软件定义网络应用的编译互用性研究

Software Defined Networking (SDN) as a promising direction of future network enables programmability for network operators. However, SDN programs cannot run at different or hybrid data planes, while a single data plane cannot execute cross-language SDN programs. This obstructs the deployment of SDN in the unstructured real networks. This proposal studies the interoperable compilation method for cross-language programs and hybrid data plane. Specifically, this proposal formally analyzes the semantics of SDN programs, and evaluates the prototype on the SDN testbed with the following contributions: 1) Decouple the SDN language and data plane rules by proposing a universal intermediate representation (IR) to realize the interoperability between different data planes, 2) explore the composition method on the proposed IR to cooperate multiple SDN programs, and 3) modularize the processing ability of data planes, and optimize the rule placement compiled from the high-level intents to support the deployment on the hybrid data plane.

软件定义网络（SDN）作为新兴的网络结构提供了良好的可编程性，然而，SDN应用无法在不同数据平面或混合数据平面上执行，同一数据平面也不能承载多种语言编写的SDN应用，这限制了SDN应用在真实异构网络中的部署和移植。本项目研究在跨语言及混合数据平面环境下的SDN应用的编译互用性，采用形式化语义分析和理论求证的手段，通过软件仿真和试验床测试的方法，从以下三方面寻求突破：1）引入SDN统一中间表示，解耦SDN语言与数据平面规则，简化SDN编译器设计，实现SDN应用在不同数据平面上的互用性；2）基于统一中间表示，探索在SDN场景中多维输入自动机的无损整合方法，在不破坏上层语义的前提下实现跨语言SDN应用在同一数据平面中的共存；3）对不同数据平面设备的处理能力进行建模，合理放置高层语义编译得到的数据平面规则，使得SDN应用可以部署在混合数据平面。

软件定义网络（SDN）将复杂的控制平面从数据平面中分离，因此使得通过编写软件实现中心化的网络控制成为了可能。然而，虽然学术界与工业界提出了大量SDN编程语言，但这些语言缺少编译互用性，即：不同语言编写的应用无法在同一网络中运行；特定语言编写的应用无法移植到不同网络中。这限制了SDN应用在真实网络中的大量部署。本项目研究在跨语言及混合数据平面环境下的SDN应用的编译互用性，采用形式化语义分析和理论求证的手段，通过软件仿真和试验床测试的方法，对以下三个研究内容进行了探索：1）SDN统一中间表示，解耦SDN语言与数据平面规则，简化SDN编译器设计，实现SDN应用在不同数据平面上的互用性；2）基于统一中间表示，探索在SDN场景中多维输入自动机的无损整合方法，在不破坏上层语义的前提下实现跨语言SDN应用在同一数据平面中的共存；3）对不同数据平面设备的处理能力进行建模，合理放置高数据平面规则，使得SDN应用可以部署在混合数据平面。.项目取得了如下重要成果：1）提出了网络事务自动机（NTA）作为 SDN的统一中间表示，构建了其完整语义，可以完整表示多种典型网络语义。理论分析表明 NTA可支持 7种主流 SDN编程语言语义。针对其中两个语言研发了转译工具，实现了其到 NTA的自动翻译；2）设计并实现了基于 NTA的语义整合机制，拓展了传统自动机的操作集，可以无损的将多个 NTA进行并行整合、串行整合、二择一整合，可以满足 SDN程序的多种互用需求；3）提出了数据平面处理能力模型，建立了基于最大流问题的混合整数规划模型，并提出启发式算法将该问题并行化，使用多核、分布式控制器带来 确定性的编译性能提升； 通过全局视野协调网络所有交换机进行流表的优化，迁移造成流表冲突数量最多的表项，平衡全局表项的同时优化单点交换机的流表存储。.本项目首次研究了SDN编译可互用性问题，设计的相关模型与实现的原型系统是网络软件化实践中的重要探索。相关成果发表在ACM CoNEXT、ACM/IEEE ToN等网络体系结构国际顶级会议与期刊上。