软件定义网络(PART 3)

软件定义网络PART 3

• 数据平面
• • SDN数据平面
  • • 传统网络数据平面
    • 传统网络数据平面的特点
    • SDN数据平面
    • SDN数据平面的特点
    • OpenFlow Switch通用转发模型
    • 通用可编程转发模型
  • OpenFlow 概述
  • • OpenFlow架构三个组成部分
    • OpenFlow主要版本及特性
    • 单流表到多级流表的架构
  • Open Flow 流表
  • • 什么是流表（flow table）/li>
    • OpenFlow v1.0流表项
    • 流表及其组成
    • OpenFlow v1.0流表项-包头域
    • OpenFlow v1.0流表项-计数器
    • OpenFlow v1.0流表项-动作表
    • • 流表动作列表:
    • OpenFlow端口类型：
    • • OpenFlow保留端口:
    • 数据包处理流程
    • • 包头解析匹配流程
    • 各个版本流表项结构变化
    • 组表（Group Table）
    • 计量表（Meter Table）
  • SDN交换机
  • • SDN交换机—-交换芯片
    • 设计支持OpenFlow架构的交换芯片
    • 主流交换芯片产品
    • SDN交换机
    • SDN物理交换机
    • • 基于ASIC芯片的SDN品牌交换机
      • 基于ASIC芯片的SDN白盒交换机
    • SDN虚拟（软件）交换机
    • SDN交换机选型考虑参数

数据平面

SDN数据平面

传统网络数据平面

数据平面主要执行网络控制逻辑，数据包的处理主要通过查询由控制平面所生成的FIB表来完成。包处理流程：

SDN数据平面的特点

• 处理流程中的：解析（Parser）、转发（Forwarding）和调度（Scheduling）都是可编程、协议无关的；
• 传统网络设备的二层或三层转发表抽象成流表；

OpenFlow Switch通用转发模型

OpenFlow 概述

2008年， Nick等在SIGCOMM会议上发表论文“OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks”,首次提出OpenFlow交换机架构，将OpenFlow协议用于校园网络的试验创新。

ONF将1.0和1.3版本作为长期支持的稳定版本，此后一段时间内后续版本的发展要维持版本的兼容性。学习重点技术规范文件：

• openflow-spec-v1.0.0
• openflow-spec-v1.3.0

单流表到多级流表的架构

• 包头域（Head Fields） ：涵盖了链路层、网络层和传输层大部分标识；
• 计数器（ Counters ） ：用于统计数据流量相关信息，可以针对交换机
  中的每张流表、每个数据流、每个设备端口、每个转发队列进行维护；
• 动作表（Actions） ：指示与该流表项匹配的数据包应该执行的下一步 操作。

流表及其组成

OpenFlow端口类型：

端口（Ports）:交换机传递数据包的网络接口，交换机通过接口和其他交换机建立逻辑连接

• 物理端口
• 逻辑端口： 是对物理端口的虚拟化，提高可复用性，逻辑端口的数据包需要有tunnel_id；
• 保留端口 ：指定通用的转发动作（包括：ALL、CONTROLLER、TABLE、IN_PORT、ANY、LOCAL、NORMAL、FLOOD）。

OpenFlow保留端口:

● ALL：转发给所有出端口，但不包括入端口
● CONTROLLER：封装数据包并转发给控制器
● TABLE：对packet_out数据包执行流表操作
● LOCAL：转发给本地的网络栈;
● IN_PORT：从入端口发出
● NORMAL：利用交换机的传统转发机制处理数据包
● FLOOD：按照最小生成树从设备出端口洪泛发出

数据包处理流程

每个包按照优先级依次去匹配流表中表项，匹配包的优先级最高的表项即为
匹配结果。匹配成功，对应的计数器将更新，同时实施转发动作；如果没能
找到匹配的表项，则转发给控制器。

各个版本流表项结构变化

计量表（Meter Table）

• 通过计量表，OpenFlow交换机可以实现简单的QoS功能，比如速率限
  制等，还可以与每个端口队列结合，实现更加复杂的QoS框架，如DiffServ;
• 每个计量表由多个计量表项（Meter Entries）组成。

设计支持OpenFlow架构的交换芯片

• ONF成立了转发抽象组（Forwarding Abstraction WG），负责数据平面新的转发抽象技术，并在现有交换芯片架构基础上提出了支持OpenFlow接口的折中方案（Table Typing Pattern，TTP），后更名为可协商的数据平面模型（Negotiable Data-plane Model，NDM）；
• 这种折中方案基于现有的交换芯片，在传统交换芯片基础上增加对OpenFlow的支持，因此，该方案被芯片厂商普遍接受，加快了交换芯片在产业界的落地。

主流交换芯片产品

• Broadcom StrataXGS系列交换芯片：三叉戟(Trident)和战斧(Tomahawk)，两种系列的芯片应用于不同的用户场景；
• Barefoot Tofino系列交换芯片：基于通用可编程数据平面PISA架构，并支持数据平面编程语言P4，提供高达12.8Tb/s的交换处理能力；
• 盛科系列芯片：CTC5160、CTC7148、CTC8096。

SDN交换机

• SDN物理（硬件）交换机：多数为支持OpenFlow的混合模式交换机，支持传统二、三层处理模式和SDN处理模式；
• SDN虚拟（软件）交换机：成本低、配置灵活，性能满足中小规模网络要求

SDN物理交换机

• 基于ASIC芯片的SDN品牌交换机；
  ? – Cisco 、NEC、Juniper、IBM、HPE、Arista、DCN等
• 基于ASIC芯片的SDN白盒交换机；
  ? – BigSwitch、盛科、Pica8
• 基于NP的SDN交换机；
• 基于FPGA的SDN交换机：NetFPGA

基于ASIC芯片的SDN品牌交换机

• Cisco Nexus 9000系列：Nexus 9500、Nexus 9300
• NEC IP8800系列交换机；
• Arista 7160系列和7500R；
• HPE FlexFabric 5700、5900、 12900系列；
• Juniper EX9200系列
• IBM RackSwitch G8264交换机；
• DCN CS16800系列
• H3C S12500系列
• 博科ICX7450

基于ASIC芯片的SDN白盒交换机

• 盛科V330、V350、V580；
• Pica8 P3290、P3295、P3297、P3920、P3922、P3930、P5101、P5401

SDN虚拟（软件）交换机

• Open vSwitch(OVS)
• Cisco Nexus 1000V
• H3C S1020V

SDN交换机选型考虑参数

• 背板带宽：交换机接口处理器和数据总线间所能吞吐的最大数据量，背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，背板带宽是机架式交换机的技术参数，对于盒式交换机一般没有背板带宽的概念。

• 背板带宽从几个Gbps到几百Gbps不等，背板带宽也不是越高越好，只要满足端口线速转发就可以。

• 对于线速转发的交换机，背板的带宽计算方法：端口数相应端口速率2(全双工模式)

• 端口密度：代表着交换机的转发能力。端口密度：密度越大，设备的转发能力越强；

• 端口速率：速率越高，设备的处理性能越强；

• 支持模块类型：类型越多，实用性越强，可以应用于不同的网络环境，比如：LAN接口、WAN接口、ATM接口。

• 端口带宽类型：越丰富越好，即支持40G、100G高速端口，又支持百兆、千兆低速端口，即支持XFP又支持SFP、SFP+、CFP等等多种光接口类型。

• 时延（延迟）

• 功耗

• 支持OpenFlow版本

• 机架单元

• 网管功能

参考资料：中国大学MOCC SDN网络课程、百度百科

来源：落了一地秋