[论文解读] ZeroSDN: A Message Bus for Flexible and Light-weight Network Control Distribution in SDN

Frank Dürr, Thomas Kohler+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 16被引用 4

一句话总结

ZeroSDN 提出了一种基于微内核、消息总线驱动的 SDN 控制器架构，将控制逻辑分解为轻量级、可分发的控制模块（controllets）。通过利用基于内容的发布/订阅消息机制，它实现了灵活、低开销的控制逻辑分发——包括直接在交换机上执行——在无需外部控制器的情况下实现完全去中心化。

ABSTRACT

Recent years have seen an evolution of SDN control plane architectures, starting from simple monolithic controllers, over modular monolithic controllers, to distributed controllers. We observe, however, that today's distributed controllers still exhibit inflexibility with respect to the distribution of control logic. Therefore, we propose a novel architecture of a distributed SDN controller in this paper, providing maximum flexibility with respect to distribution. Our architecture splits control logic into light-weight control modules, called controllets, based on a micro-kernel approach, reducing common controllet functionality to a bare minimum and factoring out all higher-level functionality. Light-weight controllets also allow for pushing control logic onto switches to minimize latency and communication overhead. Controllets are interconnected through a message bus supporting the publish/subscribe communication paradigm with specific extensions for content-based OpenFlow message filtering. Publish/subscribe allows for complete decoupling of controllets to further facilitate control plane distribution.

研究动机与目标

• 解决现有分布式 SDN 控制器在将控制逻辑分发到交换机和控制器时的僵化问题。
• 通过支持细粒度、动态的控制功能分发，克服单体式和模块化单体控制器的局限性。
• 将控制模块与交换机及其他控制模块解耦，以支持集中式和完全分布式控制部署。
• 最小化控制逻辑开销，使控制模块可直接在交换机上执行，从而降低延迟和通信成本。
• 提供一种灵活、可扩展的架构，支持本地缓存和全局状态的一致性访问，以实现可扩展的控制平面操作。

提出的方法

• 使用微内核设计，将网络控制逻辑分解为最小化、轻量级的控制模块（称为 controllets）。
• 通过支持基于内容的发布/订阅通信及主题层次映射的消息总线连接控制模块。
• 在消息总线上实现基于内容的过滤，以支持对特定 OpenFlow 消息类型和属性的细粒度订阅。
• 通过消息传递机制将控制模块与交换机及其他控制模块解耦，实现在物理节点间的动态和灵活部署。
• 支持在白盒交换机上直接执行控制模块，以实现无需外部控制器的完全分布式控制。
• 同时提供本地缓存以实现低延迟访问，并与集中式、一致性的存储集成以实现全局状态管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使 SDN 控制平面的分发达到最大程度的灵活性，以支持从完全集中式到完全分布式部署？
• RQ2 哪些架构原则能够实现轻量级、模块化的控制逻辑，使其即使在交换机上也能高效分发和执行？
• RQ3 基于内容的发布/订阅消息机制如何支持分布式控制组件之间可扩展且解耦的通信？
• RQ4 在不牺牲一致性或协调能力的前提下，控制逻辑能在多大程度上卸载到交换机上？
• RQ5 哪些机制能够实现本地缓存与一致全局状态在分布式控制平面中的无缝集成？

主要发现

• ZeroSDN 通过将控制逻辑分解为最小化控制模块，实现了控制逻辑的完全分发，这些模块可部署在交换机或控制器上。
• 带有基于内容过滤的消息总线可实现细粒度、高效的事件传播，减少不必要的消息流量。
• 控制模块极为轻量，支持直接在交换机上执行，消除了对外部控制器的依赖。
• 控制模块与交换机及其他控制模块的解耦，使得控制平面能够实现动态、灵活且具备故障恢复能力的部署。
• 该架构同时支持本地缓存以提升性能和一致的全局状态访问，从而实现可扩展且稳健的控制平面操作。
• 该方法通过将交换机与特定控制器实例解耦，消除了对复杂交换机迁移协议的需求。