可扩展的SDN控制平面的设计和度量

廖灵霞，IEEE高级会员，清华大学电机工程与电子技术系毕业，加拿大不列颠哥伦比亚大学软件系统硕士，先后在加拿大不列颠哥伦比亚大学电气与计算机工程系、台湾东华大学电机工程学系攻读博士学位，师从加拿大三院院士Victor Leung教授和台湾东华大学校长赵涵捷教授。现任桂林航天工业学院电子信息与自动化学院专职教师，江苏科技大学计算机学院兼职教授、硕士生导师，桂林电子科技大学电子信息与自动化学院硕士生导师，泉州信息工程学院特聘教授，宁夏回族自治区人民政府特聘专家，中文核心期刊《工矿自动化》外籍编委。

 长期从事高性能计算、云计算、边缘计算、机器学习、大数据、计算机网络、软件定义网络的研究，曾任中国大陆zui大云计算企业——浪潮集团（中国大陆电子百强企业第11位）高性能服务器总经理，两次获中国国家科技进步二等奖。

 先后主持加拿大国家自然科学与工程NSERC研究项目3项，加拿大MITACS项目1项，主持中国国家级项目4项（国家自然科学基金项目1项；科技部中国一加拿大、中国一美国重大科技合作项目各1项；科技部高端外国专家引进计划1项），申请中国发明专利10余项（已授权6项），发表SCI、EI、中文核心期刊论文50余篇，合作出版专著1部

第1章 引言与背景

1.1 SDN系统架构及其主要组成单元

1.2 主要研究问题和挑战

1.3 本书的主要贡献

1.4 本书的组织结构

第2章 可扩展的分布式控制平面

2.1 相关工作综述

2.2 ECS

2.3 事件重放系统

2.4 分布式控制平面解决方案

2.5 评估

2.6 结论

第3章 高效的SDN网络虚拟化监视器

3.1 相关工作和背景

3.2 高效的分布式虚拟网络监视器DeNH

3.3 DeNH的原型实现

3.4 评估

3.5 结论

第4章 大规模广域SDN（WA-SDN）的通用控制器放置问题

4.1 背景与相关工作

4.2 通用控制器放置模型

4.3 E-NSGA-Ⅱ

4.4 准确性度量

4.5 评估

4.6 结论

第5章 低延时网络的准确、高效的链路延时监测方法

5.1 相关工作和主要问题

5.2 LLDP-looping

5.3 原型实现

5.4 评估

5.5 结论

第6章 结论和展望

6.1 结论

6.2 未来研究的展望

参考文献

缩写表

致谢

1.1.4.2 SDN控制平面的可扩展性

SDN 控制平面的可扩展性问题源于SDN 网络架构将控制功能从网络设备中剥离,进而构建集中式的网络控制和全局网络视图，使整个网络架构复杂化。这种集中式网络控制定义了一个被动式的流设置过程,即网络中每个新流的第一个数据包会被接收该数据包的第一台交换机转发到控制平面,请求控制平面的控制器为该流所有路由路径上的交换机安装转发规则(即流表项),以便使该流后续数据包无须触发与控制平面的交互就可以根据交换机已安装的流表项直接转发。尽管SDN控制平面也支持主动式安装流表项,即让控制平面在流到来之前预先在相关交换机为其设置好匹配的流表项，以避免转发新流时触发反应式流设置过程，增大网络的流转发延时，但大量的SDN系统为了网络管理的灵活性,倾向于采用反应式流设置过程为新流创建和安装流表项。这种情况下,流设置过程会产生流设置延时，降低了网络每秒能够转发的流数。另外,全局网络视图的构建需要控制平面从网络所有交换机(和控制器)中收集运行统计数据,以便应用灵活和可编程的网络策略对全网进行管理和优化。由于目前OpenFlow协议只标准化被动式统计信息采集方式,即控制器定期轮询交换机以收集运行统计数据,该方式不可避免地增加了控制器和交换机的资源开销，从而增大控制器处理交换机发送过来的消息延时,导致控制平面所能提供的流设置率和全局网络视图更新率的降低。因此，全局网络视图的构建会降低控制平面的可扩展性,特别是对于需要频繁更新全局网络视图的动态网络。对于一个包含大量交换机且具有分布式控制平面的大规模网络，控制器状态和信息同步引发的控制器间的交互会产生额外开销，该开销会进一步降低控制平面所能提供的流设置率,从而降低控制平面的可扩展性。

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本书是计算机网络特别是软件定义网络方面的专业著作，对软件定义网络的可扩展性进行了系统、全面和深入的探讨，总结了当前软件定义网络可扩展性方面的研究现状，汇集了作者在软件定义网络方面近10年的重要研究发现和成果，出版的高水平论文和已授权的发明专利已经列在书稿中。本书面向计算机相关方向的科研和工程人员，既可作为大学本科或研究生计算机网络相关课程的辅助教材，也可作为相关领域研究人员和工程人员的参考文献。本书介绍了软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking，SDN)这种新型的网络架构，其特有的集中式控制平面不将网络控制功能从网络设备中分离，实现了网络控制的标准化、定制化和虚拟化。虽然在学术界和工业界得到广泛关注，但限制了网络的可扩展性，在实际应用中面临许多重大挑战。本书试图通过优化SDN控制器的设计和度量来解决这些扩展性问题。本书提出了一些一般化的、高效的、实用的方法，其性能超过了当前最先进的解决方案。本书虽然只探讨了4个具体的SDN场景，但所提出的增强SDN可扩展性的方法具有普适性，可应用到5G移动网络、物联网或网络功能虚拟化等其他领域。全书分为6章，第1章给出本书的研究意义，介绍相关概念、背景和当前研究现状，提出4个主要研究的问题，总结本书的主要贡献，第2到第5章，每章给出一个研究问题的解决方案，第6章是全书的结论和展望。