OpenFlow高效转发方法研究

In OpenFlow, as controll plane and data plane are seperated, the behavior of the network can be defined by programmable control plane. It benefits network management but brings challenges to the performance of packet forwarding in forwarding plane. The functionality, data flow and architecture of the data plane is quite different from those in traditonal router. However, the performance of the forwarding plane is a key factor that influences the application and extension of OpenFlow. High-performance must be achieved as well as flexibility in the implementation of OpenFlow data plane. This project proposes an research on some key problems of packet forwarding in OpenFlow, such as, flexible packet parse and extraction, high-speed flow table lookup and update, hardware software flow table mapping, and hardware abstract layer definition. The objective of this project is to imporove the forwarding performance of data plane in OpenFlow.

OpenFlow通过控制平面和数据平面分离，基于控制平面的软件编程来定义网络的转发行为，能够很方便地支持新型网络体系结构与核心协议。但是OpenFlow给网络的管理和控制带来新的机遇的同时也给数据包的高速转发带来了挑战。OpenFlow数据平面在流程、功能、构成上都和传统路由器有很大不同，转发平面的流程和各部分功能都更加复杂。而转发平面的性能是决定OpenFlow推广应用的关键因素之一，在实现OpenFlow的灵活性的同时需要实现高效的转发平面。本项目拟研究协议匹配字段抽取、多域流表高速查找更新、软硬件流表映射和硬件抽象层等OpenFlow数据包转发过程中的关键问题，以提升OpenFlow转发平面的转发性能。

OpenFlow是软件定义网络的代表性技术。随着互联网应用的不断推陈出新和云计算的飞速发展，软件定义网络的需求愈发强烈。能否实现高效的软件定义网络转发面是影响其大规模普及的关键技术之一。项目研究软件定义网络转发面关键技术，重点关注以下研究方向。.1）数据包分类算法.数据包分类是转发面功能的核心，也是处理最为复杂的单元。基于决策树的数据包分类算法具有灵活性高、性能好的优点。项目在总结经典决策树数据包分类算法基础上，提出了新的算法框架，并提出新算法。项目组提出的HiCuts-op算法比传统HiCuts算法内存降低了2~20倍，访存次数降低了约10%。相关成果在ICNP会议等发表。.2）规则表更新机制.规则更新频繁是软件定义网络转发面的一个重要挑战。项目组提出的混合IP查找架构的查找速率远远超过100Gbps路由器的性能需求，TCAM最坏情况下的更新开销为1次写操作/更新，远远低于已有方法。相关成果在Infocom会议等发表。.3）转发面的规则适配性.随着OpenFlow标准的演进与发展，规则表异构性问题日益突出。为解决转发面对异构规则集的适配性，实现在任意规则集下的高效转发，项目组提出了一套规则转换算法，在保证流表转化等价性的前提下兼顾了转换效率与更新灵活性。相关成果在Sigcomm Workshop HotSDN会议等发表。.4）并行化加速方法.充分利用多核处理器并行化特点实现转发面的并行化加速是提升OpenFlow转发面性能的一项关键技术。项目组结合数据并行（RTC）和任务并行（SPL）的优点提出了一种混合并行结构，解决了RTC和SPL的性能瓶颈问题，取得了接近线性的并行化加速比。相关成果在ANCS等会议发表。.在项目支持下，基于上述研究成果项目组共发表论文9篇。其中国际会议Infocom发表2篇， ICNP、Sigcomm Workshop(HotSDN)、ANCS、ISCC、ICCCN各发表1篇，国际期刊JSAC和国内期刊《计算机学报》各发表1篇。申请一项国际发明专利。.成果转化方面与华为公司合作研发了华为早期的OpenFlow1.2交换机，并联合申请专利5项。.项目培养博士生5名，硕士生3名。参与项目的学生获得中国科学院大学国家奖学金1人次，计算所所长特别奖学金1人次，所长优秀奖学金2人次。课题组人员出国进行国际交流7人次，邀请国际知名专家访问2人次。