SDN流表更新的调度与快速响应

软件定义网络(SDN)中,流表规则匹配域之间相互重叠,使得流表更新问题变得复杂。一条更新规则往往会触发多条三态内容寻址存储器(TCAM)表项移动,导致更新时间长。另外,现有SDN交换机采用的TCAM多为单端口设计,当TCAM进行流表更新时,数据包查找会被阻塞,导致数据平面的转发性能受到影响。因此,如何实现快速更新并保障数据包查找,是提高网络性能的一个重要研究问题。该文以采用TCAM查找方案的SDN交换机为硬件基础,设计并实现了流表更新系统。多个网络应用的更新经过前端整合并同时下达时,系统对规则之间的依赖关系进行高效检测,赋予延时需求高的规则高优先级,使其能得到快速响应。该更新算法不会阻塞TCAM查找,可以实现查找和更新穿插执行。实验结果表明：通过采用不同的调度策略,系统性能在更新优先策略与查找优先策略之间取得了平衡。     

软件定义网络中OpenFlow流表空间优化技术研究进展

OpenFlow是软件定义网络(SDN)南向通信标准协议,SDN控制平面为北向通信提供编程接口,通过OpenFlow向数据平面下发流表表项实现路由管理、流量调度等功能.针对OpenFlow流表空间有限性和有效性问题,从硬件、软件、软硬件结合方面对当前OpenFlow流表空间优化技术进行比较分析,归纳并阐述流表存储机制改进、基于软件的流表扩容和流表超时时间管理3种优化方案,最后总结并展望流表空间优化未来的方向.     

面向软件定义网络的流表优化方案

针对目前软件定义网络中细粒度的流匹配机制造成的网络流表项空间开销和查询开销爆炸式增长等问题,提出了一种全新的基于布隆过滤器(Bloom Filter)的多级流表结构。该结构为混合流表结构,采用Bloom Filter多级流表结构来存储流表项,主要着眼于提高软件定义网络(SDN)交换机流表的容量和加快流表项的匹配速度;在流表项语义层面,设计并实现了控制器与SDN交换机之间的中间适配层模块来解决语义冲突问题。基于真实流量的实验结果表明,在规则占用空间上,与传统流表相比,Bloom Filter在流表越精细的情况下优化比率越高,最高可达90.7%。随着流表项规则的增加,匹配耗时优化效率提高,匹配时间最多可减少99.4%。该问题的解决可望为SDN网络的大规模实用化部署奠定数据层面的基础。     

SDN数据中心网络基于流表项转换的流表调度优化

针对基于软件定义网络(SDN)架构的数据中心网络中,SDN交换机流表资源的有限性导致的流表溢出或控制器拥塞等问题,引入空闲流表资源代价的概念描述了网络资源的利用率,并分析了空闲流表资源量与重复下发的流表项数量之间的关系,提出了一个基于流表超时机制的流表调度策略,依据流表项生存时间和匹配计数来进行静态流表项和动态流表项之间的实时转换.在Fat-tree拓扑SDN数据中心网络仿真实验中,对该机制对流表资源优化的有效性进行了验证.     

基于联合多维动态Bloom过滤器的SDN多属性查找结构研究

软件定义网络(SDN)作为一种新型的网络架构,可以为核心网络及应用的创新提供良好的平台.作为SDN实现的关键技术Openflow在实际的应用中仍然存在一些技术瓶颈.本文提出一种联合多维动态Bloom过滤器(CMDDBF)查找结构来替代Openflow交换机中的三态内容寻址存储器(TCAM)来实现流表的转发和处理.CMDDBF解决了TCAM空间利用率低和价格昂贵的缺点,能够有效实现多字段数据的查找和处理操作,并根据流表的规模动态调整内存空间.实验表明:CMDDBF不仅可以有效实现多字段数据的查找,而且在降低误识率方面具有很好的性能.     

基于时序与集合的SDN流表更新策略

流表更新是软件定义网络中不可忽视的问题.针对SDN(软件定义网络)流表更新一致性问题提出一种基于时序与集合的流表更新方案,将交换机根据新旧路径分类,分类集合按次序分别进行更新,首先将新流表更新完毕以保证传输,最后删除旧流表.仿真实验表明,在相同网络速率下,方案保证了流表更新的一致性,更新时间较短,控制负载较低,并减小了交换机流表空间的占用.     

软件定义网络流表溢出脆弱性分析及防御方法

软件定义网络交换机非常有限的流表容量使其存在严重的流表溢出脆弱性问题,为此利用软件定义网络易于管理路由规则的新特性,提出一种基于装箱优化的路由聚合算法,并进一步提出了流表溢出攻击的防御方法。采用传统的基于基数树的路由聚合算法产生初步聚合后的流表项节点,将其划分为包含不同数量节点的若干个流表项规则组,并基于装箱优化问题求解得到每个流表项规则组的新转发地址,再将转发地址修改后的流表项规则进行二次聚合,从而有效减少交换机流表中的流表项数量,达到防御流表溢出攻击的效果。实验结果表明:流表聚合率达到了54.9%,优于传统的基于基数树的路由聚合算法,并使得达成流表溢出攻击的攻击数据包数增加了125.8%;该方法可显著增加流表溢出攻击的实现难度,有效缓解流表溢出脆弱性问题,提升软件定义网络对该类攻击的防御能力。     

采用OpenFlow交换机的服务器负载均衡策略

云数据中心对服务器的海量并发访问十分普遍.传统网络架构难以全局控制流量转发,需要配置昂贵的负载均衡器应对这一应用场景.软件定义网络SDN(software defined network)能够通过控制器全局掌控网络状态,并以交换机作为负载均衡器,从而降低部署成本.文中提出一种采用OpenFlow交换机的服务器负载均衡策略,通过多地址定向流表对服务请求进行分区映射,以活动连接数作为负载评估参数,通过蚁群算法求解最佳负载重定向方案.在负载迁移时,采用单地址定向流表来保证不同阶段流量的有序转发.实验结果显示,该策略能有效控制流表规模,并较传统均衡策略具有更优的性能.     

软件定义卫星网络多协议流表存储压缩算法

软件定义卫星网络的多协议转发需求对星载设备中流表的规模及存储开销提出挑战。针对卫星网络资源受限的特点，该文构建了节省存储的多协议流表结构，并提出了一种二维扩域搜索算法(2D-EFS)。2D-EFS采用字段融合的方式逐级生成多级流表，能够支持流表初始化及表项更新2种场景下的存储压缩需求。仿真结果表明：在流表初始化阶段，2D-EFS算法的存储压缩效率可达86%,与全局最优值相近，高于已有单协议算法；在表项更新阶段，2D-EFS算法可取得76%的平均存储压缩效率，并具备最低的运行耗时，其综合性能优于已有单协议算法。     

一种支持TCAM规则更新与压缩方法

提出了一种TCAM空间划分和规则压缩相结合的方法,使得OpenFlow网络在支持实时更新的同时能采用小容量的TCAM芯片来存储网络中的规则.所提方法将TCAM芯片空间划分为实时更新区和压缩存储区,实时更新区处在TCAM芯片的前部,用于存放中央控制器发送过来的实时更新规则.后台服务器以一定的时间周期将TCAM芯片中的实时更新区的规则以及压缩存储区中的规则进行压缩,并将压缩后的规则存入TCAM的压缩区,保持实时更新区具有空间接收实时更新规则.分析了区间划分的比率问题,并利用ClassBench工具产生原始规则集进行了仿真实验,实验结果验证了本文方法的有效性.     

OpenFlow软交换机的性能测量

具有控制平面与数据平面分离架构的OpenFlow网络为网络创新提供了真实的试验平台.对OpenFlow交换机的工作过程进行了分析,并对OpenFlow软交换机的性能进行了测量分析.测量结果表明,无论对传输控制协议(transfer control protocol,TCP)流还是用户数据包协议(user datagram protocol,UDP)流,OpenFlow软交换机都具有良好的性能,能够满足搭建中小型试验网络的要求;如果有大量的短分组,其吞吐量会明显下降;同时,为高速率UDP流建立表项的过程,也会降低系统效率     

基于OpenFlow协议的覆盖网络路由器设计

越来越多的网络服务运行在世界各地的数据中心服务器中,并利用数据中心之间的物理链路构建覆盖网络(overlay network),以充分利用数据中心之间链路的网络资源。为了实现高效地构建覆盖网络,以及灵活地调度覆盖网络中传输流量的目的,该文提出了一种基于OpenFlow协议的覆盖网络路由器软件(software overlay router,SOR)。首先,SOR构建在被广泛使用的开源软件Open vSwitch和OpenVPN基础上,既能满足快速部署的要求,又能降低软件的开发和维护成本;其次,SOR使用基于OpenFlow协议的有状态隧道间流量调度(traffic engineering of multi tunnels,TEOFMT)算法,通过维护一张TCP/UDP报文的四元组映射表,依据该映射表来修改报文,最终根据内核路由表将报文转发到相应的隧道中来实现灵活调度流量的目的。该文在中国教育网的数据中心之间搭建覆盖网络,并利用带宽测量工具iPerf和DVTS-SASM(digital video transport system-scalable application specific measurement)来测量覆盖网络的链路带宽,测量数据表明利用SOR来构建覆盖网络能够极大地提高网络链路资源的利用率。     

面向软件定义信息中心型网络的快速转发机制

针对软件定义信息中心型网络中数据平面面临的控制器可伸缩性、查找延迟较大等问题,提出了一种面向软件定义信息中心型网络的基于流转发的快速转发机制.该机制设计了名字映射系统来解决控制器可伸缩性问题,并基于快速转发机制建立了流表,在转发阶段可以优先在流表中进行兴趣包和数据包的查找,解决了信息中心型网络名字前缀数量庞大导致的查找延迟较大的问题.同时,该机制的统一索引结构解决了查找切换耗费较高而限制转发速度的问题.实验结果表明,相比原转发机制,快速转发机制吞吐量提升约60%,查找时间减少约51%,转发速率提升约70%,具有较好的性能.     

基于SDN技术的网络入侵阻断系统设计

针对当前防火墙或入侵阻断设备进行网络攻击防御存在适应性差和成本高的问题,设计了基于OpenFlow的入侵阻断规则,实现了对攻击流量的过滤及对入侵阻断过程的灵活控制;分析并测量了基于入侵阻断规则生成OpenFlow流表项的性能;引入OpenFlow交换机(H3CS6300),测量了在生产环境下OpenFlow流表项的数量和单位时间内OpenFlow报文数量(OpenFlow PPS)对OpenFlow Channel的性能的影响,发现OpenFlow PPS对OpenFlow Channel的性能具有决定性作用,随着OpenFlow PPS的增加,OpenFlow Channel的性能急剧下降,响应时间呈指数级增长.设计并实现了基于SDN技术的网络入侵阻断系统,实现了对攻击流量的阻断、对恶意流量的样本采集,证明了使用SDN技术构建入侵防御系统的可行性.     

基于Bloom Filters的流抽样算法研究

本文提出了基于Bloom Filters的流抽样算法,对测量间隔内到达的报文进行抽样,并采用Bloom Filters哈希结构映射到流信息表来创建和维护流信息。该方法具有灵活性、简单性,在误差允许的情况下,有效地减少了流测量所需的存储空间。     

一种改进的Chord路由算法

对等网应用所面临的一个关键问题是如何有效定位存储特定资源的结点.该文提出的Full-Chord算法,在继承原始Chord算法简单、高效、可靠、负载平衡及开销少等特点的基础上,对原始Chord算法的指针表进行了扩充,使得在查找开始时就能将查找限定在半个Chord环上,从而提高了查找效率.理论分析和仿真实验表明,Full-Chord算法的查询效率要明显优于原始Chord算法.     

一种路由表分布式存储转发架构及其查找算法

面向路由器FIS(Forwarding In Switch, FIS)处理机制,提出了一种基于路由表分布式存储的多级流水并行查找架构,采用多个低速的具有独立转发和交换功能的转发交换结点FSN(Forwarding and Switching Node)构成多级流水线,针对IPv6最长匹配前缀的查找需求,设计了一种基于前缀范围的二分查找算法PSB-BS(Prefix Scope Based Binary Search)：将IPv6转发表组织为分层结构,每一层对应不同长度范围的前缀信息,采用二分查找策略对子树层进行搜索,通过构建非对称二分查找树实现了转发表在FSN结点的分布式存储并能有效降低存储开销及IP查找复杂度.仿真结果表明,与目前Cisco商业路由器广泛采用的树位图算法相比,PSB-BS算法显著降低了存储及访存开销.     

有限离散属性网络模型及分类搜索方法

记忆是思维的源头,如何高效组织与存储信息是机器智能活动的前提,利用神经网络的结构思想、数据库表的映射作用、属性论的事物表达思想构造的属性网络模型能有效组织与存储信息,从根本上解决存储容量和渐进学习问题,使分类搜索变得非常简单.     

有限离散属性网络模型及分类搜索方法

记忆是思维的源头，如何高效组织存储信息是机器智能活动的前提，利用神经网络的结构思想、数据库表的映射作用，属性论的事物表达思想构造的属性网络模型能有效组织与存储信息，从根本上解决存储容量和渐进学习问题，使分类搜索变得非常简单。     

基于ARM和μC/OS-Ⅱ的嵌入式数据库系统设计

随着嵌入式系统的不断发展,数据的存储与管理得到了越来越广泛的重视.文章在分析和研究通用数据库的基础上,设计并实现了一个基于ARM LPC2210平台的嵌入式具有网络功能的C/S结构的嵌入式数据库系统;着重介绍了嵌入式数据库系统的总体体系结构、存储结构设计、基本表结构设计以及索引结构设计,在资源有限的嵌入式系统中,具有很好的可移植性.