软件定义网络中流表管理的可扩展性研究

By separating control logic and forwarding flow tables, Software-Defined Networking (SDN) greatly simplifies network management and innovation, and becomes a hot research topic in both academia and industry. However, current SDN flow table management mechanisms have serious vulnerabilities in scalability, which causes significant degradation in the basic network performance metrics, such as reachability, latency and data bandwidth, as the scale of the network increases. Surrounding the scalability of SDN flow table management, this project studies the following topics. We establish the theoretical evaluation model for scalability of flow table management, which provides the framework and theoretical basis for analysis. Based on the theoretical model and real system conditions, we derive feasible goals for mechanism optimization. Based on the theoretical model and real data, we evaluate the salability of existing solutions and summarize the design ideas. Based on the optimization goals and design ideas, we design and implement highly scalable SDN flow table management mechanisms. We establish large-scale simulation environment and real testbed and use real data to comprehensively verify the scalability of the new mechanisms. In the innovative results of this projects, the theoretical model will provide theoretical basis for the study of SDN scalability, and the design and implementation of the highly scalable flow table management mechanisms will resolve the key problems in the large-scale adoption of SDN. This project has great significance in both theory and practice.

软件定义网络（SDN）通过控制逻辑与转发流表的分离，极大简化了网络管理和创新，成为学术界和工业界的研究热点。然而，当前SDN的流表管理机制存在严重的可扩展性缺陷，导致可达性、延时和数据带宽等基本网络性能指标随着网络规模的增长而显著下降，严重制约了SDN的应用范围。本项目围绕SDN流表管理的可扩展性问题开展如下研究：建立流表管理可扩展性的理论评价模型，提供分析的框架和理论基础；基于理论模型和实际系统条件，推导出可行的机制优化目标；基于理论模型和真实数据，评价现有方案的可扩展性并总结出设计思路；基于优化目标和设计思路，设计并实现高可扩展的SDN流表管理机制；搭建大规模模拟环境和真实实验床，采用真实数据对新机制予以全面的可扩展性验证。本项目的创新成果中，评价模型将为SDN的可扩展性研究提供理论基础，高可扩展的流表管理机制的设计和实现将解决SDN大规模应用的关键问题，项目具有重要的理论和实际意义。

流表管理是SDN中极为重要的一环。然而，为了实现细粒度、集中式和开放性，当前SDN的流表管理机制存在着诸多可扩展性问题，这些问题甚至对可达性、延时和数据带宽等最基本的网络性能指标产生了严重影响，不仅制约了SDN所适用的网络规模和应用环境，也导致了SDN面临网络攻击的脆弱性。.为系统性地研究和解决SDN流表管理的可扩展性问题，本项目建立了SDN流表管理可扩展性评价模型，对当前SDN流表管理机制进行了可扩展性分析，依据模型对可扩展性的优化目标进行了可行性分析，提出了高可扩展的SDN流表管理机制的设计方案，并予以理论验证，最后实现了该方案并通过实验予以验证。.该工作为评价SDN的可扩展性奠定了一定的理论基础，基于该模型推导出的优化方向和设计原则对于设计高可扩展的SDN流表管理机制具有一定的指导意义。.根据该理论指导，本项目借鉴标签交换的思想设计了新型的SDN流表管理系统TFlow，介绍了TFlow的详细设计、软硬件实现和系统评价。TFlow的北向接口和南向接口与以OpenFlow为代表的SDN相同，因此并不改变网络的功能。在此前提下，我们的评价结果显示，相比于OpenFlow，TFlow的数据平面流表使用下降了两个数量级，控制信道使用下降了40%，交换机控制平面的CPU使用更少更稳定，控制器的CPU使用更少。而为了实现这些可扩展性的提升，仅仅付出了非常少的代价——在实验所使用的私有数据中心环境中，控制器上维护交换机的动作表，其内存消耗仅有几十到几百兆，在当前硬件条件下不会成为系统瓶颈。.该研究成果将对正在如火如荼开展的SDN研究和应用提供流表优化方面的理论指导和方法指导，具有较好的应用前景。