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    SDN網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制

    2016-11-11 03:20:10吳京京王敢甫王德強(qiáng)胡明明
    軟件 2016年8期
    關(guān)鍵詞:表項(xiàng)徑流量IP地址

    吳京京,王敢甫,王德強(qiáng),胡明明

    (中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430074)

    SDN網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制

    吳京京,王敢甫,王德強(qiáng),胡明明

    (中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢430074)

    為了能夠?qū)崿F(xiàn)基于用戶需求的路徑規(guī)劃,并實(shí)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)路徑流量進(jìn)行監(jiān)控,向網(wǎng)絡(luò)管理員提供路徑調(diào)整依據(jù)。文章利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking,SDN)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的特性,設(shè)計(jì)SDN網(wǎng)絡(luò)下的路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制。通過(guò)基于預(yù)設(shè)路徑來(lái)生成和下發(fā)流表項(xiàng),實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)路徑的規(guī)劃;并依據(jù)OpenFlow交換機(jī)流表項(xiàng)的匹配次數(shù),動(dòng)態(tài)衡量網(wǎng)絡(luò)路徑流量,實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在基于Mininet與OpenDayLight的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了路徑規(guī)劃的正確性以及路徑流量監(jiān)控的有效性。

    軟件定義網(wǎng)絡(luò);路徑規(guī)劃;流量監(jiān)控

    本文著錄格式:吳京京,王敢甫,王德強(qiáng),等. SDN網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制[J]. 軟件,2016,37(8):81-86

    0 引言

    隨著云計(jì)算和云服務(wù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜,使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)極易出現(xiàn)安全問(wèn)題,從而影響網(wǎng)絡(luò)安全和性能[1-3]。合理的網(wǎng)絡(luò)管理,能夠?yàn)橛脩籼峁└鼉?yōu)質(zhì)的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)流量是網(wǎng)絡(luò)管理的重要指標(biāo),能直觀的反映網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣[4],并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的異常流量。因此,對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)收集流量信息來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)異?,F(xiàn)象和違反安全策略的行為,是分析網(wǎng)絡(luò)性能和狀態(tài)的有效措施,保證網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行暢通[5]。

    一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)的誕生為網(wǎng)絡(luò)管理提供了新的思路[6]。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制,被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界視為解決網(wǎng)絡(luò)僵化問(wèn)題的新途徑[6-8]。SDN控制器基于OpenFlow[9]協(xié)議與SDN交換機(jī)進(jìn)行通信,可以通過(guò)下發(fā)流表的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行精細(xì)化的控制。由于SDN具有可編程、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離獨(dú)特之處,使得在SDN網(wǎng)絡(luò)中的流量監(jiān)控與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下的流量監(jiān)控大不相同[10]。

    目前,NOX、Floodlight等SDN控制器[11],均提供基于最短路徑算法的流量自動(dòng)路徑規(guī)劃模塊。然而,這樣的自動(dòng)路徑規(guī)劃容易導(dǎo)致將數(shù)據(jù)流集中到同一條路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞[12]。并且SDN網(wǎng)絡(luò)中的OpenFlow交換機(jī)采用的是二層技術(shù),無(wú)法提供三層的路由功能[13]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)基于用戶需求的路徑規(guī)劃,并對(duì)路徑流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文提出SDN網(wǎng)絡(luò)下的路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制,能

    1 路徑規(guī)劃和流量監(jiān)視

    路徑規(guī)劃監(jiān)視機(jī)制在SDN架構(gòu)的應(yīng)用層上開(kāi)發(fā),利用SDN控制器提供的北向接口Rest API與控制器進(jìn)行通信。該機(jī)制主要分為路徑規(guī)劃和流量監(jiān)控兩部分。前者基于預(yù)設(shè)路徑,通過(guò)生成和下發(fā)流表項(xiàng),對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重定向操作,實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。后者通過(guò)監(jiān)控交換機(jī)流表項(xiàng)的包匹配次數(shù),動(dòng)態(tài)衡量網(wǎng)絡(luò)路徑流量,對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)流量的流經(jīng)路徑與預(yù)設(shè)路徑不一致時(shí),則向網(wǎng)絡(luò)管理員發(fā)起流量異常通告。路徑規(guī)劃和流量監(jiān)視這兩部分的設(shè)計(jì)流程分別見(jiàn)圖1和圖2。

    圖1 路徑規(guī)劃流程圖Fig.1 Flowchart of path planing

    圖2 路徑流量監(jiān)控流程Fig.2 Process of path traffic monitoring

    路徑規(guī)劃的設(shè)計(jì)思路如下:

    1)管理員根據(jù)路徑規(guī)劃需求,輸入路徑具體信息。

    2)根據(jù)所輸入的預(yù)設(shè)路徑,獲得源主機(jī)IP、目的主機(jī)IP,以及路徑指定的各交換機(jī)。

    3)根據(jù)北向接口得到的拓?fù)湫畔?,獲得源主機(jī)IP和目的主機(jī)IP所對(duì)應(yīng)的MAC地址,并獲取用戶所指定路徑上各交換機(jī)間的轉(zhuǎn)發(fā)端口信息。

    4)針對(duì)每一臺(tái)交換機(jī),將源主機(jī)和目的主機(jī)的MAC地址對(duì)應(yīng)到OpenFlow流表項(xiàng)的匹配域字段,將交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)端口對(duì)應(yīng)到OpenFlow流表項(xiàng)的行動(dòng)字段,形成完整流表項(xiàng),并將其下發(fā)到交換機(jī)中。

    路徑流量監(jiān)視的設(shè)計(jì)思路如下:

    1)獲取管理員所輸入的源主機(jī)IP地址,和目的主機(jī)IP地址。

    2)根據(jù)北向接口得到的拓?fù)湫畔?,獲得源主機(jī)IP和目的主機(jī)IP所對(duì)應(yīng)的MAC地址。

    3)根據(jù)北向接口得到網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)交換機(jī)的流表項(xiàng)信息,獲取流表項(xiàng)匹配與所輸入的源/目的MAC地址相一致的流表項(xiàng),以及流表項(xiàng)中的包計(jì)數(shù)信息。

    4)通過(guò)判斷流量流經(jīng)路徑上各個(gè)交換機(jī)之間流表項(xiàng)匹配包的統(tǒng)計(jì)信息是否一致。若不一致,則向管理員提示流量異常通知。

    5)判斷流量的流經(jīng)路徑與預(yù)設(shè)路徑是否一致。若一致,則輸出具體路徑與路徑流量信息。否則,向管理員提示流量異常通知。

    2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署

    本實(shí)驗(yàn)中,OpenDayLight控制器用來(lái)集中控制網(wǎng)絡(luò)資源;用python編寫拓?fù)淠_本;并在Ubantu系統(tǒng)中運(yùn)行Mininet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,模擬SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,其中包括支持OpenFlow1.3協(xié)議的Open-VSwitvh[17]交換機(jī)和主機(jī)。基于SDN的路徑流量監(jiān)控機(jī)制被部署在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用層,通過(guò)控制器的北向接口與控制器進(jìn)行通信,在Windows7系統(tǒng)中運(yùn)行。具體環(huán)境部署見(jiàn)圖3。

    圖3 環(huán)境部署圖Fig.3 Environmental deployment

    2.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

    實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面由“路徑控制”、“實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹?、以及“?shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單圖形拓?fù)洹憋@示三部分組成(見(jiàn)圖4)。其中“路徑控制” 界面是系統(tǒng)的主體部分,可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)路徑的路徑規(guī)劃和路徑流量實(shí)時(shí)監(jiān)控功能;“實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹苯缑嬗糜陲@示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲懈鞴?jié)點(diǎn)信息以及鏈路信息。

    圖4 主界面Fig.4 Main interface

    2.3路徑規(guī)劃正確性驗(yàn)證

    分別對(duì)h1和h2主機(jī)進(jìn)行不同的路由路徑規(guī)劃設(shè)置,使得h1主機(jī)訪問(wèn)h3主機(jī)和h1主機(jī)訪問(wèn)h0主機(jī)的路由路徑不同,使得h2主機(jī)訪問(wèn)h3和h0主機(jī)的路由路徑也不同。

    1)輸入路徑

    在“路徑控制”界面,對(duì)路徑進(jìn)行設(shè)置。具體路由設(shè)置如下:使h1訪問(wèn)h3的報(bào)文通過(guò)s1→s2→s4路線;使h1訪問(wèn)h0的報(bào)文通過(guò)s1→s3→s4路線;使h2訪問(wèn)h3的報(bào)文通過(guò)s1→s3→s4路徑;使h2訪問(wèn)h0的報(bào)文通過(guò)s1→s2→s4路徑。例如使h1訪問(wèn)h3的報(bào)文通過(guò)s1→s2→s4路線,則在“路徑控制”界面的指定路徑文本框中輸入“h1,s1,s2,s4,h3”,并點(diǎn)擊“確定”,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)所輸入的路徑正確響應(yīng),見(jiàn)圖5。

    圖5 路徑控制Fig.5 Route control

    由圖5可見(jiàn),在正確輸入路徑后,系統(tǒng)分別向s1、s2和s4交換機(jī)添加了路徑。

    2)驗(yàn)證路徑規(guī)劃

    在路徑設(shè)置完成后,通過(guò)查看交換機(jī)中的流表項(xiàng),來(lái)驗(yàn)證該機(jī)制是否成功基于預(yù)設(shè)路徑規(guī)劃來(lái)生成和下發(fā)流表項(xiàng),具體流表項(xiàng)信息見(jiàn)圖6至圖9。

    由圖6可見(jiàn),s1交換機(jī)中成功添加了4條指定輸出端口的流表項(xiàng)。

    圖6 s1交換機(jī)的流表項(xiàng)Fig.6 Flowentry of switch s1

    由圖7可見(jiàn),s2交換機(jī)中成功添加了2條指定輸出端口的流表項(xiàng)。

    圖7 s2交換機(jī)的流表項(xiàng)Fig.7 Flowentry of switch s2

    由圖8可見(jiàn),s3交換機(jī)中成功添加了2條指定輸出端口的流表項(xiàng)。

    圖8 s3交換機(jī)的流表項(xiàng)Fig.8 Flowentry of switch s3

    由圖9可見(jiàn),s4交換機(jī)中成功添加了4條指定輸出端口的流表項(xiàng)。

    圖9 s4交換機(jī)的流表項(xiàng)Fig.9 Flowentry of switch s4

    2.4路徑流量監(jiān)視有效性驗(yàn)證

    在系統(tǒng)的“路徑控制”界面,輸入需要驗(yàn)證路徑的源IP與目的IP。例如,在界面文本框中輸入源主機(jī)h2的IP地址“10.0.0.2”,目的主機(jī)h0的IP地址“10.0.0.4”,進(jìn)行路徑流量監(jiān)控,如果網(wǎng)絡(luò)中路徑流量無(wú)異常,則能成功輸出與預(yù)設(shè)路徑相一致的路徑和流量信息(見(jiàn)圖10)。

    為了更全面的對(duì)路徑流量監(jiān)控模塊進(jìn)行有效性驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組不同的訪問(wèn)方式:“相同源IP訪問(wèn)不同目的IP”、“不同源IP訪問(wèn)相同目的IP”、“不同源IP訪問(wèn)不同目的IP”。

    1)相同源IP地址訪問(wèn)不同目的IP地址

    由表1可見(jiàn),當(dāng)主機(jī)h1同時(shí)訪問(wèn)h0和h3時(shí),訪問(wèn)h0的數(shù)據(jù)包量是0.2萬(wàn)個(gè),訪問(wèn)h3的數(shù)據(jù)包量是0.1萬(wàn)個(gè)。流量監(jiān)控反饋的結(jié)果可知,交換機(jī)s1、s3和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.2萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致;交換機(jī)s1、s2和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.1萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致。

    2)不同源IP地址訪問(wèn)相同IP地址

    由表2可見(jiàn),當(dāng)主機(jī)h1和h2同時(shí)訪問(wèn)目的主機(jī)h3時(shí),h1訪問(wèn)h3的數(shù)據(jù)包量是0.2萬(wàn)個(gè),h2訪問(wèn)h3的數(shù)據(jù)包量是0.3萬(wàn)個(gè)。流量監(jiān)控反饋的結(jié)果可知,交換機(jī)s1、s2和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.2萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致。交換機(jī)s1、s3和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.3萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致。

    3)驗(yàn)證不同源IP地址訪問(wèn)不同目的IP地址

    由表3可見(jiàn),當(dāng)主機(jī)h1訪問(wèn)h3,主機(jī)h2訪問(wèn)h0時(shí),h1 訪問(wèn)h3的數(shù)據(jù)包量是0.5萬(wàn)個(gè),h2 訪問(wèn)h0的數(shù)據(jù)包量是0.4萬(wàn)個(gè)。流量監(jiān)控反饋的結(jié)果可知,交換機(jī)s1、s2和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.5萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致。交換機(jī)s1、s2和s4中對(duì)應(yīng)流表項(xiàng)的包匹配數(shù)目均為0.4萬(wàn)個(gè),與預(yù)設(shè)路徑一致。

    通過(guò)上述三組實(shí)驗(yàn),成功驗(yàn)證了通過(guò)交換機(jī)流表項(xiàng)的匹配數(shù)目,動(dòng)態(tài)衡量網(wǎng)絡(luò)路徑流量,對(duì)路徑流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效性。

    圖10 路徑流量監(jiān)控Fig.10 Route traffic monitoring

    表1 主機(jī)h1同時(shí)訪問(wèn)h0和h3Tab.1 Host h1 simultaneous access to the host h0 and h3

    表2 主機(jī)h1和主機(jī)h2同時(shí)訪問(wèn)h3Tab.2 Host h1 and h2 simultaneous access to the host h3

    表3 主機(jī)h1訪問(wèn)h3,主機(jī)h2訪問(wèn)h0Tab.3 Host h1 access to the host h3 and host h2 access to the host h0

    3 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)提出了一種路徑流量監(jiān)控機(jī)制。該機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)路徑的制定,并通過(guò)監(jiān)控OpenFlow交換機(jī)流表項(xiàng)的匹配次數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)搭建Mininet與Open-Daylight的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)路徑規(guī)劃的正確性以及路徑流量監(jiān)控的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

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    A Mechanism of Path Planning and Monitoring in SDN Network

    WU Jing-jing, WANG Gan-fu, WANG De-qiang, HU Ming-ming
    (College of Computer Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan430074, China)

    In order to realize the path planning based on user demand, and real-time monitoring of network path traffic, providing adjusted basis of the pathto the network administrator. The Paper uses software-defined network (SDN) characteristics that control and forwarding separation, design a mechanism planning path and monitoring in SDN Networks. Based on the preset path to generate and issued flow table entries, to realize the network path planning. And according to the number of matches in flow table entries of OpenFlow switch, dynamic measuring network traffic path, to achieve real-time monitoring of the path traffic. On the experimental platform based on Mininet and OpenDayLight verify correctness of the path planning and effectiveness of the path traffic monitoring.

    Software-defined network; Path planning; Traffic monitoring

    TP393

    A

    10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.018

    吳京京(1992-),女,研究生,主要研究方向:高級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);王敢甫(1989-),男,研究生,主要研究方向:高級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);王德強(qiáng)(1990-),男,研究生,主要研究方向:軟件定義網(wǎng)絡(luò);胡明明(1993-),女,研究生,主要研究方向:軟件定義網(wǎng)絡(luò)。夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量路徑的規(guī)劃,以及路徑流量監(jiān)視功能。路徑規(guī)劃主要是通過(guò)下發(fā)具有重定向功能的流表項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。路徑流量監(jiān)視主要是利用控制器自身對(duì)數(shù)據(jù)平面流量的收集,通過(guò)分析交換機(jī)流表項(xiàng)的匹配次數(shù),來(lái)動(dòng)態(tài)衡量網(wǎng)絡(luò)路徑流量,達(dá)到路徑流量實(shí)時(shí)監(jiān)視的目的。最后,通過(guò)搭建Mininet[14,15]數(shù)據(jù)平面仿真與OpenDayLight[16]控制器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,驗(yàn)證SDN網(wǎng)絡(luò)中路徑規(guī)劃和路徑流量監(jiān)視的正確性與合理性。

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