一種基于標(biāo)簽交換的OpenStack SDN網(wǎng)絡(luò)高效多流表方案

許延偉 黃志林 徐曄 劉永紅

摘要：在OpenStack云計(jì)算平臺(tái)中采用基于SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是當(dāng)前的一個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢，因?yàn)槠淇梢院芎玫臐M足OpenStack在網(wǎng)絡(luò)管理方面的靈活性和敏捷性需求。其中基于OpenFlow流表為虛擬機(jī)提供各種二層和三層網(wǎng)絡(luò)功能是實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。針對(duì)OpenStack平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)需求特性，該文提出了一種基于標(biāo)簽交換的SDN網(wǎng)絡(luò)高效多流表方案，通過多流水線有效降低SDN網(wǎng)絡(luò)流表數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率，具備適應(yīng)不同云計(jì)算平臺(tái)的能力和網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展能力，從而可為OpenStack提供高效的SDN組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenStack；OpenFlow；多流表方案

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0053-04

Abstract：The adoption of SDN-based network architecture in the OpenStack cloud-computing platform is a current trend， because of its ability to meet OpenStack's flexibility and agility requirements in network management. Providing various Layer 2 and Layer 3 network functions for virtual machines based on the OpenFlow flow entries is the key to achieving efficient network communication. Aiming at the network characteristics of OpenStack， this paper proposes an efficient multi-flow table Implementation for SDN network based on label switching， which can effectively reduces the number of SDN network flow tables and improves the efficiency of network communication by multi-pipelines. In addition， it has the ability to adapt to different cloud computing platforms and extending the network functionalities.

Key words：SDN ； OpenStack； OpenFlow； Multi-Flow Table Implementation

1 引言

近年來云計(jì)算己經(jīng)在各大軟件廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司中得到廣泛認(rèn)可和使用。當(dāng)前，基于OpenStack架構(gòu)的云計(jì)算平臺(tái)占領(lǐng)了絕對(duì)的市場份額。無論在國內(nèi)一線互聯(lián)網(wǎng)和軟件公司還是國外各軟件巨頭，近90%的廠商都在關(guān)注和實(shí)踐OpenStack項(xiàng)目，成為了事實(shí)上的開源云計(jì)算平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

OpenStack是由Rackspace和美國國家航空航天局（NASA）合作研發(fā)的用于搭建IaaS平臺(tái)的云計(jì)算管理軟件[2]。OpenStack是一個(gè)開源的云計(jì)算管理平臺(tái)項(xiàng)目，并基于社區(qū)開發(fā)模式，無論是企業(yè)或個(gè)人都可以根據(jù)自己的需要修改源代碼，并將修改的代碼作為開源或者商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布出去[3]。OpenStack支持幾乎所有類型的云環(huán)境，項(xiàng)目目標(biāo)是提供實(shí)施簡單、可大規(guī)模擴(kuò)展、豐富、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的云計(jì)算管理平臺(tái)。OpenStack通過各種互補(bǔ)的服務(wù)提供了基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）的解決方案，每個(gè)服務(wù)提供API以進(jìn)行集成。

作為OpenStack云平臺(tái)中的三大關(guān)鍵基礎(chǔ)資源之一，Neutron網(wǎng)絡(luò)的管理相當(dāng)復(fù)雜，各種網(wǎng)絡(luò)功能和配置對(duì)用戶的要求很高，而且出現(xiàn)問題以后非常難以定位原因，而且開源社區(qū)版本的虛擬網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)不是很理想。因此，依靠其內(nèi)在的高靈活性和可編程性，開發(fā)可對(duì)接OpenStack Neutron的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）[4]網(wǎng)絡(luò)就成為了一個(gè)技術(shù)上的必然選擇和當(dāng)前主流趨勢。SDN把傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分拆為應(yīng)用、控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)3層分離的體系架構(gòu)，其核心技術(shù)是通過實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)和轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)的相互獨(dú)立，從而靈活、方便地控制數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，提供了一種可編程的網(wǎng)絡(luò)管理模式。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中，控制器通過南向接口（OpenFlow[5]協(xié)議）獲取底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息，進(jìn)行統(tǒng)一部署、集中管理以及靈活控制，從而解決了分散網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理控制問題。同時(shí)，控制器提供了可編程擴(kuò)展的北向接口，按不同需求設(shè)計(jì)的功能應(yīng)用軟件可以直接運(yùn)行在控制器上，利用控制器對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

當(dāng)前基于SDN的OpenStack網(wǎng)絡(luò)方案主要可以分為Overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6， 7]和非Overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8， 9]。在Oveylay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，不同服務(wù)器上的虛擬機(jī)之間的通信依靠構(gòu)建在虛擬交換機(jī)之上的二層隧道，例如VxLan [10]、GRE [11]等。由于二層隧道需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包和解封包的操作，Overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的虛擬機(jī)通信性能和網(wǎng)絡(luò)的靈活性都會(huì)受到很大的限制[8]。非Overlay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般是利用物理SDN交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，利用SDN控制器下發(fā)OpenFlow實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的端到端的SDN通信。這種組網(wǎng)方案可以充分利用SDN網(wǎng)絡(luò)的靈活性和敏捷特性，充分發(fā)揮物理交換機(jī)的高效數(shù)據(jù)包處理性能，但是其面臨的主要問題是當(dāng)前的SDN物理交換機(jī)的流表數(shù)量有限和SDN控制器流表下發(fā)的低效率。

文獻(xiàn)[12]提出了一種基于標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的SDN網(wǎng)絡(luò)方案，如圖1所示。文獻(xiàn)[12]會(huì)為每一個(gè)交換機(jī)定義一個(gè)標(biāo)簽，并預(yù)先計(jì)算所有交換機(jī)之間的最短路徑，然后以O(shè)penFlow流表的形式在所有的交換機(jī)上下發(fā)基于標(biāo)簽進(jìn)行路由的流表。因此，交換機(jī)中的流表的數(shù)量就從主機(jī)數(shù)量數(shù)量級(jí)降低到了交換機(jī)數(shù)量級(jí)，從而可以大大降低物理交換機(jī)上流表的數(shù)量。但是文獻(xiàn)[10]的方法無法直接應(yīng)用于OpenStack平臺(tái)，主要是由于Neutron網(wǎng)絡(luò)功能眾多，各種功能特性也具有很大區(qū)別，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)開發(fā)在功能和性能上能滿足要求的SDN網(wǎng)絡(luò)難度很大。因此，如何設(shè)計(jì)一種高效的多流表方案以達(dá)到靈活性和性能的統(tǒng)一就成為了一個(gè)關(guān)鍵因素。

本文提出了一種基于標(biāo)簽交換的SDN網(wǎng)絡(luò)高效多流表方案，通過多流水線有效降低SDN網(wǎng)絡(luò)流表數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率，具備適應(yīng)不同云計(jì)算平臺(tái)的能力和網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展能力，從而可為OpenStack提供高效的SDN組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案。本文的方案主要有以下幾個(gè)特性：1）基于標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow流表實(shí)現(xiàn)OpenStack中虛擬機(jī)的內(nèi)外網(wǎng)所有網(wǎng)絡(luò)通信，交換網(wǎng)中的交換機(jī)分為計(jì)算節(jié)點(diǎn)OVS虛擬交換機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)、外網(wǎng)出口交換機(jī)三種角色，根據(jù)其角色分別下發(fā)不同的流表；2）通過標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)整個(gè)交換網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一路由交換；3）每個(gè)OVS虛擬交換機(jī)和外網(wǎng)出口交換機(jī)都使用多個(gè)流表來完成流量處理，每一個(gè)流表對(duì)應(yīng)于一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)處理流程，根據(jù)通信類型在不同的流表之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)以支持虛擬機(jī)的各種通信需求；4）多流表中的流表項(xiàng)根據(jù)其相應(yīng)的功能特性分別采取了反應(yīng)式和預(yù)先式兩種下發(fā)策略。

2 全流程OpenFlow流表交換的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

為了能更好的發(fā)揮SDN在OpenStack中的應(yīng)用潛力，避免Overlay網(wǎng)絡(luò)帶來的各項(xiàng)難題，我們提出了基于物理OpenFlow交換機(jī)的高效網(wǎng)絡(luò)方案，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）無須封包、解包帶來的高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可以最大程度發(fā)揮物理網(wǎng)絡(luò)性能；

2）VM的南北向流量可以直接通過物理交換網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，不僅南北向帶寬可以達(dá)到線性速度，而且NAT、Floating IP和負(fù)載均衡等高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能都可在控制器的統(tǒng)一調(diào)度下由交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)；

3）基于標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow協(xié)議，無廠商綁定，造價(jià)較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案可大幅降低，而且網(wǎng)絡(luò)可動(dòng)態(tài)線性擴(kuò)展；

4）物理網(wǎng)絡(luò)中流量可視帶來的可管可控優(yōu)勢，可支持網(wǎng)絡(luò)安全功能和流量工程等功能擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的靈活性。

基于標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow流表實(shí)現(xiàn)OpenStack中虛擬機(jī)的內(nèi)外網(wǎng)所有網(wǎng)絡(luò)通信，交換網(wǎng)中的交換機(jī)分為計(jì)算節(jié)點(diǎn)OVS虛擬交換機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)、外網(wǎng)出口交換機(jī)三種角色，根據(jù)其角色分別下發(fā)不同的流表。轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)和出口交換機(jī)都可以采用支持OpenFlow協(xié)議的物理交換機(jī)。

通過控制器計(jì)算交換機(jī)之間的通信路徑，每個(gè)交換機(jī)分配一個(gè)唯一的基于Vlan ID的標(biāo)簽， 根據(jù)路徑建立基于Vlan ID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)流表，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)通信請(qǐng)求時(shí)候，在通信兩端點(diǎn)所在交換機(jī)上分別建立兩個(gè)流表，在起點(diǎn)處數(shù)據(jù)加上Vlan ID的標(biāo)簽并放在路徑上，在終點(diǎn)把數(shù)據(jù)拆解標(biāo)簽并轉(zhuǎn)發(fā)到指定的通信端點(diǎn)上，完成數(shù)據(jù)通信。交換機(jī)間的通信路徑都基于標(biāo)簽下發(fā)OpenFlow流表。轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)上只要基于標(biāo)簽進(jìn)行路由的流表，因此流量數(shù)量會(huì)得以大大降低。

轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)上面只有一個(gè)0號(hào)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的不同標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)到不同的端口。本專利使用VLAN ID作為數(shù)據(jù)包標(biāo)簽，所以標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表上面的流表都是類似于如下的流表模式：

IP，dl_vlan=x，actions=output：y

轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)上面的流表只和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆嘘P(guān)，和主機(jī)的通信過程無關(guān)，所以只在拓?fù)浒l(fā)生變化影響到交換機(jī)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑時(shí)才需要進(jìn)行更新。

3 OVS虛擬交換機(jī)多流表方案

在OpenStack網(wǎng)絡(luò)中，所有的虛擬機(jī)都會(huì)連接在宿主機(jī)上的一個(gè)虛擬OVS交換機(jī)上。OVS支持通過標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow協(xié)議下發(fā)流表，每一條流表包含Match域以匹配不能數(shù)據(jù)包字段和Action域以對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包執(zhí)行不同的動(dòng)作。為了能實(shí)現(xiàn)多種流水線的處理，Goto_Table是最為關(guān)鍵的一個(gè)Action操作，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)流水線處理之間的跳轉(zhuǎn)。需要注意的是，OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)本身并沒有限制Goto_Table的目的流表，但是在OVS中Goto_Table的目的流表號(hào)必須大于當(dāng)前的流表號(hào)，即OVS中的流水線只能“向前”。

圖3顯示了本文提出的OVS虛擬交換機(jī)的多流表方案。每個(gè)OVS虛擬交換機(jī)上的流表分為兩個(gè)不同的流水線，分別對(duì)應(yīng)于處理本地虛擬機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包和其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過來的帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包，0號(hào)流表會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包的實(shí)際情況選擇不同的流水線進(jìn)行處理。本地虛擬機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包流經(jīng)的流水線包括0號(hào)出口分發(fā)表、1號(hào)輸出防火墻表、2號(hào)輸出QoS表、3至10號(hào)的網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)表、11號(hào)虛機(jī)間通信會(huì)話表和12號(hào)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，最終由12號(hào)表輸出到不同的交換機(jī)上聯(lián)端口。其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過來的帶有本地標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包流經(jīng)的流水線包括13至20號(hào)的網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)表、21號(hào)入口防火墻表、22號(hào)入口QoS表和30號(hào)本地主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表，最終由30號(hào)表輸出到本地不同的虛擬機(jī)。

其中網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)中的每一個(gè)流表都對(duì)應(yīng)于一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)功能，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能之間彼此隔離，可以根據(jù)實(shí)際需求增加或刪除網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)不能的云平臺(tái)環(huán)境，而且可以根據(jù)其功能特性分別支持反應(yīng)式和預(yù)先式兩種下發(fā)策略。例如，對(duì)于Floating IP流表，其中的流表下發(fā)方式為預(yù)先下發(fā)式，當(dāng)用戶在OpenStack平臺(tái)中更新相應(yīng)配置以后可以直接在5號(hào)和15號(hào)表中下發(fā)相應(yīng)的流表。但是對(duì)于NAT流表，就要求在每次NAT會(huì)話時(shí)才能以反應(yīng)式的方式在4號(hào)和14號(hào)表中下發(fā)相應(yīng)的流表。

4 外網(wǎng)出口交換機(jī)多流表方案

在OpenStack Neutron網(wǎng)絡(luò)方案中，網(wǎng)絡(luò)的管理分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（Internal network）和外部網(wǎng)絡(luò)（public network）。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為虛擬機(jī)可以直接連接的網(wǎng)絡(luò)，一般分配的是局域網(wǎng)IP地址。所謂外部網(wǎng)絡(luò)是指openstack部署環(huán)境以外的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以是數(shù)據(jù)中心中的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、Internet、或者一個(gè)不被openstack控制的私有網(wǎng)絡(luò)。與外部網(wǎng)絡(luò)通信，我們需要在openstack中創(chuàng)建一個(gè)network并設(shè)置為public。這個(gè)network用于虛擬機(jī)與public network通信。虛擬機(jī)不能直接連接到這個(gè)新創(chuàng)建的屬性為public的network，所有網(wǎng)絡(luò)流量必須使用openstack創(chuàng)建的router從private network路由到public network。OpenStack管理員可以創(chuàng)建多個(gè)屬性為public的網(wǎng)絡(luò)，用以把虛擬機(jī)連接到不同的外部網(wǎng)絡(luò)中。

在本文所提出的SDN網(wǎng)絡(luò)方案會(huì)包含多個(gè)外網(wǎng)出口交換機(jī)，每一個(gè)外網(wǎng)出口對(duì)應(yīng)于一個(gè)Public網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)外網(wǎng)出口交換機(jī)上的流表分為兩個(gè)不同的流水線，如圖4所示，分別對(duì)應(yīng)于處理其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過來的由虛擬機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包和外連網(wǎng)口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，0號(hào)流表會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包的實(shí)際情況選擇不同的流水線進(jìn)行處理。外連網(wǎng)口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包流經(jīng)的流水線包括0號(hào)出口分發(fā)表、1號(hào)輸入防火墻表、2號(hào)輸入QoS表、3至10號(hào)的網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)表和12號(hào)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，最終由12號(hào)表通過不同的內(nèi)聯(lián)端口輸出到內(nèi)部交換機(jī)。其他交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過來的帶有本地標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包流經(jīng)的流水線包括21號(hào)外連輸出防火墻表、22號(hào)外連輸出QoS表和30號(hào)外部網(wǎng)關(guān)MAC轉(zhuǎn)發(fā)表，最終由30號(hào)表輸出到不同的外聯(lián)端口。

為了能和OVS虛擬交換機(jī)上面的多流表方案保持相對(duì)應(yīng)，這里把外網(wǎng)出口作為一個(gè)連接所有外部主機(jī)的本地端口。和OVS虛擬交換機(jī)上面的多流表方案最大的不同是外網(wǎng)出口交換機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)流表只有一份，目的是為了減少出口交換機(jī)上面的流表數(shù)量，而把其實(shí)現(xiàn)在了每一個(gè)虛擬交換機(jī)上面。

外網(wǎng)出口交換機(jī)可以是OVS虛擬交換機(jī)也可以是支持OpenFlow協(xié)議的物理交換機(jī)，如Pica8的交換機(jī)P-5401、P-5101等1?；诂F(xiàn)有物理OpenFlow交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式和交換芯片的限制，在一個(gè)數(shù)據(jù)包處理的流水線中，對(duì)數(shù)據(jù)包相關(guān)字段做出修改后必須要立即輸出到某個(gè)端口[13]。因此，若外網(wǎng)出口交換機(jī)為物理交換機(jī)，則圖4所示的第12號(hào)流表需要?jiǎng)h除，而應(yīng)由網(wǎng)絡(luò)功能區(qū)中的各流表直接進(jìn)行輸出，但是這樣會(huì)破壞流表的耦合性要求。另外一個(gè)常用的解決方案是令相應(yīng)的數(shù)據(jù)包可以從0號(hào)流表開始重新走一次流水線，這可以通過由兩個(gè)網(wǎng)口直連構(gòu)造的“回路”來實(shí)現(xiàn)。

5 總結(jié)

本文提出了一種基于多流表的OpenStack SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，通過多流表分級(jí)有效降低SDN網(wǎng)絡(luò)流表數(shù)量，可有效提高交換機(jī)的性能。通過基于標(biāo)簽進(jìn)行交換網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，可大大降低一次通信的路徑計(jì)算時(shí)間以及流表下發(fā)數(shù)量，有效提高數(shù)據(jù)通信的速度，并可支持現(xiàn)有物理SDN交換機(jī)組網(wǎng)。另外，本文所提出的多流表方案可支持網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展，具備適應(yīng)不同云計(jì)算平臺(tái)的能力。所以，可解決現(xiàn)有云計(jì)算環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)靈活性和性能方面的矛盾，具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

注釋：

1.http：//www.pica8.com/products/pre-loaded-switches

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