Openflow新型網(wǎng)絡(luò)交換模型

1、 Openflow新型網(wǎng)絡(luò)交換模型校園網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新1.互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用迅速發(fā)展,由于一開始的設(shè)計(jì)并沒有考慮到后來互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模會(huì)如此龐大、承載的應(yīng)用會(huì)如此復(fù)雜、地位會(huì)變得如此重要，現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)在過重的壓力下已經(jīng)凸顯出太多亟待解決的問題:互聯(lián)網(wǎng)太危險(xiǎn)，惡意攻擊、病毒、木馬每年造成上千億刀的損失;互聯(lián)網(wǎng)太脆弱，無標(biāo)度(Scale-free)的特性讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以在精心設(shè)計(jì)的少數(shù)攻擊下即告崩潰;互聯(lián)網(wǎng)太隨意，p2p等應(yīng)用的出現(xiàn)一度造成各大ISP網(wǎng)絡(luò)堵塞，嚴(yán)重影響傳統(tǒng)正常的訪問;互聯(lián)網(wǎng)太遲鈍，現(xiàn)代臃腫的路由機(jī)制不能支持快速的更新，即便發(fā)現(xiàn)問題也無法快速反應(yīng)。運(yùn)營商只得忙于擴(kuò)容。這一切的問題都隱隱的指

2、向了互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)龐然大物最關(guān)鍵的軟肋可控性。缺乏有效的控制措施讓互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)為服務(wù)人類而設(shè)計(jì)的機(jī)器。因此，業(yè)界希望能夠有提高網(wǎng)絡(luò)有效性的機(jī)制出現(xiàn)，目前學(xué)術(shù)界斯坦福大學(xué)、伯克利大學(xué)、麻省理工學(xué)院等牽頭的研究組正在推動(dòng)OpenFlow技術(shù)的發(fā)展。2.openflow應(yīng)運(yùn)而生2006年到2014年分三個(gè)階段主要致力于五個(gè)問題：是否繼續(xù)采用分組交換、是否要改變端對(duì)端原理、是否要分開路由和包轉(zhuǎn)發(fā)、擁塞控制跟資源管理、身份認(rèn)證和路由問題。FIND計(jì)劃最主要的成果之一就是GENI套網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)平臺(tái)OpenFlow的前世今生很自然的想法，如果我能控制整個(gè)Internet就好了，而網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)就是交換設(shè)備。

3、控制了交換設(shè)備就如同控制了城市交通系統(tǒng)中的紅綠燈一樣，所有的流量就可以乖乖聽話，為我所用。所以，自然而然的想法誕生，如果能有一套開放接口、支持控制的交換標(biāo)準(zhǔn)該多好?無論是交換機(jī)還是路由器，最核心的信息都存放在所謂的flowtable里面，用來實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能，諸如轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)計(jì)、過濾等。flowtable結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度上體現(xiàn)了各個(gè)廠家的獨(dú)特風(fēng)格。OpenFlow就是試圖提出這樣一個(gè)通用的flowtable設(shè)計(jì)，能夠滿足大家不同的需求，同時(shí)這個(gè)flowtable支持遠(yuǎn)程的訪問和控制，從而達(dá)到控制流量的目的。2.1Openflow技術(shù)將完全打破現(xiàn)有的IP承載架構(gòu)OpenFlow的flowtabl

4、e流表由很多個(gè)流表項(xiàng)組成，每個(gè)流表項(xiàng)就是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包通過查詢流表來獲得轉(zhuǎn)發(fā)的目的端口。OpenFlow的flowtable中每一個(gè)entry支持3個(gè)部分：規(guī)則，操作跟狀態(tài)。規(guī)則無非是用來定義flow，OpenFlow里flow定義十分寬泛，支持10個(gè)域（除了傳統(tǒng)的7元組之外增加了交換端口、以太網(wǎng)類型、VlanID）,頭域是個(gè)十元組，是流表項(xiàng)的標(biāo)識(shí);操作就是轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄等行為，操作標(biāo)明了與該流表項(xiàng)匹配的數(shù)據(jù)包應(yīng)該執(zhí)行的操作。狀態(tài)部分則是主要用來做流量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上最關(guān)鍵的特性就是支持遠(yuǎn)端的控制，試想，如果我要改變entry就必須跑到交換機(jī)前重新編程寫入得多麻煩，而且如果

5、我想獲知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)咋辦，有了統(tǒng)一的控制機(jī)制，我們的網(wǎng)絡(luò)才變得真正智能可控起來。OpenFlow的控制機(jī)制也十分靈活好了，有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如我們可以在正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中自己在定義一些特殊的規(guī)則，讓符合規(guī)則的流量按照我們的需求走任意的路徑，就仿佛將一張物理網(wǎng)絡(luò)切成了若干不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)一樣，同時(shí)運(yùn)行而又各不干擾，我們可以輕而易舉的測(cè)試各種新的協(xié)議;以前要做什么處理，需要考慮到具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到box的先后順序，現(xiàn)在好了，通過定義不同的flowentry就可以任意改變流量的運(yùn)行策略，這也很好的為解決移動(dòng)性問題提供了便利（一個(gè)著名的demo是筆記本在不同交換機(jī)之間切換，虛擬機(jī)在兩地之間切換，運(yùn)行的

6、游戲不受影響）。從這個(gè)意義上說，OpenFlow將傳統(tǒng)的物理固定的硬件定義互聯(lián)網(wǎng)改造成為了動(dòng)態(tài)可變的軟件定義互聯(lián)網(wǎng)（softwaredefinednetworking）。而一個(gè)軟件定義的可控的互聯(lián)網(wǎng)，除了更加靈活以外，毫無疑問，通過恰當(dāng)?shù)目刂扑惴?，將大大提高網(wǎng)絡(luò)自身的健壯性、運(yùn)行效率以及安全性。2.2OpenFlow的特點(diǎn)2.2.1OpenFlow的發(fā)展由于OpenFlow對(duì)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，從07年提出到現(xiàn)在，OpenFlow已經(jīng)在硬件和軟件支持方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。2009年12月，OpenFlow規(guī)范發(fā)布了具有里程碑意義的可用于商業(yè)化產(chǎn)品的1.0版本如OpenFlow在

7、Wireshark抓包分析工具上的支持插件、OpenFlow的調(diào)試工具(liboftrace)、“OpenFlow虛擬計(jì)算機(jī)仿真”(OpenFlowVMS)等也已日趨成熟OpenFlow對(duì)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的影響由于現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)暴露出了越來越多的弊病以及人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能需求的提高，于是研究人員不得不把很多復(fù)雜功能加入到路由器的體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，例如OSPF，BGP，組播，區(qū)分服務(wù)，流量工程，NAT，防火墻，MPLS等等。這就使得路由器等交換設(shè)備越來越臃腫而且性能提升的空間越來越小。然而與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的困境截然不同的是，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了日新月異的發(fā)展。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的人士認(rèn)為：網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)制計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的成功來解決現(xiàn)

8、在網(wǎng)絡(luò)所遇到的所有問題。在這種思想的指導(dǎo)下，將來的網(wǎng)絡(luò)必將是這樣的：底層的數(shù)據(jù)通路(交換機(jī)、路由器)是“啞的、簡(jiǎn)單的、最小的”，并定義一個(gè)對(duì)外開放的關(guān)于流表的公用的API，同時(shí)采用控制器來控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。未來的研究人員就可以在控制器上自由的調(diào)用底層的API來編程，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新。OpenFlow正是這種網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新思想的強(qiáng)有力的推動(dòng)者。OpenFlow交換機(jī)將原來完全由交換機(jī)/路由器控制的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)化為由OpenFlow交換機(jī)(OpenFlowSwitch)和控制服務(wù)器(Controller)來共同完成，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制的分離?？刂破骺梢酝ㄟ^事先規(guī)定好的接口操作來控制OpenFl

9、ow交換機(jī)中的流表，從而達(dá)到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的。因此，OpenFlow開啟了一條網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的道路。如果OpenFlow得到廣泛的應(yīng)用和推廣，則未來的網(wǎng)絡(luò)將如曾經(jīng)的計(jì)算機(jī)一樣取得日新月異的發(fā)展。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的基本組成OpenFlow網(wǎng)絡(luò)由OpenFlow交換機(jī)、FlowVisor和Controller三部分組成。OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)；FlowVisor對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化；Controller對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)控制層的功能。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：OpenFlowSwitchingOpenHowSiv/tcrtsftecrimesu;onQpenFlowS

10、witch2.2.4OpenFlow交換機(jī)模型及關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)0penFlow論壇提出新的交換設(shè)備解決方案必須具有以下四點(diǎn)性質(zhì)：第一，設(shè)備必須具有商用設(shè)備的高性能和低價(jià)格的特點(diǎn)；第二，設(shè)備必須能支持各種不同的研究范圍；第三，設(shè)備必須能隔絕實(shí)驗(yàn)流量和運(yùn)行流量；第四，設(shè)備必須滿足設(shè)備制造商封閉平臺(tái)的要求。OpenFlow交換機(jī)OpenFlow交換機(jī)是整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的核心部件，主要管理數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)OpenFlow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在本地的流表上查找轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)端口，如果沒有匹配，則把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給Controller，由控制層決定轉(zhuǎn)發(fā)端口。OpenFlow交換機(jī)的組成OpenFlow

11、交換機(jī)由流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議三部分組成。ExperimentersDream(VendorsNightmare)-SWStandardNetworkdefinedhiwProc-essingProcessingExperimenterwritesexperimentalcodenswitch/router安全通道是連接OpenFlow交換機(jī)到控制器的接口?？刂破魍ㄟ^這個(gè)接口控制和管理交換機(jī)，同時(shí)控制器接收來自交換機(jī)的事件并向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。交換機(jī)和控制器通過安全通道進(jìn)行通信，而且所有的信息必須按照OpenFlow協(xié)議規(guī)定的格式來執(zhí)行。OpenFlow協(xié)議OpenFlow協(xié)議用

12、來描述控制器和交換機(jī)之間交互所用信息的標(biāo)準(zhǔn)，以及控制器和交換機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議的核心部分是用OpenFlow協(xié)議信息結(jié)構(gòu)的集合。OpenFlow協(xié)議支持三種信息類型：Controller-to-Switch，Asynchronous和Symmetric，每一個(gè)類型都有多個(gè)子類型。Controller-to-Switch信息由控制器發(fā)起并且直接用于檢測(cè)交換機(jī)的狀態(tài)。Asynchronous信息由交換機(jī)發(fā)起并通常用于更新控制器的網(wǎng)絡(luò)事件和改變交換機(jī)的狀態(tài)。Symmetric信息可以在沒有請(qǐng)求的情況下由控制器或交換機(jī)發(fā)起。OpenFlow交換機(jī)的分類按照對(duì)OpenFlow的支持程度，OpenFlow

13、交換機(jī)可以分為兩類：專用的OpenFlow交換機(jī)和支持OpenFlow的交換機(jī)。專用的OpenFlow交換機(jī)是專門為支持OpenFlow而設(shè)計(jì)的。它不支持現(xiàn)有的商用交換機(jī)上的正常處理流程，所有經(jīng)過該交換機(jī)的數(shù)據(jù)都按照OpenFlow的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。專用的OpenFlow交換機(jī)中不再具有控制邏輯，因此專用的OpenFlow交換機(jī)是用來在端口間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一個(gè)簡(jiǎn)單的路徑部件。支持OpenFlow的交換機(jī)是在商業(yè)交換機(jī)的基礎(chǔ)上添加流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議來獲得了OpenFlow特性的交換機(jī)。其既具有常用的商業(yè)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)模塊，又具有OpenFlow的轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，因此支持OpenFlow的交

14、換機(jī)可以采用兩種不同的方式處理接收到的數(shù)據(jù)包。按照OpenFlow交換機(jī)的發(fā)展程度來分，OpenFlow交換機(jī)也可以分為兩類：“TypeO”交換機(jī)和“Typel交換機(jī)?！癟ypeO交換機(jī)僅僅支持十元組以及以下四個(gè)操作：轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)流的數(shù)據(jù)包給一個(gè)給定的端口（或者幾個(gè)端口）；壓縮并轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)流的數(shù)據(jù)包給控制器；丟棄這個(gè)流的數(shù)據(jù)包；通過交換機(jī)的正常處理流程來轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)流的數(shù)據(jù)包。顯然“TypeO”交換機(jī)的這些功能是不能滿足復(fù)雜試驗(yàn)要求的，因此我們將要定義“Typel”交換機(jī)來支持更多的功能，從而支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)。“Typel交換機(jī)將具有一個(gè)新的功能集合。支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化的FlowVisor類比計(jì)算機(jī)的虛擬

15、化，F(xiàn)lowVisor就是位于硬件結(jié)構(gòu)元件和軟件之間的網(wǎng)絡(luò)虛擬層。FlowVisor允許多個(gè)控制同時(shí)控制一臺(tái)OpenFlow交換機(jī)，但是每個(gè)控制器僅僅可以控制經(jīng)過這個(gè)OpenFlow交換機(jī)的某一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)（即slice）。因此通過FlowVisor建立的試驗(yàn)平臺(tái)可以在不影響商業(yè)流的轉(zhuǎn)發(fā)速度的情況下，允許多個(gè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)在不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)進(jìn)行。FlowVisor與一般的商用交換機(jī)是兼容的，而不需要使用FPGA和網(wǎng)絡(luò)處理器等可編程硬件。ControllerOpenFlow實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)層和控制層的分離，其中OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)，而Controller實(shí)現(xiàn)了控制層的功能。Control

16、ler通過OpenFlow協(xié)議這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)OpenFlow交換機(jī)中的流表進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制。Controller的這一切功能都要通過運(yùn)行NOX來實(shí)現(xiàn)，因此NOX就像是OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。此外，在NOX上還可以運(yùn)行Plug-n-serve、OpenRoads以及OpenPipes等應(yīng)用程序。Plug-n-Serve通過規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸路徑來控制網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器上的負(fù)載，從而使得負(fù)載均衡并降低響應(yīng)時(shí)間。OpenRoads是支持OpenFlow無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性研究的框架OpenPipes可以在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通過移動(dòng)每個(gè)子模塊來測(cè)試每個(gè)子模塊，并可以決定如何劃分設(shè)計(jì)單元。3.o

17、penflow未來趨勢(shì)3.1OpenFlow的應(yīng)用列舉五個(gè)比較典型的應(yīng)用：OpenFlow在校園網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。如果我們可以讓校園網(wǎng)具有OpenFlow特征，則可以為學(xué)生和科研人員實(shí)現(xiàn)新協(xié)議和新算法提供一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)不僅更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，實(shí)驗(yàn)效果更好，而且可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。現(xiàn)在已經(jīng)有包括斯坦福大學(xué)在內(nèi)的幾所高校部署了OpenFlow交換機(jī)，取得了彳艮好的實(shí)驗(yàn)效果。OpenFlow在廣域網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在廣域網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中添加具有OpenFlow特征的節(jié)點(diǎn)，將帶來眾多的好處。例如，可以使得固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫控制、使得VPN的管理更加靈活等NEC已經(jīng)利用O

18、penFlow控制技術(shù)對(duì)快速、寬帶的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效、靈活的網(wǎng)絡(luò)管理，并解決了兩個(gè)課題。首先，在多個(gè)移動(dòng)通信方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換。在移動(dòng)通信混雜時(shí)以及通信環(huán)境惡化時(shí)，動(dòng)態(tài)切換通信方式，將滿足通信服務(wù)所需的服務(wù)品質(zhì)，提供給終端用戶。其次，移動(dòng)回環(huán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能。在一天當(dāng)中通信量相對(duì)較少的夜晚時(shí)段，可以匯集網(wǎng)絡(luò)路徑，關(guān)閉多余的中轉(zhuǎn)基站的電源，從而節(jié)省能源。OpenFlow在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中使用OpenFlow交換機(jī)，可以使得網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源更加緊密的聯(lián)系起來并實(shí)現(xiàn)有效的控制。數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流量很大，如果不能合理分配傳輸路徑很容易造成數(shù)據(jù)擁塞，從而影響數(shù)據(jù)中心的高效運(yùn)行。若在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

19、中添加OpenFlow交換機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化以及負(fù)載均衡，從而使得數(shù)據(jù)交換更加迅速。OpenFlow在網(wǎng)絡(luò)管理和安全控制中的應(yīng)用。如果網(wǎng)絡(luò)是基于OpenFlow技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，則經(jīng)過OpenFlow交換機(jī)的每個(gè)新的數(shù)據(jù)流都必須由控制器來做出轉(zhuǎn)發(fā)決定。在控制器中可以對(duì)這些流按照預(yù)先制定的規(guī)則進(jìn)行檢查，然后由控制器指定數(shù)據(jù)流的傳輸路徑以及流的處理策略，從而更好的控制網(wǎng)絡(luò)。更為重要的是，在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外網(wǎng)的連接處應(yīng)用OpenFlow交換機(jī)可以通過更改數(shù)據(jù)流的路徑以及拒絕某些數(shù)據(jù)流來增強(qiáng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的安全性?；贠penFlow實(shí)現(xiàn)SDN(SoftwareDefinedNetwork)。在SDN軟件定義的互

20、聯(lián)網(wǎng)中，交換設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層是分離的，因此網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和交換策略的升級(jí)只需要改動(dòng)控制層。OpenFlow在OpenFlow交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而在控制器上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)控制，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層和控制層的分離?；贠penFlow實(shí)現(xiàn)SDN，則在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了軟硬件的分離以及底層硬件的虛擬化，從而為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的發(fā)展平臺(tái)。3.2NEC應(yīng)用OpenFlow技術(shù)開發(fā)“programmableflow將原來網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)一體化的交換機(jī)與控制功能分離，在控制服務(wù)器上安裝IT網(wǎng)絡(luò)的綜合控制中間件。用戶可以不受現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的制約，自動(dòng)生成、運(yùn)用控制中間件，輕易實(shí)現(xiàn)例如與網(wǎng)絡(luò)連動(dòng)的云計(jì)算等革命性新技術(shù)OpenFlow是近年來為支持網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究而提出的基于流分類的新型網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)技術(shù)OpenFlow技術(shù)的核心部分即數(shù)據(jù)流分類算法33NEC宣布已成功將下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Op