[论文解读] Reinventing NetFlow for OpenFlow Software-Defined Networks

José Suárez‐Varela, Pere Barlet‐Ros|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、与OpenFlow兼容的流监控解决方案，通过使用流采样技术减少交换机表项开销和控制器负载，以模拟NetFlow/IPFIX。该方案实现了三种采样方法——基于IP后缀、端口对和基于哈希的分桶——在真实流量 trace 中表现出低于3.1%字节的冗余流量和高精度，实现了无需修改OpenFlow交换机的高效SDN监控。

ABSTRACT

Obtaining flow-level measurements, similar to those provided by Netflow/IPFIX, with OpenFlow is challenging as it requires the installation of an entry per flow in the flow tables. This approach does not scale well with the number of concurrent flows in the traffic as the number of entries in the flow tables is limited and small. Flow monitoring rules may also interfere with forwarding or other rules already present in the switches, which are often defined at different granularities than the flow level. In this paper, we present a transparent and scalable flow-based monitoring solution that is fully compatible with current off-the-shelf OpenFlow switches. As in NetFlow/IPFIX, we aggregate packets into flows directly in the switches and asynchronously send traffic reports to an external collector. In order to reduce the overhead, we implement three different traffic sampling methods depending on the OpenFlow features available in the switch. We developed our complete flow monitoring solution within OpenDaylight and evaluated its accuracy in a testbed with Open vSwitch. Our experimental results using real-world traffic traces show that the proposed sampling methods are accurate and can effectively reduce the resource requirements of flow measurements in OpenFlow.

研究动机与目标

• 解决由于TCAM条目有限和处理能力不足，导致OpenFlow交换机在逐流监控中可扩展性受限的问题。
• 在不修改OpenFlow规范的前提下，实现在SDN环境中类似NetFlow/IPFIX的精确流量测量。
• 通过实施自适应流采样技术，减少控制器负载和冗余流量。
• 在真实世界流量工作负载下，评估采样方法的准确性和效率。
• 提供一种透明、可部署的监控解决方案，兼容市售的OpenFlow交换机。

提出的方法

• 该解决方案通过在OpenFlow交换机中直接将数据包聚合为流，并异步向中央收集器发送流量报告，以模拟NetFlow/IPFIX。
• 实现了三种采样方法：(1) 基于IP后缀的采样，(2) 基于源/目的端口对的采样，(3) 可配置权重的基于哈希的分桶采样。
• 采样率根据交换机负载自适应调整，以控制流条目数量，使用公式(1)、(2)和(3)实现动态速率控制。
• 使用超时机制触发流记录的过期和报告，每条采样流均存储统计信息（数据包数、字节数、持续时间）。
• 系统在OpenDaylight中实现，并使用MAWI和CAIDA的真实流量trace进行评估，通过合成随机化测试鲁棒性。
• 通过模拟流条目安装延迟（1–100 ms）来测量冗余数据包和字节开销，结果表明影响极小。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在TCAM和处理资源有限的OpenFlow交换机中实现可扩展的流级监控？
• RQ2 何种采样策略可在SDN环境中最小化控制器负载，同时保持测量精度？
• RQ3 在冗余流量和资源消耗方面，流采样与逐流监控相比有何差异？
• RQ4 采样方法能否在不修改OpenFlow规范的前提下实现，并保持与通用交换机的兼容性？
• RQ5 流条目安装延迟对控制器中冗余数据包报告的影响如何？

主要发现

• 当安装延迟低于20 ms时，每流的平均冗余数据包数少于0.2个，而在TCP流量中，100 ms延迟时上升至约1.2个。
• 在TCP流量中，发送至控制器的冗余字节占比从低于0.8%（延迟<20 ms）到3.1%（延迟100 ms）不等，表明开销极低。
• 由于存在大量单数据包流（如DNS），UDP流量的冗余数据包和字节开销显著低于TCP。
• 基于IP后缀和端口对的采样方法精度较高，所有测试采样率（1/64至1/1024）下加权平均相对差异（WMRD）均低于10%。
• 基于哈希的采样方法通过重新配置分桶权重，实现动态负载适应，有效控制活动流条目数量。
• 所提出的解决方案在保持测量保真度的同时，降低了交换机表项压力和控制器负载，适用于真实世界的SDN部署。