摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容 3

1.4 论文结构 4

第2章SDN总体分析 5

2.1 SDN体系结构 5

2.2 数据平面关键技术的研究 6

2.2.1交换机的设计 7

2.2.2数据的转发规则 8

2.3 控制平面关键技术的研究 8

2.3.1控制器的设计 9

2.3.2控制器接口问题 10

2.3.3 控制层特性研究 10

2.4 本章小结 11

第3章 QoS与OpenFlow 12

3.1 QoS技术的分析 12

3.1.1集成服务（IntServ） 12

3.1.2区分服务（DiffServ） 12

3.2 OpenFlow网络 13

3.2.1 OpenFlow在保障QoS方面的优势 13

3.2.2 OpenFlow控制器之Floodlight 14

3.2.3 Mininet简介 16

3.3 本章小结 16

第4章 基于OpenFlow的QoS保障子系统的设计与实现 17

4.1 方案设计 17

4.1.1总体方案设计 17

4.1.2 控制平面设计 19

4.1.3转发平面设计 19

4.2 仿真实现 21

4.2.1 网络拓扑的搭建 21

4.2.2 QoS策略的实现 23

4.3 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1论文工作总结 27

5.2 研究工作展望 27

参考文献 29

致 谢 30

摘 要

SDN是近几年出现的一种新型的网络架构，与传统网络架构相比，它能够更好地适应当前网络发展迅速，网络规模日益扩大，网络业务日趋多元化的现状，因此十分具有研究价值。

自SDN概念被提出以来，科研机构、各大高校、各设备厂商等都看到了它巨大的发展潜力，纷纷进行探索、尝试，但目前仍有许多关键技术不够成熟，还未得到大规模部署，因此对相关关键技术的研究显得尤其重要。

本文对SDN网络的起源、发展、应用等方面作了全面的研究，分析了其体系结构中控制平面与数据平面的关键技术，通过对控制器、接口协议、交换机、转发规则等这些关键技术的细化研究，真正了解SDN网络架构的特点、优势以及目前存在的问题，并对其发展方向作出分析。

经过全面分析后，本文将重点放在研究OpenFlow技术在服务质量（QoS）保障的应用上，基于Floodlight控制器设计并实现了一套能够保障指定业务带宽的系统。经过仿真测试，该系统能够实现对指定了优先级的业务进行区分服务，保障其带宽的功能。

关键字：SDN；OpenFlow；控制平面；数据平面；服务质量

Abstract

SDN is a new type of network architecture appeared in recent years.Compared with the traditional network architecture, it can better adapt to the current network which is developing rapidly, becoming larger and larger and having more and more kinds of business. Therefor,there is great value in studying SDN.

Since the concept of SDN appeared, scientific research institutions, universities, equipment manufacturers, they all saw its huge development potential,and start to explore, but there are not so mature enoughmany key technologies that it has not yet been deployed on a large scale.

In this paper, I will make a comprehensive study on SDN,including the origin, development, application and so on. The architecture of SDN, the key technology of control plane and data plane,including the design of controller and switch,interface protocols,forwarding rules. Then the problem existing in SDN and how to improve it will be talked about.

After the all-round analysis, this paper focuses on the application of the OpenFlow technology in the Quality of Service (QoS) .I designed and implemented a system based on the Floodlight which can guarantee the bandwidth of specified business.Results in the experiment are presented to support that the system can distinguish the priority of business services, guarantee the bandwidth of specified business.

Keywords: SDN；OpenFlow；controll plane；data plane;quality of service

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

传统的网络架构是在特定的硬件设备上实现特定的算法，来实现控制和检测网络中的数据流、管理路由路径以及决定不同设备在网络中的互联方式等功能。通常这些路由算法和规则都是在专用的硬件设备，如专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASICs)上来实现的。专用集成电路只能用来实现某一指定功能。这种方法带来的问题是，随着网络的快速发展，数据中心之间互联的网络流量日益增大，诸如灵活性、安全性、可靠性和网络速度等问题的出现严重制约了当前网络设备的性能。由于都是在底层硬件设备上定义路由规则，当前的网络设备在处理不同类型、不同内容的数据包时缺乏灵活性。

SDN可以很好的解决传统网络架构所面临的这一问题。SDN的本质定义是通过软件来定义网络，也就是说，通过应用软件来对网络进行控制管理的操作，满足实际用户需求，通过自动化业务部署简化网络的运行、维护。传统的因特网是点对点式的，由路由器、交换机、网络地址翻译器、负载均衡器、防火墙等连接而成，而SDN把网络作为一个整体的平台，将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。

SDN网络可以应用的场景非常广泛，如数据中心网络、电信运营商网络以及互联网公司业务部署等。本文将研究重点放在应用基于OpenFlow的SDN来实现有效保障业务的服务质量（Quality of Service,QoS)。随着网络技术的快速发展，网络业务的日趋多元化，数据中心之间互联的三大特点日益显著，即网络流量更大、突发性更强、周期性更短，这就需要网络具备网络带宽按需提供、集中管理和控制的功能。而SDN所具备的技术特点——转发与控制分离、控制逻辑集中、网络能力开放化正可以应用于解决这一需求。本次实验探究试图利用OpenFlow技术，结合对传统 IP 网络区分服务（DiffServ）QoS 技术的研究,实现一套基于 OpenFlow网络架构，结合DiffServ机制的 QoS 系统，解决某些需要较大带宽的业务无法得到保障正常运转的现状。

1.2 国内外研究现状

当前的SDN技术主要由以下三大流派：ONF提出的 OpenFlow、IETF提出的I2RS和IT厂家主导的Overlay^[1]。这几大流派的SDN技术虽然定义不同，实现方式不同，但其核心理念却是一致的——即软件定义网络以及应用驱动网络。SDN有三大技术特点，分别是转发与控制分离，控制逻辑集中和网络能力开放化^[2]。在SDN网络中，控制器负责掌控和管理全局网络状态，而数据层的设备只需要根据规则进行流量的转发以及策略的执行。从而使传统网络架构中转发面和控制面混在一起的局面得以变化，它们相互分离，独立发展。数据平面的交换机变得更加通用简单化，成本得以大大降低；控制平面的控制器更加集中统一化，具备更优的性能和更大的容量。SDN控制器对网络资源进行统一管理、整合、虚拟化后，采用规范化的北向接口为上层应用提供按需分配的网络资源服务，解决了现有网络对业务封闭的问题。

作为SDN网络中最重要的技术之一，OpenFlow被国内外学者、机构广泛研究。目前的研究方向主要集中在协议制定、网络的虚拟化应用、网络安全性等方面。近年对OpenFlow在QoS保障方面的研究也得到了重视，它与目前的QoS架构比较起来，最突出的优势在于其实现时不需要对Internet网络从根本上进行改变，另外，OpenFlow所提供的灵活的流定义使得一些QoS问题得以简单化，控制器能够通过OpenvSwitch获取网络状态的相关信息，掌握全局网络试图，也让QoS路由的实现变得容易。目前，Kim等已经在OpenFlow交换机上实现了QoS原语从而实现灵活的流分配资源。Faizul Bari提出了一个服务质量策略管理框架PolicyCop，该框架具有灵活、开放、与供应商无关的特点,提供了SLA接口，能够利用网络监测来自动调整网络参数。Owens设计的VSDN架构修改了OpenFlow中的队列部分协议，能够用来支持视频业务的服务质量保证。国内以清华大学、北京邮电大学等为代表的研究机构也在对OpenFlow进行探索，研究领域包括对网络源地址有效性的验证、基于OpenFlow的光网络统一控制等。