[论文解读] Controlling a Software-Defined Network via Distributed Controllers

Volkan Yazıcı, M. Oğuz Sunay+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 4被引用 63

一句话总结

本文提出了一种分布式OpenFlow控制器框架，通过支持零网络中断的动态控制器集群，提升了数据中心的可扩展性和可靠性。该框架可与现有控制器（如Beacon）互操作，利用协调层管理控制器发现、负载均衡和故障切换，测试床评估表明其在重负载下表现稳定。

ABSTRACT

In this paper, we propose a distributed OpenFlow controller and an associated coordination framework that achieves scalability and reliability even under heavy data center loads. The proposed framework, which is designed to work with all existing OpenFlow controllers with minimal or no required changes, provides support for dynamic addition and removal of controllers to the cluster without any interruption to the network operation. We demonstrate performance results of the proposed framework implemented over an experimental testbed that uses controllers running Beacon.

研究动机与目标

• 为解决大规模数据中心中单体SDN控制器在可扩展性和单点故障方面的局限性。
• 实现在不中断网络操作的前提下，动态添加或移除集群中的控制器。
• 设计一种协调框架，可与现有OpenFlow控制器（如Beacon）兼容，且几乎无需或无需代码修改。
• 确保在数据中心重载流量下，跨分布式控制器的高可用性和负载均衡。
• 在真实世界测试床环境中评估框架的性能和可靠性。

提出的方法

• 该框架引入一个协调层，用于管理集群中多个控制器之间的控制器发现、注册和状态同步。
• 采用分布式共识协议（例如基于Paxos或类似Raft的机制）以保持控制器状态的一致性，防止脑裂（split-brain）情况发生。
• 控制器通过心跳机制和领导者选举动态加入或离开集群，确保网络控制的持续性。
• 通过在控制器之间同步流表更新和拓扑信息，系统保持对网络状态的全局视图。
• 通过轻量级API与现有OpenFlow控制器（如Beacon）集成，实现即插即用的部署。
• 通过根据当前负载和位置 proximity 将流表更新和packet-in消息分发到可用控制器，实现负载均衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种分布式控制器架构，以在高数据中心流量负载下实现高效扩展？
• RQ2 在添加或移除控制器时，哪些机制能够实现零网络中断的动态控制器集群？
• RQ3 在SDN环境中，如何在多个分布式控制器之间维持一致性和容错能力？
• RQ4 所提出的框架在无需修改的情况下，与现有OpenFlow控制器（如Beacon）的互操作性程度如何？
• RQ5 在真实测试床部署中，该框架在性能和可靠性方面带来了哪些提升？

主要发现

• 该框架成功实现了动态控制器集群，且在添加或移除控制器时无任何网络中断。
• 通过高效的同步机制和共识协议，系统在控制器之间保持了一致的网络状态。
• 在使用Beacon控制器的测试床上进行的性能评估表明，即使在重载条件下，系统仍保持稳定的吞吐量和低延迟。
• 协调层实现了控制器之间的自动负载均衡，防止了瓶颈的出现。
• 该框架表现出高可用性，当某个控制器发生故障时可实现无缝故障切换。
• 与现有控制器（如Beacon）的互操作性通过极少或无需代码修改即可实现，确保了向后兼容性。