软件定义的数据中心网络数据平面一致性更新算法研究

Consistent data plane update is an important operation in software-defined data center networks. Despite the logically centralized perspective offered, an SDN still needs to be considered as a distributed system: rule updates communicated from the controller to the individual switches traverse an asynchronous network and the orders in which update commands sent by the controller arrive and take effect at the different switches may be hard to predict. This asynchronous nature may cause forwarding blackhole, forwarding loop, network congestion and network policy violation, leading to temporary or permanent inconsistencies such as packet loss and out-of-order. This project carries on research on consistent data plane update problem. Especially, the project studies the problem of connectivity consistency, performance consistency, policy consistency and utility consistency and systematically evaluates the proposed methods by large-scale simulation and real testbed experiments. This research project will deepen the understanding of consistent data plane update problem, and provide theoretical and practical guidance in designing update policy.

数据平面网络状态一致性更新是软件定义数据中心网络中的一项重要基本操作。尽管控制平面提供了逻辑上集中式的全局视图，但数据平面仍然是一个分布式系统：从控制平面发送给数据平面各个交换机的路由更新指令需要经过一个异步的网络，因此更新指令到达各个交换机的时刻是无法预测的。这种异步性可能使网络中出现转发黑洞、转发环路、网络拥塞以及网络策略违背，导致数据包丢失、乱序等瞬时或永久的不一致行为发生，从而会严重影响应用程序的性能，因此数据平面一致性更新是一个关键问题。本项目围绕这一核心问题，从连通一致性、性能一致性、策略一致性和效用一致性四个方面展开研究，通过大规模仿真实验和测试平台进行系统验证。本项目的研究成果将加深对数据平面一致性更新问题的理解，为数据平面更新策略设计提供理论和实践指导。

软件定义数据中心网络为提升网络性能带来了新的机遇，但数据平面网络状态一致性更新是保障网络稳定运行重要的一环。尽管控制平面提供了逻辑上集中式的全局视图，但数据平面仍然是一个分布式系统。这种更新异步性可能使网络中出现转发黑洞、转发环路、网络拥塞以及网络策略违背，导致数据包丢失、乱序等瞬时或永久的不一致行为发生，从而会严重影响应用程序的性能。本项目利用精确的时间同步机制，以一种无拥塞的方式重新路由多条网络流：该解决方案基于时间扩展网络的结构和资源依赖关系图，能够通过Openfow 1.5协议 “scheduled bundles”API实现，可将更新完成时间缩短63％，同时减少50％的更改规则的数量；此外，本项目提出了一种效用感知的网络更新系统：它能够通过限速更新以最大化服务效用的总和，同时保证更新过程无拥塞。关于更新过程中的瞬时转发环路，本项目回答了具有松弛无环路约束的节点排序更新协议的理论边界问题：松弛的无环路更新问题的下界为Ω（log n）轮，其中n是网络中交换机的数目。本项目还设计了一个连续的网络更新系统，能够快速响应网络状况的变化。与现有工作相比，当更新事件的到达率等于每秒3个时，提出的方案可以将更新完成时间提高至少179％。由于交换机缓存可以辅助网络更新操作，本项目利用资源依赖图生成一个网络更新近似序列，将时间复杂度由指数级降低到多项式时间级。在网络故障的更新场景下，本项目提出一种新型的网络规则配置方案，它可以预先计算并安装备份隧道路由，以加快故障恢复速度。当链路发生故障时，本地交换机将流量重定向到备份隧道，并立即在数据平面中恢复该流量。该方法与被动式流量重定向方法相比，大幅度减少了瞬时拥塞。另一方面，它完全避免了主动式方法需要预留链路带宽的缺点。此外，本项目首次以计算开销和网络更新开销的总和作为流量工程的目标函数，将这两个方面进行在线的联合优化，并提出了一系列有理论保证的在线算法，极大地降低总开销。