一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的拜占庭容差控制器*

蔡圣龍

0 引 言

經(jīng)過50多年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)今社會(huì)基礎(chǔ)而重要的信息設(shè)施，并深深影響著經(jīng)濟(jì)、文化、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)初單純的軍事、教育科研應(yīng)用的目的。但是，因?yàn)楫?dāng)初采用的TCP/IP架構(gòu)體系和盡力而為、無QoS保證的交付方式，和今天用戶和業(yè)務(wù)的超大規(guī)模增長、接入的異構(gòu)性以及物聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等新應(yīng)用模式的出現(xiàn)，使得互聯(lián)網(wǎng)在可擴(kuò)展性、安全性、服務(wù)質(zhì)量、能耗等方面，越來越不能滿足全球網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急劇擴(kuò)張。

全球網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急劇擴(kuò)張直接影響國際產(chǎn)業(yè)的變革。事實(shí)上，不管是美國的《先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃》、德國的《工業(yè)4.0》，還是我國的《中國制造2050》，都是以制造業(yè)為核心，應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的高度融合。所以，加快信息化發(fā)展，構(gòu)建未來網(wǎng)絡(luò)，已成為全球共識(shí)。而軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-defined Network，SDN）已是未來組網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]，得到了越來越多的關(guān)注。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)理念是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制決策的去耦，并實(shí)現(xiàn)可編程控制。這種分離和去耦最吸引人的地方在于，高層的路由和流量工程管理更靈活、高效，接入控制更快捷、可靠，且降低了終端成本，同時(shí)網(wǎng)管無需在路由器和交換設(shè)備上將底層的控制策略翻譯成各種配置指令。但是，從目前普遍認(rèn)同的SDN體系看，以上優(yōu)勢都依賴SDN控制器。一旦控制器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，這也是軟件定義網(wǎng)絡(luò)反對者最大質(zhì)疑之處[2]。為此，本文將設(shè)計(jì)一種拜占庭容差控制器，以解決SDN控制器的單點(diǎn)故障問題。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN體系

隨著OpenFlow協(xié)議的出現(xiàn)[3]，特別是McKeown教授在2008年Sigcomm會(huì)議上展示的OpenFlow實(shí)驗(yàn)網(wǎng)[4]，SDN體系逐漸明晰。2011年，德國電信、Google、Microsoft、Facebook、Verizon等幾家企業(yè)聯(lián)合成立了ONF（Open Networking Foundation）組織[5]，旨在通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式推動(dòng)以O(shè)penFlow協(xié)議為代表的SDN技術(shù)的發(fā)展。圖1為基于OpenFolw的SDN架構(gòu)。

圖1 基于OpenFlow的SDN架構(gòu)

圖1 中，每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面都相當(dāng)于一個(gè)站點(diǎn)，并運(yùn)行OpenFlow控制器（OpenFlow Controller，NCA）和網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用（Network Control Application，NCA）。全局控制平面由邏輯上集中的應(yīng)用（如SDN網(wǎng)關(guān)、全局流量工程服務(wù)器等）組成，并通過各站點(diǎn)的NCA集中控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

OpenFlow控制器上部署著流量工程代理（Traffic Engineering Agent，TEA）程序。每臺(tái)OpenFlow交換機(jī)的鏈路狀態(tài)信息通過TEA發(fā)送給SDN網(wǎng)關(guān)；SDN網(wǎng)關(guān)匯總后，再發(fā)送給流量工程服務(wù)器。而流量工程服務(wù)器把每條流映射到IP-IP隧道中，并把分配的帶寬通過SDN網(wǎng)關(guān)發(fā)送給OpenFlow控制器，再由OpenFlow控制器安裝到OpenFlow交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表中，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的路徑規(guī)劃。

此外，根據(jù)Google提供的資料[6]，采用SDN技術(shù)后，流量工程完全依靠SDN/OpenFlow實(shí)現(xiàn)，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，平均帶寬使用率可達(dá)95%。

可見，SDN將控制平面從網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器中的數(shù)據(jù)平面分離出來，使SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖占?、路由的?jì)算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的管理與控制等功能，而網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備僅負(fù)責(zé)流量的轉(zhuǎn)發(fā)及策略的執(zhí)行。轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離帶來了控制邏輯集中。SDN控制器擁有網(wǎng)絡(luò)的全局靜態(tài)拓?fù)?、全網(wǎng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)表信息、全網(wǎng)絡(luò)的資源利用率、故障狀態(tài)等，從而也開放了網(wǎng)絡(luò)能力。通過集中的SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理、整合以及虛擬化后，采用規(guī)范化的北向接口為上層應(yīng)用提供按需的網(wǎng)絡(luò)資源及服務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放、按需提供。

與傳統(tǒng)TCP/TP體系相比，SDN體系具有如下特征。第一，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。轉(zhuǎn)發(fā)平面由受控轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備組成，轉(zhuǎn)發(fā)方式和業(yè)務(wù)邏輯由運(yùn)行在分離出去的控制面上的控制應(yīng)用控制。第二，控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面之間具有開放接口。SDN為控制平面提供開放可編程接口。通過這種方式，控制應(yīng)用只需要關(guān)注自身邏輯，而不需要關(guān)注底層更多的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。第三，邏輯上的集中控制。邏輯上集中的控制平面可以控制多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備，即控制整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，因而可以獲得全局的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)視圖，并根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)視圖實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制。

2 拜占庭容錯(cuò)控制器

2.1 拜占庭將軍問題

SDN技術(shù)性能優(yōu)勢都依賴控制器，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面間消息傳遞不可靠，將有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。因此，需要考慮控制器對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制面的容差問題，而這類問題往往可用拜占庭將軍問題（Byzantine General Problems）描述[7-10]。

拜占庭將軍問題，是可信計(jì)算中的容錯(cuò)原理。該原理以數(shù)據(jù)備份作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容錯(cuò)，使得系統(tǒng)在一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)部件工作異常的情況下仍然能夠正常工作。對于SDN體系，當(dāng)控制平面收到各個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面節(jié)點(diǎn)不一致指令時(shí)，一種可能性是給系統(tǒng)另外增加一個(gè)仲裁的節(jié)點(diǎn)，且該節(jié)點(diǎn)有最高的決定權(quán)。如果仲裁的節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)系統(tǒng)就失效?？刂破矫媾c數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面間的信息交互式一致問題，可通過多次簡單的重復(fù)拜占庭將軍問題來解決，使得每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的值都達(dá)成一致。

按照Lamport對拜占庭將軍問題求解的結(jié)果，為了容忍f個(gè)錯(cuò)誤的復(fù)制品，復(fù)制品集合的大小n≥3f+1。一旦錯(cuò)誤復(fù)制品的數(shù)量超過了錯(cuò)誤容忍的門限值f，系統(tǒng)將不能再正常工作。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

按照Lamport對拜占庭將軍問題求解的結(jié)果，本文擬采用狀態(tài)機(jī)復(fù)制技術(shù)[10]，設(shè)計(jì)一種SDN的拜占庭容錯(cuò)控制器。

拜占庭容錯(cuò)的關(guān)鍵在于對復(fù)制消息的共識(shí)，而基于OpenFlow的拜占庭共識(shí)機(jī)制如圖2所示。

圖2 基于OpenFlow的拜占庭共識(shí)機(jī)制

圖2 中，達(dá)成拜占庭共識(shí)需要包括如下步驟：

（1）REQUEST：通過多播方式，客戶端向每個(gè)復(fù)制站點(diǎn)發(fā)出申請；

（2）PRE-PREPARE：一旦主站點(diǎn)收到客服端請求，便分配一個(gè)序列號(hào)給主站點(diǎn)，并將PREPREPARE消息傳遞給其他復(fù)制站點(diǎn)；

（3）PREPARE：一旦第i個(gè)復(fù)制站點(diǎn)收到RE-PREPARE消息，它便把PREPARE消息傳遞給其他復(fù)制站點(diǎn)，并將RE-PREPARE和PREPARE消息添加到日志中。一旦第i個(gè)復(fù)制站點(diǎn)發(fā)出了PREPARE消息，它將等到來自其他復(fù)制站點(diǎn)規(guī)定的2f個(gè)PREPARE消息，而這些消息將用于創(chuàng)建法定證書；

（4）COMMIT：一旦所有站點(diǎn)（包括主站點(diǎn)）均收到規(guī)定的PREPARE消息，便向其他站點(diǎn)發(fā)送COMMIT消息，確保申請階段消息復(fù)制的一致性。復(fù)制站點(diǎn)一直收集COMMIT消息，直到達(dá)到規(guī)定的2f+1個(gè)COMMIT消息；

（5）REPLY：一旦申請得到一個(gè)復(fù)制站點(diǎn)應(yīng)答，便對客戶端發(fā)回響應(yīng)，而客戶端需要在等待f+1個(gè)一樣的申請后，才能視其為正確的行為。

根據(jù)以上機(jī)制，可設(shè)計(jì)一種拜占庭容錯(cuò)控制器的通信流模型，如圖3所示。圖3中，控制器將交換機(jī)和業(yè)務(wù)代理看成實(shí)體作為客戶端。

圖3 拜占庭容錯(cuò)控制器的通信流模型

3 結(jié) 語

作為未來網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)具有高效、靈活的特點(diǎn)，其采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面分離的機(jī)理，可以適應(yīng)今后大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。但可以看到，控制器單點(diǎn)故障等問題依然是SDN技術(shù)成熟需要面對的。基于此，本文利用拜占庭容錯(cuò)技術(shù)，通過分析拜占庭共識(shí)機(jī)制，基于OpenFlow協(xié)議設(shè)計(jì)了一種拜占庭容錯(cuò)控制器，下一步將開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

[1] 張朝昆,崔勇,吳建平.軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào),2015(01):62-81.ZHANG Chao-kun,CUI Yong,WU Jian-ping.Research Progress on Software Defined Networking(SDN)[J].Journal of Software,2015(01):62-81.

[2] Gergely P,Laszlo M,Zolt′ an Lajos ′Kis.Removing Roadblocks from SDN:Openflow Software Switch Performance on Intel DPDK[C].In Software Defined Networks(EWSDN),2013:62-67.

[3] 黃韜,劉江,劉韻潔.軟件定義網(wǎng)絡(luò)核心原理與應(yīng)用實(shí)踐[J].通信學(xué)報(bào),2015(03):95.HUANG Tao,LIU Jiang,LIU Yun-jie.Software Definition Network Core Principle and Application Practice[J].Journal of Communication,2015(03):95.

[4] Mckeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks[C].Acm Sigcomm Computer Communication Review,2008(38):69-74.

[5] 王蒙蒙,劉建偉,陳杰.軟件定義網(wǎng)絡(luò):安全模型、機(jī)制及研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào),2016(04):969-992.WANG Meng-meng,LIU Jian-wei,CHEN Jie.Software Definition Network:Security Model,Mechanism and Research Progress[J].Journal of Software,2016(04):969-992.

[6] Jain S,Kumar A,Mandal S,et al.WAN[C].Acm Sigcomm,2013,43(04):3-14.

[7] 楊磊,黃浩,李仁發(fā)等.P2P存儲(chǔ)系統(tǒng)拜占庭容錯(cuò)機(jī)制研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009(01):4-8.YANG Lei,HUANG Hao,LI Ren-fa,et al.Study on Byzantine Tolerance Mechanism of P2P Storage System[J].Computer Application Research,2009(01):4-8.

[8] 陳柳,周偉.面向服務(wù)計(jì)算的拜占庭容錯(cuò)方案及其正確性證明[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006(02):505-510.CHEN Liu,ZHOU Wei.The Byzantine Fault-tolerant Scheme for Service-oriented Computing and Its Correctness[J].Computer Application,2006(02):505-510.

[9] 肖愛斌,楊孟飛,劉波.星載計(jì)算機(jī)拜占庭容錯(cuò)設(shè)計(jì)與證[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2008(08):17-22.XIAO Ai-bin,YANG Meng-fei,LIU Bo.Design and Verification of Byzantine Fault-tolerant Design[J].Space Control Technology and Application,2008(08):17-22.

[10] 陳柳,周偉.拜占庭容錯(cuò)中的視圖變更算法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2013(10):13-15.CHEN Liu,ZHOU Wei.View Change Algorithm in Byzantine Fault Tolerance[J].Computer and Modernization,2013(10):13-15.