功能日趋复杂，尤其是作为网络核心的路由器，通过不断增长的ＲFC数量对现行网络进行修补和网络协议的多样化［1］，使其变得臃肿不堪。这与路由器最初的定义目标背道而驰。与此同时，由于专有的硬件设备和操作系统，网络在很大程度上是封闭的，从而造成了创新的艰难。但是，纵观当前网络行业的发展趋势，现有网络中所大量部署的网络设备和网络协议也将在相当长一段时间内延续现有的网络体系结构［2］。为解决当前传统网络所面临的上述问题，世界各国都开始了对下一代互联网的研究，比如美国的GEN...
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作者：闻远设计
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