1、面向 SD-DCN 的 OpenFlow 分组转发能效联合优化模型罗可1曾鹏1熊兵1赵锦元21（长沙理工大学计算机与通信工程学院长沙410114）2（长沙师范学院信息科学与工程学院长沙410199）（）Joint Optimization Model of Energy Consumption and Efficiency RegardingOpenFlow-Based Packet Forwarding in SD-DCNLuoKe1,ZengPeng1,XiongBing1,andZhaoJinyuan21（School of Computer Science and Communicat
2、ion Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114）2（School of Information Science and Engineering,Changsha Normal University,Changsha 410199）AbstractInsoftware-definednetworking(SDN),OpenFlowswitchestypicallyutilizeternarycontentaddressablememory(TCAM)to store flow tables for
3、 fast wildcarding lookups.In order to promote packet forwardingperformance,itusuallyrequiresenlargingTCAMcapacitytostoremoreentries.However,TCAMperformslookupsinparallelmatching,whichbringsabouthighenergyconsumption.Therefore,itisnecessarytochoosetheappropriateTCAMcapacitytobalancethedelayandenergyc
4、onsumptionofpacketforwarding.Forthetypicalscenarioofsoftware-defineddatacenternetwork(SD-DCN),wecharacterizethepacketprocessingofanOpenFlowswitchasamulti-priorityM/G/1queueingmodel,andbuildanOpenFlow-basedpacketforwardingdelaymodel.Meanwhile,weestablishahitratemodelofTCAMflowtablesbasedonflowdistrib
5、utioncharacteristics,tosolvetherelationalexpressionbetweenpacketforwardingdelayandTCAMcapacity.ConsideringtheenergyconsumptionofTCAMlookups,weestablishajointoptimizationmodelofenergyconsumptionandefficiencyregardingpacketforwarding,anddesignanoptimizationalgorithmtosolvetheoptimalTCAMcapacity.Theexp
6、erimentalresultsindicatethatourproposed delay model can more accurately characterize OpenFlow-based packet forwarding delay than existingmodelsdo.Meanwhile,weleveragetheoptimizationalgorithmtosolvetheoptimalTCAMcapacitywithdifferentparameterconfigurations,whichprovidesaguidelineforactualSD-DCNdeploy
7、ments.Key wordssoftware-defineddatacenternetwork(SD-DCN)；jointoptimizationmodel；TCAMenergyconsumption；packetforwardingdelay；optimalTCAMcapacity摘要在软件定义网络(software-definednetworking,SDN)中，OpenFlow 交换机通常采用三态内容可寻址存储器(ternarycontentaddressablememory,TCAM)存储流表，以支持快速通配查找.然而，TCAM 采用并行查找方式，查找能耗高，因此有必要为 OpenF
8、low 交换机选择合适的 TCAM 容量，以平衡分组转发时延和能耗.针对软件定义数据中心网络(software-defineddatacenternetwork,SD-DCN)这一典型应用场景，利用多优先级 M/G/1 排队模型刻画 OpenFlow 交换机的分组处理过程，进而建立 OpenFlow 分组转发时延模型.同时，基于网络流分布特性，建立 TCAM 流表命中率模型，以求解 OpenFlow 分组转发时延与 TCAM 容量的关系式.在此基础上，结合 TCAM 查找能耗，建立 OpenFlow 分组转发能效联合优化模型，并设计优化算收稿日期：2021-09-23；修回日期：2022-06
9、-10基金项目：国家自然科学基金项目(11671125,61972057,61502056)ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(11671125,61972057,61502056).通信作者：熊兵()计 算 机 研 究 与 发 展DOI：10.7544/issn1000-1239.202110957JournalofComputerResearchandDevelopment60（3）：606618，2023法求解 TCAM 最优容量.实验结果表明：所提时延模型比现有模型更能准确刻画 OpenFlo
10、w 分组转发时延.同时，利用优化算法求解不同参数配置下的 TCAM 最优容量，为 SD-DCN 实际部署提供参考依据.关键词软件定义数据中心网络；联合优化模型；TCAM 能耗；分组转发时延；TCAM 最优容量中图法分类号TP393软件定义网络（software-definednetworking,SDN）作为一种新兴网络架构，将网络控制功能从数据交换设备中解耦出来，形成逻辑上集中的控制平面.SDN 控制平面负责构建并维护全局网络视图，根据网络拓扑结构制定流规则，并通过以 OpenFlow 为代表的南向接口协议下发到数据交换设备中，从而实现灵活高效的数据传输.基于 OpenFlow 的 SDN
11、技术有力地打破了传统网络的封闭和僵化问题，大大提升了网络的灵活性、可管控性和可编程能力，被普遍认为是未来网络最有发展前景的方向之一1-2.经过十来年的不断发展与演进，SDN 技术已广泛应用于各种网络场景，尤其是数据中心网络.软件定义数据中 心 网 络（software-defined data center network,SD-DCN）显著简化了网络功能管理，降低了部署成本，提高了数据传输效率，优化了网络应用性能，为数据中心的优化部署提供了新的技术方案3-4.数据中心作为承载海量数据处理的重要基础设施，广泛应用于在线购物、网络电视、短视频分享等数据密集型产业，目前已进入井喷式的高速建设和发展
12、时期5.然而，在数据中心规模飞速扩张的同时，能耗问题已成为制约其可持续发展的瓶颈.在数据中心能耗中，网络设备产生的能耗占比可达 50%以上6，主要由提供高速数据传输服务的交换机产生.在 SD-DCN 网络中，OpenFlow 交换机通常采用三态内容可寻址存储器（ternarycontentaddressablememory,TCAM）存储流表以支持快速通配查找，其查找能耗高（1530W/Mbit）7-8，约为静态存储器的 50 倍9.同时，SD-DCN 网络采用等价多路径路由机制，将产生不少额外的流规则并存储到 TCAM 中，导致能耗问题更加凸显.因此，如何设置OpenFlow 交换机的TCA
13、M容量，以平衡分组转发时延和 TCAM 查找能耗，是SD-DCN 实际部署需要解决的一个关键问题.目前已有不少研究工作关注 OpenFlow 交换机的 TCAM 能耗问题.为降低 TCAM 查找能耗，部分研究人员采用内容可寻址存储器（CAM）缓存流表中的活跃流10-11，进而直接转发大多数分组，以大幅度减少 TCAM 流表查找操作.然而，CAM 同样采用并行查找方式，查找能耗仍高.也有研究者利用过滤器预测流表查找失败情形9，减少不必要的 TCAM 查找操作，但只能过滤每条流的首个分组，节能效果极为有限.还有研究人员关注 OpenFlow 交换机的 TCAM 流表优化模型12-13，但却主要关注
14、流超时设置、流规则放置等问题，缺乏对其最优容量的考量.此外，许多工作关注 OpenFlow 交换机的分组转发时延，利用排队论构建 OpenFlow 分组转发性能模型14-15，但却同样忽略了 TCAM 容量对分组转发时延的影响.针对上述问题，本文面向 SD-DCN 网络场景，拟提出一种 OpenFlow 分组转发能效联合优化模型，以求解 TCAM 最优容量.为此，本文首先描述了一个典型的 SD-DCN 网络部署场景，分析其分组转发过程和排队特性，构建 OpenFlow 分组转发时延模型.然后，根据数据中心网络中的流分布特性，建立 TCAM 命中率模型，进而求解 OpenFlow 分组转发时延与
15、 TCAM容量的关系式.进一步，结合 TCAM 查找能耗，建立OpenFlow 分组转发能效联合优化模型，并设计对应的优化算法求解 TCAM 最优容量.最后，通过模拟实验评估本文所提 OpenFlow 分组转发时延模型，并利用优化算法求解不同参数配置下的 TCAM 最优容量.本文的主要贡献有 4 个方面：1）针对 SD-DCN 网络典型部署场景，在分析其分组到达和处理过程的基础上，为 OpenFlow 交换机构建了多优先级 M/G/1 排队模型，进而建立了一种更准确的 OpenFlow 分组转发时延模型；2）基于 SD-DCN 网络中的流量分布特性，为OpenFlow 交换机建立了 TCAM
16、命中率模型，以求解OpenFlow 分组转发时延与 TCAM 容量的关系式；3）以分组转发时延和能耗为优化目标，建立OpenFlow 分组转发能效联合优化模型；4）证明了优化目标函数的凸性质，进而设计了优化算法求解 TCAM 最优容量，为 SD-DCN 实际部署提供有效指导.1相关工作针对 OpenFlow 交换机的 TCAM 能耗问题，部分研究人员设计了 TCAM 流表节能查找方案.Congdon罗可等：面向 SD-DCN 的 OpenFlow 分组转发能效联合优化模型607等人10根据网络流量局部性，为交换机的每个端口设置 CAM 缓存，存储包签名与流关键字之间的映射关系，以预测包分类结果，使大部分分组绕过 TCAM查找过程.然而，CAM 存储器同样采用并行查找方式，查找能耗仍高.针对 OpenFlow 多流表的流水线查找模式，Wang 等人11利用马尔可夫模型选取每个流表中的活跃表项，并集中存放到流水线前的 Pop 表中，使大部分分组查找命中 Pop 表，以避免复杂的多流表查找过程.Kao 等人9提出了基于布鲁姆过滤器的流表查找方案 TSA-BF，通过优化设计布鲁姆过滤器以预测流