浅析软件定义网络东西向通信研究

田新志 陈晓范 申海杰

摘要：软件定义网络中多控制器部署过程中涉及控制器之间的通信问题，因而产生了东西性接口问题，多控制器的部署主要分为层次式与扁平式两种结构，这两种结构在东西向通信中有各自不同的特点。该文对 SDN中东西向通信问题进行了系统的分析，分析了不同部署方案中对东西向通信的处理方式，并对 SDN东西性通信问题的研究方向进行了展望。

关键词：软件定义网络（SDN）;分布式控制;东西向通信

中图分类号：TP319        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0026-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

SDN自2006年开始至今的在这段时间内得到了高速发展，大规模网络的形成、海量数据的应用以及高服务质量需求刺激着SDN的不断发展壮大，致使SDN最初所设计的集中式控制方式的缺点越来明显。单一控制器集中控制的设计特点，使网络中控制平面的控制器能力受到严重限制，其在扩展方面尤其困难，而正是由于控制器的缺陷使得网络遇到了性能瓶颈等问题[1]。为了能让SDN持久地发展下去，SDN领域内的各大控制器厂商纷纷推出自己的改进方法及策略。如著名的由 NOX控制器升级来的NOX-MT控制器，在没有改变原来控制器的基本结构的前提下，利用现有的并行技术来增加控制器多线程处理功能，以达到提升控制器性能的目的。正是基于这种原因，由NOX升级到NOX-MT非常方便，且系统并不会因为控制器平台的更换而产生网络状态不一致等性问题。当然除了这种方法之外还可以采用性能较高的控制器如Maestro控制器[2]，Maestro控制器中设计有并行处理结构，因此其具有良好的并行处理能力，使用这种控制器的SDN可以充分发挥高性能服务器的多核并行处理能力;特别是在网络规模较大情况下，其性能比NOX要优越得多。虽然这也不失为一个很好的解决方案，但这种方式在处理一个较大规模的网络时，具体的做法则是要将网络按照某种规则划分为若干个区域，此时，假如还是使用单控制器集中控制方式来处置网络中交换机相关请求时，可能因为传输距离等方面的原因，造成本域控制器与其他域中的交换机之间存在较大时延，这将很有可能造成网络性能下降，严重时甚至会造成网络不可用。 在单控制器集中控制方式中一旦控制器出现故障，那对网络来说是灾难性的。此类解决方案目前还只能用于同一控制器之间的性能扩展，对异构控制器之间的相互协同工作还做不到。再者，若某系统对安全、隐私方面要进行考虑的话，就需要系统能够隐藏网络内部的细节，这对单控制器集中控制方式来说也是无法做到的。

要更好地解决单控制器集中控制方式带来的诸多问题，研究者们想到了扩展控制器的数量，在网络中部署多个控制器，让各个控制器按某种规则相互协同工作来提升网络中控制平面的处理能力，这就是常说的SDN多控制器部署的问题，当在网络中部署多个控制器时，就需要有 SDN域的概念。那么對于跨域之间流量的处理问题就需要网络设计人员认真考虑了，那么实现多异构控制器之间的协同工作也是SDN的主要研究方向之一。根据SDN的结构描述可知，SDN控制平面有南向接口和北向接口。南向接口也称向下接口，是面对数据平面的，其提供对不同厂家网络单元的管理功能。北向接口也称向上接口，是面向应用的。而对于控制层内部控制器与控制器之间的接口则称之为东西向接口，其作用是完成控制器之间的通信。多控制器模型结构如图1所示。

2 SDN多控制器部署方式

目前在 SDN多控制器部署环境中主要有两种部署方式，一是层次式结构，也称为垂直结构的，二是扁平式架构，也称为水平结构。

层次式架构部署方式是在控制平面中再分出一层——高级控制层。分出的这一层主要是用于在网络的运行中协调多个异构控制器之间的协同工作，以便完成网络跨控制器（或跨域）通信请求。该方式一般的做法是先将控制器按照其用途进行分类，划分为局部控制器和全局控制器。局部控制器的主要职能是完成本区域内交换机的控制与 管理，只需要掌握本区域的网络状态即可。而全局控制器的主要职能则是完成全网信息的维护，负责完成全网信息的路由等操作。在这种模型结构中，控制平面内部有两种信息需要进行交互处理：一是各局部控制器与全局控制器之间交互信息的处理。二是全局控制器之间交互信息的处理。层次式SDN模型结构图如图2所示。

扁平式架构是把网络分为不相交的区域，在每个不相交的区域内有各自的控制器，这些控制器在网络中的地位是相等，从逻辑上来看，它们都属于全局控制器，都掌握着全网状态信息，它们交换信息是通过控制器的东西向接口进行的。一旦网络状态发生了变化，网络 中的所有控制器为了获取全网状态，这些控制器均需进行同步更新操作，这种操作只需要交换机调整与控制器的地址映射就可以了，不需要进行复杂的更新操作，因而扁平式结构的SDN模型对数据层的影响较小。 扁平式SDN模型结构图如图3所示。

3 SDN东西向接口研究现状

多域控制器的域间通信协作机制需要一个东西向接口，目前分布式控制器各自有自己定义的东西向接口。这些接口的功能包括在各分区控制器实例之间实现导入/导出数据、数据一致性模型的算法、分布式监测和通知功能、新控制器节点的部署状态。那么在多控制器SDN模型结构中，由控制器之间的通信而产生的东西向接口同样对网络的运行起着至关重要的作用。

在层次化结构部署中典型的成功案例是文献[3]中提到的Kandoo网络。对于Kandoo网络的工作模式来说，如果网络中的SDN交换机需要转发未知报文时，交换机首先向较近的局部控制器发送咨询报文。局部控制在收到报文后，对报文进行识别，如果报文是局部信息，则该控制器迅速做出响应。如果控制器没法处理交换机发来的报文，其向全局控制器发送咨询报文，在收到全局控制器的回应后将获得的信息下发给交换机，在这里也需要用控制器的东西向接口来进行控制器之间的通信。Kandoo网络由于采用了分层的思想，使得控制平面信息的交换不需要在全局控制器之间进行频繁交互，为降低流量负载做出了很大的贡献。这种方式对于局部应用较多的场合具有非常不错的执行性能。

在扁平式结构的部署中的典型成功案例是文献[4]中提到的Onix和文献[5]中提到的HyperFlow。在Onix架构中，设计师们引进了网络信息库（network information base，简称NIB）的概念。网络中的所有控制器都保有一份对应的网络信息库（NIB），模型通过保持控制器中的网络 信息库NIB的一致性来实现控制器之间的同步更新。而文献[5]中的 HyperFlow模型的工作机制主要是利用注册和广播机制来实施的，如果某控制器因故障原因失效，则需要利用手动配置的方式来进行，将原来由失效控制器负责的交换机配置到网络中另外一个新控制器上，其目的是保证其可用性。由于这種模型的控制方式中所有控制器都掌握了全网状态，而控制器在绝大多数情况下却只用来控制局部网络，从而造成了一定程度上的资源浪费。除此之外，当控制器更新时还会增加网络的整体负载。而且在实际网络部署过程中，不同的域极有可能是属于不同运营商的，各运营商采用的技术极有可能是不同的，导致控制器要在不同域之间进行平等通信则是不可能的。

还有其他的一些研究成果，比如文献[6]中所提出的用于东西向通信的OXP（Open e Xchange， 开放性可变长协议）。OXP 的核心思想 是：将控制平面进行分层，以此来解决当前 SDN 网络在规模较大时网络性能下降问题，具体做法是将控制平面划分两层，分别为域间控制层和域内控制层。在该模型中域间控制器的主要任务是进行各域之间跨域通信任务，而对域内控制器来说，其主要任务是完成域内交换机流表等的下发等操作。那么在进行全网跨域路径计算时，OXP模型将其划分为域内路径计算和域间路径计算两部分，这样一来，可以大大降低其全网路径计算算法的复杂度。但在规模庞大的网络系统中OXP的可行性有待进一步验证。

文献[7]提出了一种 P2P方式来解决 SDN网络中控制器之间的协调， P2 P方法可以保持每个 SDN控制器的独立性，具有不同的策略和路径设置，以适用于其控制中的网络元素。此外，P2P SDN允许逐渐部署和连续演进，并实现网络的灵活配置。但是这种方法一方面目前只能部署在静态拓扑网络中，一旦网络拓扑发生改变刚文献[7]中所提出的算法将失效，另一方面由于 P2P方法仍然是以 BGP方式在域间交换数据，所以在云环境，尤其是数据中心网络中其吞吐量不一定能满足要求。

4 SDN东西向接口发展趋势

随着云计算、大数据、人工智能技术的迅猛发展，网络从规模上也是越来越大，人们对网络的服务质量都提出了很高的要求，这就要求现代的网络在响应速度、用户体验、功能模块方面都上一个新的台阶。而对于软件定义网络中的多控制器的部署来说更是如此。笔者认为，有关SDN东西向接口今后的研究方向有以下几点：

1）目前SDN东西向接口并没有统一的标准，如何统一标准，制定规范是今后的主要研究方面，这需要更多的人参与进来。

2）控制平面东西向通信的实施可能会带来控制规则的逻辑一致性问题、可用性问题和容错性问题等，在一个具体的网络中三种特性是无法同时满足，如何达到三者之间的平衡，也是研究者们今后的主要工作之一。

3）多域 SDN控制器东西向通信安全性问题研究，域间互联基本上是通过控制器的东西向通信来实现，但是控制器之间的通信方式以及安全性还没有受到很多关注。域间安全是 SDN 网络的大规模部署的关键问题，所以构建域间分布式控制器的安全通信是非常必要的。

5 结论

本文对 SDN网络在多控制器的部署方案中进行了详细的描述，系统地介绍了多控制器中的层次式架构与扁平式架构各自特点，对目前在 SDN多控制器中控制平面的东西向接口的通信进行了系统的介绍，对当前所使用的东西向通信技术的特点及不足之处进行了深刻的剖析，并对 SDN东西向通信问题的发展趋势进行了简单的分析。

参考文献：

[1] Koteswararao Kondepu.Performance evaluation of SDN-controlled green mobile fronthaul using a federation of experimental network testbeds[J].Photonic Network Communications，2019，37（3）：399-408.

[2] 吕焦盛.基于SDN的网络控制器均衡技术设计与实现[J].河南科技学院学报（自然科学版），2019（02）：60-64.

[3] 杨明军.基于Kandoo 架构的网络负载均衡算法的研究[D].兰州：兰州大学，2013.

[4] Jain S，Kumar A，Mandal S，et al.B4：Experience with a globally-deployed software defined WAN[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review.ACM，2013，43（4）：3-14.

[5] Bartosz Balis.HyperFlow：A Distributed Control Plane for Open[J].Flow Future Generation Computer Systems，2016：147-162.

[6] 杨帆，李呈，黄韬.OXP：一种面向SDN移动自组网的东西向协议[J].电信工程技术与标准化标准与规范，2016（9）：32-37.

【通联编辑：朱宝贵】