بخشی از مقاله
چکیده-
شبکه های مبتنی بر نرم افزار یک تغییر و دگرگونی جدید در معماری شبکه ها است که به عنوان بزرگترین تحول چهار دهه شبکه های کامپیوتری نام برده میشود. شبکه های مبتنی بر نرم افزار منابع گسترده ای را کنترل و نظارت می کند و هنوز کاملا جدید است و با سرعت بسیار زیادی در حال رشد است. اجزای تشکیل دهنده این شبکه کنترل کنندهها، سوییچهای مجازی و شبکههای همپوشان می باشند.
در سالهای اخیر، کاربردهای شبکه رشد سریعی را تجربه کرده است و توجه ویژهای از جانب دانشگاهها و صنعت را به خود جذب کرده است. یکی از روشهای توانا در کنترل داده برای SDN، OpenFlow است که از ورودی توصیفی توابع چندگانه شبکه ماننند لایه ارسال، لایه مسیریابی و لایه کنترل پذیرش استفاده مینماید. بر اساس مصرف انرژی و هزینه تولید، سوییچهای OpenFlow،معمولاً با فضای جدولی محدود تولید و استفاده میگردد که این امکان وجود دارد زمانی که مقادیر زیادی ورودی مورد تقاضای شبکه مبتنی بر نرم افزار باشد، بافر سر رسز رخ دهد و این یک چالشی بزرگ برای مدیریت مناسب برروی جداول کنترلی می باشد که باید الگویی برروی جداول کنترلی در مشکلات بحرانی هنگام گسترش و اجرای تکنولوژی این شبکه با مقیاسهای بزرگ طراحی شود.
در این مقاله بر اساس سرآیند موجود در بستهها به کنترل جریان پرداخته و بخشی از مسیر جریانها در سرآیند بستهها ذخیره می شود . از طرف دیگر با انتخاب برخی از سویچها به عنوان سویچهای تماس و قرار دادن جداول جریان در آنها سعی در کم نمودن مراجعه به جداول جریان نموده و همچنین با گنجاندن یک فاز پیشبینی میزان رشد جدول در مرحله پیکربندی شبکه جداول جریان را به نحوی متوازن کرده که کمترین رد جریان در سویچها را بدلیل سرریز جریان داشته باشد.
همچنین تحمل خط با به هم پیوستن روش پیشنهادی با پروتکلهای ارسال Oblivious و پروتکل های ارسال POF/PIF مستقل حاصل میشود. و همچنین ارزیابی دیگر بر اساس روش پیشنهادی با روشهای دیگر در بخش میزان ولتاژ مصرفی، روش پیشنهادی بهبود نشان داده است. در میزان انرژی صرف شده برای پیکربندی ابتدایی روش پیشنهادی بدلیل یک پیشبینی ابتدایی زمان کمتری نسبت به باقی روشها نشان نداده ولی دارای زمان معقول و مناسبی بوده است.
-1 مقدمه
از شبکه نرم افزار محور به عنوان بزرگترین تحول چهار دهه شبکه های کامپیوتری نام برده میشود. شبکه نرم افزار محور برای اولین بار در سال 2005 مطرح شده و از سال 2010 شتاب گرفت و در سال 2011 با تشکیل بنیاد
او ان اف و عضویت بیش از هشتاد شرکت بزرگ صنعت شبکه در آن و تدوین استاندارد اوپن فلو وارد فاز جدیدی شد. اولین محصولات شبکه نرم افزار محور در سال 2012و بیشتر 2013 وارد بازار شده و پیشبینی شد که تا سال 2015 این نوع شبکهها کمکم جایگزین شبکه های سنتی مبتنی بر اترنت و تی سی پی آی پی شوند. شبکههای کامپیوتری جهان را مسحور و مبهوت خود کردهاند و به زبانی دیگر به تسخیر خود درآوردهاند
شبکههای نرمافزاری تعریف شده SDN1، توجه ویژهای از جانب دانشگاهها و صنعت را به خود جذب کرده است. با جداسازی نقشههای کنترل و دادهها و کنترل متمرکز شده منطقی بر روی آن، SDN، کنترل شبکه را توانا ساخته است و همچنین فرصتهای خوبی برای نوآوری مثل کنترل ترافیک - مخابره - ، متعادلسازی بارگذاری، ذخیره نیرو و غیره را در شبکه فراهم آورده است. یکی از روشهای توانا در کنترل داده برای SDN، OpenFlow است که از ورودی توصیفی توابع چندگانه شبکه مثل لایه 2 - ارسال - ، لایه 3 - مسیریابی - و لایه 2 و 4 - کنترل پذیرش - استفاده مینماید. با توجه به مصرف انرژی و هزینه تولید، سوییچهای OpenFlow، معمولاً با فضای جدولی محدود تولید و استفاده میگردد که ممکن است، زمانی که مقادیر زیاد ورودی مورد تقاضای شبکه باشد، سرریزی بافر صورت گیرد. بنابراین باید الگویی برای مدیریت مناسب برروی جداول کنترلی در مشکلات بحرانی هنگام گسترش و اجرای تکنولوژی SDN با مقیاسهای بزرگ طراحی شود.
اجزای تشکیل دهنده SDN شامل:
- 1 کنترل کنندهها:
یکی از ایدههای بزرگ SDN این است که دستگاهی به نام کنترلکننده با همه دستگاههای موجود در یک دامین شبکه ارتباط مستقیم داشته، از توپولوژی شبکه آگاه باشد و شبکه را از یک نقطه مرکزی برنامهریزی کند. یک کنترلکننده SDN مدل برنامهریزی شبکه را از حالت توزیعشده به حالت متمرکز تبدیل میکند.
- 2 سوییچهای مجازی:
با ظهور فناوریهای مجازیسازی سرورها که توسط استفادهکننده به کار گرفته میشوند، نقش سوییچ مجازی در ایجاد اتصال سرورهای مجازی با کارتهای شبکه مجازی و تراکم ترافیک و ارسال آن به خارج محیط در شبکههای فیزیکی، پرنگتر شده است. سوییچهای سختافزاری و مجازی نقش مهمی در SDN ایفا میکنند، زیرا آنها بهطور مستقیم مسئول اجرای جدولهای برنامهریزی شده توسط کنترلکنندهها است.
- 3 شبکههای همپوشان:
شبکههای همپوشان شبکههای مجازی هستند که بهطور مشترک از یک بستر شبکه فیزیکی استفاده میکنند، اما بهطور منطقی از یکدیگر مستقل هستند. برخی کنترلکنندههای SDN از این همپوشانها برای ارتباطات خود در مرکز داده پراکنده و هاستهای مختلف مجازی استفاده میکنند.
ساختار کلی مقاله به این صورت است که در بخش اول کارهای مربوطه که در شبکه های مبتنی بر نرم افزار انجام شده توسط محققین بررسی می شود، در بخش دوم ادبیات پژوهش نیز تفسیر خواهد شد، در بخش سوم به روش پیشنهادی پرداخته و همه ارزیابی ها و تجزیه و تحلیل داده ها در این بخش انجام می شود و در نهایت بخش آخر جمع بندی از کل تحقیق ارایه خواهد شد.
-2 کارهای مربوطه
Sherwood R و همکارانش یکی از مهمترین فعالیتهای انجام شده در حوزه طراحی سوئیچهای قابل کنترل با
استفاده از نرمافزارهای خارجی، تدوین الزامات مربوط به سوئیچهای OpenFlow را انجام داده اند. در واقع، OpenFlow یک واسط باز برای ارتباط میان کنترلکننده خارجی و سوئیچهای هدایتکننده بستهها تعریف
میکند.
ویژگیهای سوئیچهای مبتنی بر OpenFlow و الزامات واسط کنترلی آنها در[3] آورده شده است. Antichi G و همکارانش در کنار تدوین الزامات طراحی سعی در ارائه معماریهای جدید برای محصولات مبتنی بر OpenFlow داشتهاند. آنها سعی کرده اند تا یک معماری انعطافپذیر و قابل بازپیکربندی برای سوئیچهای مبتنی بر OpenFlow ارائه شود.
ویژگی عمده معماری ارائه شده در مدل آنها ،امکان بازپیکربندی سوئیچ از طریق واسط کنترلی آن است. این ویژگی سبب میشود که قابلیت پشتیبانی از کاربردهایی غیر از مسیریابی بستهها - مانند کاربردهای نظارت و اندازهگیری - در اختیار طراحان شبکه قرار گیرد. معماری مزبور بر روی بوردهای [4] NetFPGA پیادهسازی و مورد بررسی قرار گرفته است. آنها معتقدند که در مدل کنترلرگر متمرکز SDN، همه مسیرها توسط کنترلرگر تعیین میشوند، بنابراین، اولین بسته بیت هر جریان دادهای به کنترلرگر مرکزی فرستاده میشود. سپس کنترلرگر یک راه مسیریابی شده را برای هر جریان دادهای محاسبه میکند و این مسیر را براساس ظاهر شبکه سراسری در داخل سوییچهای مربوطه OpenFlow نصب میکند. در اینجا، اولین بسته بیت هر جریان دادهای معمولاً Packet-in نامیده میشود. به منظور بهتر شدن درخواستهای راهاندازی جریان با تنظیم سرعت، بعضی از کنترلرگرها از قبیل Maestro Beacon سعی میکنند تا به کمک توپولوژی چند رشتهای، عملکرد کنترلرگر را بهتر کنند.[5]
Feng T و همکارانش یک روش برای طراحی و تولید سوئیچهای تجاری مبتنی بر OpenFlow، با استفاده از سوئیچهای تجاری موجود معرفی کرده اند.در مدل آنها یک پروتکل تبادل پیام به نام SDNI در برای شبکه تعریفشده نرمافزاری در میان حوزههای مختلف زیر شبکه معرفی شده است. در این پروتکل تنها چند پیام اصلی از قبیل اطلاعات دسترسیپذیری و فرآیندهای تنظیم جریان، از هم پاشیدن و به روزرسانی تعریف شده است.
اما توضیحات لازم در رابطه با اینکه پیام چگونه باید به یک سبک موثر عملکردی ذخیره و مبادله شود عنوان نشده است.[6]
gnoygniynaT و همکارانش یک ابزار سخت افزاری دستهبندی بستهها برای پیادهسازی نرمافزاری سوئیچهای OpenFlow بر روی یک سیستم مبتنی بر لینوکس ارائه کرده اند.
یکی از مهمترین سیستمعاملهای مورد استفاده برای پیادهسازی SDNهای مبتنی بر OpenFlow، NoX نام دارد که در چپ[8] به طور کامل معرفی شده است. علاوه بر این، ابزار Beacon نیز یک پیادهسازی مبتنی بر JAVA از سیستمعاملهای مورد استفاده برای ساخت SDNها است. مستندات و متن برنامه Beacon در[9] به صورت متنباز در دسترس است. در [1] ابزار FlowVisor معرفی شده است. FlowVisor برای ارائه مجازیسازی شبکه بر روی زیرساختهای مبتنی بر OpenFlow مورد استفاده قرار میگیرد.
علاوه بر راهحلهای پایهای و ابتدایی ارائه شده برای مجازیسازی شبکه و ابزارهای مربوط به آن، تلاشهایی نیز برای رفع نواقص و ایرادات ابزارهای موجود توسط گروههای تحقیقاتی مختلف انجام شده است. alvadori E و همکارانش یک ابزار به نام AdVisor معرفی کرده اند که امکان مجازیسازی در سطح توپولوژی را ارائه میکند. لازم به توضیح است که FlowVisor قادر به انجام مجازیسازی شبکه در سطح توپولوژی نمیباشد.
