CN110198234A - 软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法 - Google Patents

软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，通过控制器建模网络中的流信息；建模交换机的剩余流表项；建模服务器处理流带宽；选取网络中部署VNF和OVS的最佳位置，以及流需要经过的VNF，选取过程需要满足以下约束，即交换机流表项限制和服务器处理流带宽的限制；当交换机节点部署服务器时，如果服务器上部署OVS，则为交换机安装通配符流表项，否则安装细粒度流表项；入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的信息去除。本发明提出一种新的联合部署方法，使用通配符流表项和部署OVS的方式，可以在满足流表项限制的条件下，部署最少服务器，减少部署开销，具有广阔的应用前景。

Description

软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法
技术领域
本发明属于虚拟网络功能部署领域，具体地涉及一种针对流表受限的软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法。
背景技术
软件定义网络(Software-defined networking，SDN)，是一种新型的软件网络架构，利用OpenFlow协议，把网络数据转发平面和控制管理平面分离，原本由交换机承担的控制工作上交给控制层中的控制器来管理，主要负责拓扑管理、资源统计、路由计算、配置下发等功能，转发层则只需对数据进行转发，如果有流表项匹配则直接转发，否则上报控制器决策。
网络功能虚拟化技术(NFV)是由运营商创建，将网络功能从专用硬件迁移到商用服务器，形成虚拟化网络功能。通过SDN的集中控制，NFV可以使运营商轻松灵活地管理网络，其采用标准服务器承载各种各样的网络功能(例如，防火墙，入侵检测，负载均衡器，WAN加速器)，实现网络资源的灵活配置，不仅可以降低设备成本，还可以提高网络可拓展性。VNF可以理解为被虚拟化出来的一个个网元，例如通信网络中的MME/SGW/PGW这些网元，每种网元各自承担了通信网络中的某个网络功能(NF)。通过虚拟化技术将这些网元虚拟化后，就成了一个个的VNF。
为了让流经过特定的网络功能，需要灵活部署VNF，SDN网络中的交换机支持细粒度匹配(例如五元组：源和目标IP，传输协议以及源和目标端口)，但更精细的粒度必将产生更多的流表项，流表项一般都存储在昂贵且耗能的TCAM中。据调查发现，TCAM的价格比RAM贵400倍,且每兆消耗的功率比服务器中基于RAM的存储消耗要大100倍，此外，流表项的查找速度和插入速度与TCAM的大小有关。例如，基于TCAM功率模型，1MbTCAM芯片上的单次搜索需要17.8nJ和2.1ns，而36Mb TCAM芯片上的相同搜索需要分别为483.4nJ和46.9ns。由于TCAM的高能耗及高成本，目前市面上主流的SDN交换机通常只支持数千条流表项的存储，比如HP 5406zl交换机支持1500条流表项。然而，随着互联网的日益发达，目前的网络规模越来越大，数千条的流表项不足为数以百万计的数据流进行单条流的精确匹配，随着VNF的加入，流表项短缺问题更加严重，这也是本发明提出VNF和OVS联合部署的出发点。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，该方法对部分流表项不足的交换机，采用安装通配符流表项和服务器上部署虚拟交换机(OVS)的方式，减少交换机流表项使用和VNF部署，降低部署成本。
本发明的技术方案是：
一种软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，包括以下步骤：
S01：建模软件定义网络中的流信息，建模交换机的剩余流表项信息，建模服务器处理流带宽；
S02：确定满足交换机流表项限制和服务器处理流带宽限制条件下的虚拟网络功能(VNF)、虚拟交换机(OVS)部署位置，以及流需要经过的VNF；
S03：当交换机节点部署服务器时，如果服务器上部署OVS，则为交换机安装通配符流表项，服务器上部署VNF和OVS，否则为交换机安装细粒度流表项，服务器上部署VNF；
S04：入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的VNF信息去除。
优选的技术方案中，所述步骤S01中，通过控制器统计收集网络中的流信息，计算多条可行路径，用贪心算法得到网络负载最小的转发路径，配置静态流表项。
优选的技术方案中，所述建模交换机的剩余流表项信息，通过已知的交换机流表项数量减去得到的需要部署的静态流表项数量，得到交换机剩余流表项信息，用s(u)表示u交换机节点的剩余流表项。
优选的技术方案中，所述步骤S02中，以服务器部署数量最少化为优化目标，建立目标函数和约束条件：
其中，xu表示第u个交换机节点是否部署VNF，U是交换机节点的集合，xup表示流p是否经过交换机节点u上的VNF，yu表示第u个交换机节点是否部署OVS，r(p)表示流的带宽，|P|表示流的个数，P表示经过VNF的流路径集合，yup表示流p是否在交换机节点u上部署流表项，Su表示经过交换机节点u的流路径集合，κ表示服务器处理流的最大带宽。
优选的技术方案中，所述步骤S04中入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，包括将VNF信息写成tag嵌入在数据包头内，使用未使用的字段自定义tag。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明主要适用于现有SDN网络向VNF网络过度中，交换机在面对数据流量庞大的网络中部署VNF面临的流表项不足问题，提出一种VNF和OVS联合部署的软件定义网络，并给出相应的部署方法和路由方法，可以在满足流表项限制的前提下，部署最少量服务器，选择最优的VNF、OVS部署位置，减少部署开销，具有很广阔的应用前景。
(2)只需部署少量流表项。该方法不会对原始网络的交换机流表项进行大规模更改，控制器只需增加性的在部分安装有服务器的交换机上部署流表项，为数据包头增加VNF信息，保证网络性能的同时减少部署开销。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法的流程图；
图2为本实施例的网络拓扑；
图3为本实施例部署VNF和OVS后的网络拓扑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
本发明是一种软件定义网络OVS和VNF联合部署方法，其中软件定义网络是由支持OpenFlow协议的交换机搭建而成，控制器收集网络中的流信息，计算多个可行路径，用贪心算法选取网络负载最小的转发路径；建模交换机剩余流表项信息；建模服务器处理流带宽；为网络部署最少数量的服务器，服务器中安装VNF，部分服务器安装OVS，服务器的安装要满足如下两个条件：1、增加的交换机流表项不能超过剩余流表项限制。2、VNF和OVS处理流带宽的能力不能超过服务器处理流带宽能力；当交换机节点部署服务器时，如果服务器上部署OVS，则为交换机安装通配符流表项，否则安装细粒度流表项；入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的信息去除。
部署的VNF为Consolidated Middlebox，即使用软件虚拟化的技术整合所有网络功能，避免走服务功能链带来的路由环问题和流表项爆炸式增多问题。
如图1所示，本实施例的部署过程如下：
(1)利用控制器对整个网络具有集中控制的特性，统计收集网络中的流信息，计算多条可行路径，用贪心算法得到网络负载最小的转发路径，配置静态流表项。
(2)建模交换机的剩余流表项信息，通过已知的交换机流表项数量减去步骤(1)中求得的需要部署的静态流表项数量，得到交换机剩余流表项信息，用s(u)表示u交换机节点的剩余流表项。
(3)建模服务器处理流带宽，用κ表示服务器处理流的最大带宽。
(4)以服务器部署数量最少化为优化目标，确定满足交换机流表项限制和服务器处理流带宽限制条件下的VNF、OVS部署位置，以及流需要经过的VNF，其目标函数和约束条件如下所示：
在上述公式中，xu表示第u个交换机节点是否部署VNF，U是交换机节点的集合，优化目标是部署最少的服务器。xup表示流p是否经过节点u上的VNF，yu表示第u个交换机节点是否部署OVS，r(p)表示流的带宽，|P|表示流的个数，P表示经过VNF的流路径集合，yup表示流p是否在交换机节点u上部署流表项，Su表示经过u节点的流路径集合，即Su＝{p＝(s,t)∈P∶d(s,u)+d(u,t)＝d(s,t)}，其中，d(x,y)表示节点x到节点y的最优路径。
其中，第一个不等式表示VNF与OVS处理的流代宽不大于服务器处理流的最大带宽。第二个不等式表示交换机流表项增加的数量小于等于交换机剩余流表项数量。第三个等式表示一条流只需要被一个VNF处理。第四个等式表示只能在原先流经过的交换机节点上部署VNF。
(5)当交换机节点部署服务器时，如果服务器上部署OVS，则为交换机安装通配符流表项，服务器上部署VNF和OVS，否则为交换机安装细粒度流表项，服务器上部署VNF。
(6)入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的VNF信息去除。
对于交换机，其支持OpenFlow协议，每个交换机可以包含多个表，每个表包含多个流表项。假设表从0开始按顺序编号，首先将数据包与表0中流表项的匹配域进行匹配。如果匹配，则执行相应的指令，这些指令包含修改数据包头，将数据包转发到特定端口或将数据包定向到另一个表(使用Goto-Table指令)。如果未找到匹配条目，表中的可选指令包括丢弃数据包，将它们传递给另一个表或将它们发送给控制器。
数据包头设置有匹配字段Match Fields、优先权字段Priority、计数字段Counters、指令字段Instructions、超时字段Timeouts和Cookie。对于将VNF信息添加到数据包头，可以将VNF信息写成tag嵌入在数据包头内，使用字段比如VALN ID，MPLS标签，ToS字段或其他未使用的字段来自定义tag。
为了说明本发明框架，本实施例使用了如图2所示的网络，每个交换机连接10个主机，Floodlight控制器连接每个交换机，网络中有316条流，其中有250条流需要VNF处理。假设控制器计算的最优路径是最短m条路径(m＝3)，交换机原始流表项300，实施步骤如下：
(1)利用控制器集中控制的特性，收集网络中316条流信息，用KSP(k-shortestpaths)算法为每条流计算m条可行路径，用贪心算法求得使网络负载最小的转发路径，然后下发流表项到交换机。
(2)建模交换机的剩余流表项信息s(u)，s(u)＝交换机原始流表项-安装的流表项。
(3)建模服务器处理流带宽κ为4000。
(4)得到符合以下条件的VNF和OVS部署位置。即满足交换机流表项s(u)的限制，服务器处理流带宽κ的限制，通过将整数线性规划松弛为线性规划，求得小数解xup、xu、yu后使用随机舍入算法，将小数解舍入为整数解，求解得到：每条流需要经过的VNF，需要在交换机节点V1、V4、V5和V8上部署服务器，其中，节点V1、V4的服务器上需要安装VNF和OVS，节点V5，V8的服务器上需要安装VNF，如下图3所示。
(5)通过步骤(4)中得到的部署策略，为交换机安装流表项。以流flow1为例，它的路由路径为h10->V1->V4->V8->V5->h56，根据步骤(4)求得它要经过交换机节点V1上的VNF。
(6)入口交换机将流flow1经过交换机节点V1上的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的VNF信息去除。
在交换机V1上配置的流表项如下：
与V1连接的server中OVS配置如下：
匹配字段 操作
数据包头有经过V1上的VNF信息 数据包转发到VNF
数据包头没有经过V1上的VNF信息 从端口p3转发
来自VNF处理的数据包 从端口p3转发
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：建模软件定义网络中的流信息，建模交换机的剩余流表项信息，建模服务器处理流带宽；
S02：确定满足交换机流表项限制和服务器处理流带宽限制条件下的虚拟网络功能(VNF)、虚拟交换机(OVS)部署位置，以及流需要经过的VNF；
S03：当交换机节点部署服务器时，如果服务器上部署OVS，则为交换机安装通配符流表项，服务器上部署VNF和OVS，否则为交换机安装细粒度流表项，服务器上部署VNF；
S04：入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，出口交换机将添加的VNF信息去除。
2.根据权利要求1所述的软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，其特征在于，所述步骤S01中，通过控制器统计收集网络中的流信息，计算多条可行路径，用贪心算法得到网络负载最小的转发路径，配置静态流表项。
3.根据权利要求2所述的软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，其特征在于，所述建模交换机的剩余流表项信息，通过已知的交换机流表项数量减去得到的需要部署的静态流表项数量，得到交换机剩余流表项信息，用s(u)表示u交换机节点的剩余流表项。
4.根据权利要求3所述的软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，其特征在于，所述步骤S02中，以服务器部署数量最少化为优化目标，建立目标函数和约束条件：
其中，xu表示第u个交换机节点是否部署VNF，U是交换机节点的集合，xup表示流p是否经过交换机节点u上的VNF，yu表示第u个交换机节点是否部署OVS，r(p)表示流的带宽，|P|表示流的个数，P表示经过VNF的流路径集合，yup表示流p是否在交换机节点u上部署流表项，Su表示经过交换机节点u的流路径集合，κ表示服务器处理流的最大带宽。
5.根据权利要求1所述的软件定义网络中虚拟交换机和虚拟网络功能联合部署方法，其特征在于，所述步骤S04中入口交换机将流经过的VNF信息添加到数据包头，包括将VNF信息写成tag嵌入在数据包头内，使用未使用的字段自定义tag。
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