sdnopenflow測試技術(shù)探討

sdnopenflow測試技術(shù)探討

1結(jié)論:控制層面的抽象現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備投資和運(yùn)營成本、復(fù)雜性和可管理性一直是電信運(yùn)營商和網(wǎng)絡(luò)公司面臨的問題。高昂的建設(shè)成本抑制了用戶對新的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的投資,復(fù)雜性延長了新服務(wù)和應(yīng)用程序推向市場的時(shí)間,可管理性進(jìn)一步提高了運(yùn)營成本并減緩了應(yīng)對變化的快速響應(yīng)能力。由于大多數(shù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)都在運(yùn)行專用系統(tǒng),如何部署和管理混合多個(gè)設(shè)備廠商的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一項(xiàng)難度很高的工作。SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))是一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范,它的核心目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)的控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層分離和開放出來,從而使得第三方增值應(yīng)用能夠更智能地控制網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù),也就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程性。SDN提供了一個(gè)高性價(jià)比、高可擴(kuò)展和非常靈活、自由的架構(gòu),可以滿足移動(dòng)、以及大型電信網(wǎng)絡(luò)的需求。作為SDN主要實(shí)現(xiàn)方式的OpenFlow協(xié)議,最早源于2008年4月斯坦福大學(xué)的NickMcKeown教授在ACMCommunicationsReview上發(fā)表的一篇題為《OpenFlow:enablinginnovationincampusnetworks》的論文。OpenFlow協(xié)議主要用來簡化和統(tǒng)一路由和交換網(wǎng)絡(luò),它在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展層面主要解決了下列問題:●當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備非常昂貴,而且運(yùn)維成本很高。SDN/OpenFlow通過開放的標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)市場PC化,將能夠大大降低TCO,同時(shí)通過減少私有軟件也可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和脆弱性。●當(dāng)前封閉的網(wǎng)絡(luò)將導(dǎo)致應(yīng)用的開發(fā)周期過長,以及對設(shè)備廠商的嚴(yán)重依賴。然而,通過將控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行分離以實(shí)現(xiàn)智能的集中化,可以幫助運(yùn)營商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)快速實(shí)現(xiàn)對多種網(wǎng)絡(luò)增值業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。另外,各種各樣的第三方應(yīng)用軟件可以通過編程訪問網(wǎng)絡(luò)的控制層面來實(shí)現(xiàn)靈活的業(yè)務(wù)需求,從而更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。具體的對比情況參見圖1。在技術(shù)層面上,OpenFlow通過對路由和交換設(shè)備“控制層面”的抽象來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過將控制層面抽象到OpenFlow控制器組件,OpenFlow便可以將智能集中化,并為基于OpenFlow交換機(jī)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)層面組件提供一個(gè)通用接口。一個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)由兩類主要組件組成:OpenFlow控制器和OpenFlow交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)交換機(jī)都與控制器建立連接(見圖2)。應(yīng)用編程接口(API)允許控制器分發(fā)交換機(jī)的流表,這張流表決定了交換機(jī)如何匹配傳入數(shù)據(jù)包以及對數(shù)據(jù)包采取什么操作,詳情參見圖3。多種智能應(yīng)用程序可以通過集成方式或通過應(yīng)用編程接口(API)在控制器上運(yùn)行,這些“應(yīng)用程序”用于建立軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN),提供不必要與特定硬件關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的視圖。OpenFlow已經(jīng)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域活躍數(shù)年,為努力推動(dòng)OpenFlow被大眾接受并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)(ONF)于2011年3月成立,并且擁有OpenFlow的知識產(chǎn)權(quán)。ONF是一個(gè)非營利性會(huì)員制組織,截至目前共有約80多家成員公司,其中包括了所有頂尖設(shè)備制造商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和電信運(yùn)營商:從交換芯片的Broadcom到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的提供者,如Cisco、Juniper、Dell/Force10、Ericsson、NEC,數(shù)據(jù)中心解決方案提供者IBM、HP、VMWare、Citrix到運(yùn)營商DT、FT、Verizon、NTT,再到微軟、谷歌、雅虎、Facebook等。國內(nèi)也有包括中國移動(dòng)、華為、中興、盛科、騰訊等在內(nèi)的各類知名企業(yè)加入。目前ONF發(fā)布了OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的最新版本V1.3.1,有關(guān)詳情,可訪問。ONF通過多個(gè)工作組的成員協(xié)同工作,共同開發(fā)OpenFlow技術(shù),目前主要有5個(gè)工作組,包括:(1)擴(kuò)展性工作組,由HP和NiciraNetworks領(lǐng)導(dǎo)。該工作組維護(hù)OpenFlow交換機(jī)規(guī)范的核心。這部分協(xié)議主要包括OpenFlow控制器編程控制OpenFlow交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。擴(kuò)展性工作組的目標(biāo)是使規(guī)范更靈活,開發(fā)更豐富的功能集和更廣泛的實(shí)施集,并為OpenFlow規(guī)范在未來的發(fā)展排除障礙。擴(kuò)展性工作組對模塊化、擴(kuò)展性、互通性和一致性尤其感興趣。規(guī)范的最新版本是1.3.1,但是大多數(shù)商業(yè)實(shí)施仍然是1.0和1.1版。(2)配置和管理工作組,由Microsoft領(lǐng)導(dǎo)。該工作組為支持OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備定義了配置機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的愿景。該工作組一直在開發(fā)OpenFlow配置協(xié)議,最初集中在少數(shù)場景,第一個(gè)OpenFlow配置和管理協(xié)議OF-Config1.0于2012年1月12日被工作組批準(zhǔn)。測試和互通性工作組,由IXIA和BigSwitchNetworks領(lǐng)導(dǎo)。該工作組關(guān)注以下3個(gè)領(lǐng)域:認(rèn)證、互通性和基準(zhǔn)測試。認(rèn)證測試套件OF-1.0已在2012年完成,并將用作與將要授權(quán)認(rèn)證產(chǎn)品的商業(yè)測試實(shí)驗(yàn)室建立正式伙伴關(guān)系的基礎(chǔ)。第一次互通性活動(dòng)的結(jié)果后面會(huì)討論?；鶞?zhǔn)方法正在開發(fā),用以測量能力和性能,例如:●OpenFlow交換機(jī)的流表容量?！馩penFlow系統(tǒng)的學(xué)習(xí)速率?！窨刂破骱徒粨Q機(jī)之間支持的最大消息速率。●轉(zhuǎn)發(fā)性能基準(zhǔn)測試,包括吞吐量、丟包和延遲。(3)混合工作組,由Cisco和BigSwitchNetworks領(lǐng)導(dǎo)。該工作組探索并記錄混合可編程轉(zhuǎn)發(fā)平面(HPFP)的要求。尤其是,混合工作組調(diào)查混合式交換機(jī)和混合式網(wǎng)絡(luò)的使用實(shí)例和要求,并提供避免、檢測和解決由于多種轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)引起的狀態(tài)不一致和錯(cuò)誤的建議。(4)未來規(guī)劃工作組,由Brocade領(lǐng)導(dǎo)。該工作組正在定義一個(gè)包括轉(zhuǎn)發(fā)平面模型的未來框架。它的任務(wù)是描述和確定初始ONF擁有模型的形態(tài)以及控制器和交換機(jī)如何協(xié)商模型和參數(shù)。(5)市場推廣工作組,由BigSwitchNetworks、IPInfusion和IBM領(lǐng)導(dǎo)。該工作組闡述OpenFlow和SDN技術(shù)的開放式網(wǎng)絡(luò)的好處。這將提高對SDN技術(shù)的整體理解,并在使用實(shí)例中共享客戶最佳實(shí)踐,以進(jìn)一步鼓勵(lì)他們采用。雖然現(xiàn)在有一些廠家如IBM/NEC已經(jīng)開始提供支持OpenFlow的控制器和交換機(jī),但要更多的廠家提供僅支持OpenFlow的交換機(jī)還需要一段時(shí)間。與此同時(shí),大多數(shù)廠家將提供在運(yùn)行傳統(tǒng)路由、交換協(xié)議的同時(shí)也支持OpenFlow協(xié)議的混合式交換機(jī)。OpenFlow混合式設(shè)備允許無縫遷移到支持OpenFlow的應(yīng)用程序,從而保護(hù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的投資。OpenFlow最引人注目的特點(diǎn)之一是,它通過建立一個(gè)可以開發(fā)應(yīng)用程序和服務(wù)的通用平臺來解決當(dāng)前和未來的問題。目前,基于OpenFlow協(xié)議開發(fā)的應(yīng)用程序可以包括:●網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化。第二層和第三層VPN不再需要完全取決于MAC和IP地址,而是可以基于任何協(xié)議頭字段?！窬饩W(wǎng)絡(luò)負(fù)載。OpenFlow維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為其實(shí)施的組成部分,這允許動(dòng)態(tài)、快速地平衡網(wǎng)絡(luò)流量。一個(gè)例子是架頂式(ToR)交換機(jī)在將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器從一個(gè)機(jī)架通過列端式(EoR)交換機(jī)連接到其他機(jī)架時(shí),通常是需要通過冗余鏈路和設(shè)備來實(shí)現(xiàn),OpenFlow交換機(jī)可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)視流量并根據(jù)需要平衡和指導(dǎo)負(fù)載?！竦诙踊虻谌龑渔溌放渲?其中包括在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)之間建立主要和備用路徑的能力,這對傳輸流量的類型和鏈路地理布置有著重要的意義?！竦诙踊虻谌龑訉W(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)了解主機(jī)的位置并動(dòng)態(tài)建立成本最低的路徑。●帶寬日歷。允許針對特殊、短期的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)安排帶寬并自動(dòng)重新分配?！穹植际椒阑饓?。防火墻經(jīng)常被視為邊界設(shè)備,隔離內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)。虛擬化網(wǎng)絡(luò)需要在多個(gè)地點(diǎn)應(yīng)用防火墻和其他安全技術(shù),OpenFlow可以提供適合創(chuàng)建高效、分布式防火墻的協(xié)議,經(jīng)由OpenFlow交換機(jī)的未知流,要求發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)包到OpenFlow控制器。由控制器做出集中式防火墻決策,然后分別在OpenFlow交換機(jī)上執(zhí)行?！袷褂弥С諳penFlow的虛擬交換機(jī)配置通向VM的路徑。虛擬化主機(jī)核心位置的虛擬交換機(jī)(vSwitches)同樣可以支持OpenFlow,還將允許在虛擬化應(yīng)用程序的組件之間動(dòng)態(tài)建立起移動(dòng)鏈路,這在現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)中心中為虛擬化應(yīng)用程序建立網(wǎng)絡(luò)連接是必要工作之一。以上只是一些簡單的舉例,更多的應(yīng)用場景還在不斷涌現(xiàn)。OpenFlow在多廠商環(huán)境中的互通性是其成功的關(guān)鍵。通過互通性演示,使客戶能夠基于價(jià)格、性能和功能選擇適合自己需求的最佳解決方案,而不必鎖定單一供應(yīng)商?；ネㄐ詼y試比認(rèn)證測試更關(guān)鍵,認(rèn)證測試只涉及適當(dāng)?shù)恼婧拓?fù)面功能。互通性測試需要模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下驗(yàn)證多個(gè)廠商設(shè)備互連互通協(xié)同工作的能力。而最關(guān)鍵的互通性接口是OpenFlow控制器與交換機(jī)之間的連接,同時(shí),這對于了解不同的交換機(jī)如何運(yùn)行并與OpenFlow的各種應(yīng)用協(xié)同工作也是至關(guān)重要的。ONF首次互通活動(dòng)于2012年3月5~9日在IXIA位于美國加利福尼亞州圣塔克拉拉的iSimCity實(shí)驗(yàn)室舉行。13個(gè)ONF成員公司和兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)參加了會(huì)議。該活動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注于使用OpenFlow應(yīng)用程序的多廠商互通性。本次活動(dòng)成功地使用4種不同的控制器測試了各種應(yīng)用程序,并結(jié)合使用了FlowVisor(允許將網(wǎng)絡(luò)和連接分割并同時(shí)傳入多個(gè)控制器)。測試發(fā)現(xiàn)不同供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)中的多個(gè)問題,使他們能夠診斷并糾正這些問題。上提供包含結(jié)果的白皮書。參加本次活動(dòng)的ONF會(huì)員如下:●OpenFlow控制器:BigSwitchNetworks、NEC、NTTData和IndianaUniversity。●OpenFlow交換機(jī)或組件:BigSwitchNetworks、Broadcom、Brocade、HP、IBM、Intel/WindRiver、JuniperNetworks和NEC。●測試設(shè)備:IXIA和SPIRENT?！裱芯繖C(jī)構(gòu):IndianaUniversity和OpenNetworkingLab。網(wǎng)絡(luò)配置如圖4所示。執(zhí)行的互通性測試包括:●使用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。●2層鏈路配置?！?層地址學(xué)習(xí)與動(dòng)態(tài)配置和故障恢復(fù)?！褙?fù)載平衡?！?層地址學(xué)習(xí)?！袷褂肍lowVisor將網(wǎng)絡(luò)切片。雖然互通性大體上實(shí)現(xiàn)了,但得到了一些有趣的經(jīng)驗(yàn):●使用LLDP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)實(shí)施上的差異導(dǎo)致在整個(gè)測試期間都存在問題。●有些交換機(jī)無法按照預(yù)期的默認(rèn)方式工作。其中包括一些交換機(jī)不遵循默認(rèn)規(guī)則發(fā)送未知數(shù)據(jù)包到控制器和混合式交換機(jī)。當(dāng)未連接到控制器時(shí),這些混合交換機(jī)默認(rèn)為進(jìn)行第二層轉(zhuǎn)發(fā)/泛洪?！窕旌鲜浇粨Q機(jī)有時(shí)不能隔離流量?！駨S家對規(guī)范理解不同。●一些需要的功能在某些交換機(jī)上沒有實(shí)現(xiàn)。2采用新協(xié)議的測試技術(shù)測試任何新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都要需遵循一定的步驟,這些步驟大致反映在測試和互通性工作組的章程里,具體如下:●功能測試?！褚恢滦詼y試?！窕ネㄐ詼y試?！裥阅堋⒖蓴U(kuò)展性和穩(wěn)定性測試。一種新協(xié)議測試技術(shù)的復(fù)雜性通常比較高,尤其是這個(gè)協(xié)議還在發(fā)展中。它將定義完善的規(guī)范開放并提供詮釋,從而成為廠商實(shí)施需求和選項(xiàng)最容易的方式,并且還讓廠商可以選擇實(shí)施部分特性并提前使用下一代規(guī)范中的功能。3穩(wěn)定性測試環(huán)境功能測試是用來回答“是否工作”這樣的基本問題。目前來說功能測試又分為回歸測試和新功能測試。回歸測試確保設(shè)備以前的功能未被新的開發(fā)破壞,這一類測試通常采用自動(dòng)化方式,并包括過去發(fā)現(xiàn)問題的測試用例。應(yīng)經(jīng)常運(yùn)行回歸測試,以確保新功能開發(fā)未破壞產(chǎn)品的穩(wěn)定性。開發(fā)過程中不僅需要執(zhí)行新功能測試,而且要謹(jǐn)慎地進(jìn)行。例如,可以通過在控制器插入單一規(guī)則,并在入口打入單一流量,然后在控制器或者出端口查找期望結(jié)果的方法,來測試新的OpenFlow流表?xiàng)l目類型。隨著功能數(shù)量的增加,更高標(biāo)準(zhǔn)測試的需求也在增加,即要求測試環(huán)境能以更通用的方式模擬組件和控制流量。常用的測試拓?fù)淙鐖D5所示。OpenFlow交換機(jī)是DUT,3個(gè)IXIA測試端口模擬包圍測試的環(huán)境:●OpenFlow控制器(上)?！馩penFlow和發(fā)送流量到交換機(jī)的其他交換機(jī)(左)。●OpenFlow和從交換機(jī)接收流量的其他交換機(jī)(右)。根據(jù)測試設(shè)備的靈活性和復(fù)雜性,此環(huán)境可以用來執(zhí)行廣泛的功能測試。4dut的認(rèn)證計(jì)劃一致性測試更為正式,通常在開發(fā)周期內(nèi)的功能測試之后進(jìn)行,并通過自動(dòng)化測試來確保協(xié)議規(guī)范的每個(gè)部分皆得以遵循。根據(jù)實(shí)際情況,所有選項(xiàng)和組合都要遍歷以確保DUT正確實(shí)施規(guī)范。單個(gè)特性的一致性測試包含正向和反向測試。正向測試可確保規(guī)范中的功能和選項(xiàng)都得以遵循。而負(fù)面測試確定DUT在輸入不正確的情況下如何運(yùn)行。規(guī)范要求許多負(fù)面測試,可以應(yīng)用專門的隨機(jī)化測試技術(shù)如模糊測試來實(shí)現(xiàn)。認(rèn)證涉及方方面面,從而確保互通性———如果多個(gè)廠商都通過了相同的認(rèn)證測試,那么他們可能會(huì)進(jìn)行交互操作。一致性測試最常見的是由測試儀表廠商和獨(dú)立測試實(shí)驗(yàn)室來開發(fā)。這些測試用作實(shí)現(xiàn)DUT認(rèn)證的基礎(chǔ)。ONF的認(rèn)證計(jì)劃為其成員提供這樣一個(gè)計(jì)劃。IXIA提供的ONF一致性測試套件是基于IXIA公司長期開發(fā)并得到用戶廣泛認(rèn)可的一致性測試套件IxAnvl(見圖6),其中包含了180多個(gè)測試項(xiàng),完全符合OpenFlow1.0規(guī)范。通過圖形化的界面,用戶可以方便地觀察和解決測試中碰到的問題,同時(shí)也能夠生成全面的測試報(bào)告。5對規(guī)范的“解釋”為了成功部署OpenFlow產(chǎn)品,ONF贊助的互通性活動(dòng)將成為推動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵一步。在推出官方認(rèn)證之前,這些活動(dòng)是廠商驗(yàn)證能否對接到多個(gè)其他廠商設(shè)備的唯一手段。活動(dòng)同樣為廠商提供了一個(gè)論壇,討論他們對規(guī)范的“解釋”。OpenFlow有兩個(gè)特殊的、獨(dú)特的問題如下:●OpenFlow不是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,它在很長一段時(shí)間需要依靠類似網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)等其它“標(biāo)準(zhǔn)”網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。例如,剛剛舉行的活動(dòng)使用LLDP(鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議)提供路徑信息進(jìn)行測試。此信息的接口并不是沒有問題?！馩penFlow交換機(jī)類似于計(jì)算機(jī),包含由OpenFlow架構(gòu)中定義的基本指令集。很明顯盡管該指令集的某些用途最有用,但是幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)流量和操作將成為可能。隨著“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”的復(fù)雜性增加,許多OpenFlow交換機(jī)供應(yīng)商將詢問:“你想用這個(gè)交換機(jī)做什么”?6網(wǎng)絡(luò)交換協(xié)議的邏輯控制如果要成為傳統(tǒng)交換機(jī)的成功替代設(shè)備或增補(bǔ)設(shè)備,OpenFlow控制器和交換機(jī)的性能極其重要。傳統(tǒng)交換機(jī)已經(jīng)過開發(fā)和調(diào)整多年,并采用旨在實(shí)施既定交換協(xié)議的專用邏輯來運(yùn)行。在OpenFlow協(xié)議中,許多決策都由控制器來完成。為使OpenFlow具備商業(yè)可行性,針對每臺OpenFlow設(shè)備執(zhí)行性能測試、可擴(kuò)展性測試和穩(wěn)定性測試將必不可少。具體來說:(1)有延遲和連接速率●單端口和整機(jī)設(shè)備的吞吐量(以Mbit/s為單位測量)?！癫煌瑤L下數(shù)據(jù)包的延遲(以納秒為單位測量)?！襁B接速率(以每秒連接數(shù)為單位衡量)。這一點(diǎn)對于OpenFlow交換機(jī)和控制器尤為重要,因?yàn)樵S多新的連接通過控制器重定向。(2)協(xié)議數(shù)目的選擇●流表?xiàng)l目的最大數(shù)量。這最終限制了交換機(jī)交換以及可以維持的其他協(xié)議數(shù)目?！襁B接和邏輯模塊的最大數(shù)量。這限制了相關(guān)的使用率,例如OpenFlow的一個(gè)前景被看好的使用是