SDN中控制器的故障切換需求分析

朱興浩，李 書，陶 君

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

SDN中控制器的故障切換需求分析

朱興浩，李 書，陶 君

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

由多域SDNs提出解決了單控制器的可擴展問題，在可靠及可用性方面得到了一定的提升。然而在多域SDNs中，控制器的故障問題仍然存在，網(wǎng)絡的可用、可靠性仍然無法保證。因此文章在對相關故障切換機制進行充分研究后，對故障切換進行了需求分析。

多域SDN；故障檢測；故障切換；可用性

軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined-Networking，SDN）[1]作為一種新型的網(wǎng)絡架構，其主要思想是將控制平面與數(shù)據(jù)平面相分離，能夠靈活的滿足多種應用需求；控制平面通過下發(fā)相關決策使得數(shù)據(jù)平面能夠按照規(guī)定進行轉發(fā)操作。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大、OpenFlow設備增多，單一控制器不僅容易達到性能瓶頸，而且控制器的單點故障問題也沒有很好地解決方案，于是多域SDNs控制器架構[2]應運而生。

SDN多控制器架構的提出使得單一控制器SDN的單點故障、容量瓶頸、可擴展性等問題得到一定的解決。然而，SDN多控制器域是由單控制器通過如集群等方式來實現(xiàn)，各控制節(jié)點所隱含的故障是仍然是威脅多域SDNs可靠、可用性的主要原因。然而網(wǎng)絡的可用性是指系統(tǒng)正常運行的時間與總運行時間的比值來量化衡量，其中總運行時間是正常運行時間與故障時間之和，因此失效檢測與故障恢復是提高SDN網(wǎng)絡可用性的關鍵手段之一。

1 SDN技術特征

SDN的主導思想是將傳統(tǒng)設備中的控制層與轉發(fā)層相分離，主要是由控制器，OpenFlow交換機兩部分所組成?？刂破魇强刂破矫孀钪匾脑兀彩荢DN的核心組件，它負責管理數(shù)據(jù)平面，針對數(shù)據(jù)平面出現(xiàn)的如：轉發(fā)失敗，鏈路擁塞等問題時，制定出相應的決策，并且對數(shù)據(jù)平面的節(jié)點及鏈路進行實時監(jiān)控，以保證數(shù)據(jù)平面能高效工作。交換機作為數(shù)據(jù)平面的代表，主要是根據(jù)控制器制定的決策來轉發(fā)數(shù)據(jù)包，將不能識別的數(shù)據(jù)報文按控制器的決策采取上報，丟棄等動作。

OpenFlow技術和起源于斯坦福大學中CleanSlate研究組中關于網(wǎng)絡安全與管理的Ethane研究項目。目前，對于學術研究團體，OpenFlow已在印第安納、斯坦福大學、歐洲OFLEIA、日本JGN2plus、韓國NetOpen網(wǎng)絡服務平臺及其他諸多科研機構中成功部署，不僅如此國內(nèi)中一些諸如清華大學，北京大學也較早的參與、跟進SDN相關技術研究。除學術界之外，各大設備商，芯片制造商，網(wǎng)絡服務提供商，運營商也對SDN技術產(chǎn)生了濃厚的興趣，并對產(chǎn)品及網(wǎng)絡部署進行了積極實踐。SDN將分散在各個網(wǎng)絡設備的網(wǎng)絡狀態(tài)集中編程，推動網(wǎng)絡應用創(chuàng)新等帶來了許多新思路，在新一代網(wǎng)絡的架構方面SDM成為當前最為熱門的網(wǎng)絡研究方向。

2 SDN的故障切換機制研究現(xiàn)狀

SDN中控制器的故障切換可分為單控制域SDN與多控制域SDNs。在單控制域SDN中，網(wǎng)絡通過單個控制器進行控制，但存在可伸縮性和單點失效（SPOF）問題。Fonseca等[2]為單控制器提前備份了一個控制器。在發(fā)生崩潰時，備份控制器將替代之前控制器繼續(xù)接管數(shù)據(jù)平面的管理工作。然而，這會使得投入成本太高，主要體現(xiàn)在：（1）設備利用率太低；（2）無法保證系統(tǒng)運行的連續(xù)性及可持續(xù)性。（3）設備維修、更換對管理的人員的操作要求高；因此該方法無法得以推廣。

在多域SDNs中，網(wǎng)絡被分為各個不同的域，因每個域受由各自的控制器管理，使得SDN的可擴展性問題得到解決。多域控制器的故障切換可分為單一故障探測器和多個的故障探測器。然而，單一故障探測器也會遇到單點失效的問題。例如：Tam等人提出DC[3]的傳統(tǒng)失效檢測方式，工作方式如控制器a按一定的時間間隔T給控制器b發(fā)送心跳信息，在控制器b中通過設定一個較大的固定超時值作為門限值，如果控制器b在收到超過門限值得心跳到達時間時，將懷疑控制器a發(fā)生失效；該技術算法簡單、實現(xiàn)容易、檢測時間可控；然而，錯誤率高，不夠靈活。Chen等人改進了傳統(tǒng)失效檢測方法，根據(jù)心跳消息延遲值得歷史記錄來預測下一心跳消息的歷史紀錄來預測下一心跳消息的到達時刻（EA），并通過增加一固定修正值來檢測時間進行調整，并提出可通過完整性、準確性、及時性來評價失效檢測算法。

在Hyperflow[3]中，每個控制器記錄了一個時間點，并且有一個服務器/控制器會定期地檢查這些時間點；Kuroki等人提出了角色管理服務器（RMS）[4]這個概念，它獨立于控制平面并能請求每個控制器發(fā)送CPU利用率到其中，否則它將使其他控制器發(fā)送keep-alive心跳信息給那些疑似失效的控制器，如果超過一半的控制器接收到的keep-alive消息回復，RMS就認為這是一個健康的控制器。然而，HyperFlow和RMS都沒有解決單點失效問題，此外，DC，HyperFlow和RMS都使用了一個不適應網(wǎng)絡環(huán)境的固定門限值，然而網(wǎng)絡環(huán)境是多變的，固定的超時時間延遲不僅難以確定而且會影響故障檢測的時間。

當控制器發(fā)生失效之后，交換機與控制器的連接通道將會斷開；此時需要重新分配交換機到別的控制器之下。DC提前隨機定義每個控制器的優(yōu)先級，在失效發(fā)生時，優(yōu)先級最高的控制器會提前接管失效控制器下的交換機。HyperFlow也選擇了任意一個控制器去替換故障控制器。然而，由于DC和HyperFlow沒有考慮到備選控制器的負載問題，將導致切換之后的控制器處于過載的情況。RMS從控制器的負載和CPU的利用率這兩個方面來選擇能替代本域的控制器。然而，RMS沒有考慮到控制器與交換機之間的交互時延，這有可能導致長時間的延遲。

3 SDN故障切換需求分析

研究高可用多域SDNs的原因是：（1）多域SDNs是由單個SDN控制器通過集群技術來實現(xiàn)的且是分布式的，在此環(huán)境下高可用性多域SDN的解決方案有很大的需求；（2）多域SDNs的分布式應用，如：數(shù)據(jù)面跨域傳輸，擁塞調度等，都是基于局域或者廣域網(wǎng)，因此急需在各個不同網(wǎng)絡環(huán)境下解決容錯的方案；（3）為縮短控制器的故障切換時間，而盡快的確定多域控制器的失效。

多域SDN的架構解決了單域SDN的可擴展性、可用、可靠性問題，然而提出多域SDN中網(wǎng)絡的可用性，但是可靠性仍然沒有得到很好的解決。

及時檢測和故障恢復是評價網(wǎng)絡可用性的兩個關鍵因素，網(wǎng)絡服務的突然中斷會造成用戶的巨大損失，因此網(wǎng)絡的可用，可靠性是網(wǎng)絡應用的迫切需求。網(wǎng)絡的可用性可通過網(wǎng)絡正常運行時間與總運行時間的比值來進行量化，網(wǎng)絡的總運行時間是正常運行時間與故障時間之和，因此降低檢測故障與恢復時間是提高網(wǎng)絡可用性的關鍵。

4 結語

軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined-Networking，SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡架構，其主要思想是將控制平面與數(shù)據(jù)平面相分離，能夠靈活的滿足多種應用需求；控制平面通過下發(fā)相關決策使得數(shù)據(jù)平面能夠按照規(guī)定進行轉發(fā)操作。在單控制域SDN中，網(wǎng)絡通過單個控制器進行控制，但存在可伸縮性和單點失效（SPOF）問題。在多域SDNs中，網(wǎng)絡被分為各個不同的域，因每個域受由各自的控制器管理，使得SDN的可擴展性問題得到解決，然而網(wǎng)絡中控制域的可用及可靠性問題仍然存在，提升網(wǎng)絡可用性的關鍵在于如何縮短故障檢測及故障切換時間，以達到提高網(wǎng)絡可用性的目的。

[1]MASOUDI R, GHAFFARI A. Software defined networks: A survey[J].Network and Computer Applications, 2016（67）：1-25.

[2]SEYHAN C, ERHAN L, BüLENT K, et al.Distributed Management of Service-Enabled Flow-Paths Across Multiple SDN Domains. [C].2015 European Conference on Networks and Communications，2015：360-364.

[3]BARTOSZ B. Increasting Scientific Workflow Programming Productivity with HyperFlow[J].2014 9th Workshop on Workflows in Support of Large-Scale Science, 2014（10）：59-69.

[4]KUROKI K, MATSUMOTO N, HAYASHI M. Scalable OpenFlow controller redundancy tackling local and global recoveries[J]. International Conference on Advances in Future Internet, 2013（8）：61-66.

Controller failover requirement analysis in SDN

Zhu Xinghao, Li Shu, Tao Jun
（Communication and Information Engineering College of Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China）

Multiple domain SDNs can solve the problem of extension of single controller, in certain improved its reliability and usability. Yet in a multiple domain SDNs, controller failure problems still exist, the availability and reliability of network still can't guarantee. So this article has carried on the demand analysis to fault switch after the fully research on relevant related fault switching mechanism.

multiple domain SDNs; failure detection; fault switching; availability

朱興浩（1991— ），男，重慶。