基于网络抽象的SDN编程方法关键技术研究

Software Defined Networking offers the appeal of centralized programming model for programmers to customize network applications and to manage complex networks. However, exiting SDN programming models were developed in the early stage of SDN, and as a result, were designed to demonstrate the concept of SDN. In contrast to the progress of SDN in recent years, challenges in the abstraction of network, such as managing low-level hardware details and portability, compromise conceptual simplicity in SDN. In this proposal, we focus on two key challenges. (1) We study the abstraction of heterogeneous flow tables in network devices to prevent programmers from handling error-prone low-level hardware details. (2) We study network failure handling in SDN controllers to automatic recover routing decision of network applications, saving programmers from writing failure handlers. In the end, we will integrate the research result of these two challenges with applicant's preceding research result to build a complete SDN programming model based on abstraction of network. A SDN controller which supports this programming model will be implemented to evaluate the proposed model and algorithms.

软件定义网络 (SDN) 编程方法允许开发者定制开发SDN上层应用，从而更加灵活地部署和控制网络，是SDN网络的核心技术。现有编程方法主要产生于SDN网络技术发展初期，用以验证SDN技术的可行性。随时SDN网络技术逐步成熟并实用化，现有编程方法对基础网络抽象能力不足，进而导致开发者编程工作量过大、上层应用移植性差等问题日益突出。本课题解决其中的两个关键问题：(1) 研究在SDN控制器中对网络设备流表异构性进行抽象的模型和算法，从而可通过编程方法对开发者屏蔽硬件差异性。 (2) 研究在SDN控制器中对网络异常进行自动处理的模型和算法，从而可通过编程方法对开发者屏蔽网络异常处理细节。最后，我们将该两点研究成果与申请人前期研究成果集成，构成一套较完备的支持网络抽象的SDN高级编程方法，通过实现一个支持该编程方法的SDN控制器原型系统，对各模型和算法的性能进行分析评价。

随着软件定义网络（SDN）技术的发展和实用化，一个SDN网络往往由多品牌多型号的网络设备组成。这些网络设备在控制接口协议、数据转发平面硬件特性和设备异常管理等方面均呈现异构性。管理网络中数量众多的异构设备给SDN控制器的设计带来了以下两方面的挑战：（1）开发者需要考虑南北向接口协议细节，极易引起编程错误；此外，上层网络应用无法充分使用设备硬件功能，难以提升网络性能。（2）在大规模SDN网络中，没有良好并行优化的控制器往往引起处理请求时延过大的问题。基于此，本课题首先对SDN控制器中的异构设备流表进行抽象，并对控制器中的网络异常处理模型进行研究，从而可以在北向编程方法中对网络异常处理屏蔽，最后，对SDN控制器进行并行优化并运行在高性能多核服务器上，解决设备请求处理响应时延较大的问题。本课题的主要研究内容如下：.（1）针对当前主要SDN编程方法中存在的对基础网络抽象能力不足、开发者编程工作量过大等问题，提出一种基于算法原语（Algorithmic Policy）的SDN编程方法极其实现。该编程方法允许开发者使用Java、C++、Haskell等通用语言来编写上层应用，并可以使用传统经典算法来构造上层应用，从而较好地解决了如何屏蔽南北向接口协议实现细节的问题。.（2）针对SDN网络中已广泛部署的异构多流表设备，提出一种可充分发挥异构多流表硬件能力的编程方法，该方法使得控制器在北向编程方法中对异构的设备流表进行屏蔽，简化开发者工作量。实验结果表明，该架构既能充分利用设备的多流表特性，又能简化开发者工作。.（3）在新的控制器并行化架构中，传统计数算法中存在计数效率低下以及计数不准确的问题。本研究首先对传统方法中的计数效率低下以及计数不准确问题进行深入量化分析，之后提出一种适用于并行计算机系统的确定性高速计数算法。实验结果表明，该算法可极大地降低并行化SDN控制器的响应时延，并提升决策精度。