论文笔记（1） B4: Experience with a Globally-Deployed Software Defined WAN

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一、论文简介

本论文是Google在2013的SIGCOMM上发表的一篇关于其成功部署的基于SDN的B4系统的论文。其中介绍了B4的设计，以及在实际运行过程中的一些经验。本论文的参考价值在于，它是第一篇对于成功部署全球性的SDN系统的总结，对我们理解和实际的SDN部署有很好的指导作用。

二、B4特性

1）大量的带宽需求部署到少量的站点。

2）弹性流量要求寻求最大化平均带宽。

3）对边缘服务器和网络进行全面控制，实现边缘速率限制和需求测量。

4）中心化的流量控制使得链路的利用率可以接近100%。

5) 同时支持标准的路由协议和中心化的流量控制。

6）高可应用扩展性，支持快速部署和迭代，并支持与终端应用程序紧密集成，以适应故障或通信模式变化的自适应。

7) 基于商业化的交换机硬件。

三、关键设计

1.设计思想

1）把传输失败作为寻常事件，并将影响报告给端的应用程序。

2）硬件交换机有简单的接口来编程实现中央控制下的转发表。

3）在架构上实现两个独立的广域网，面向用户的和连接数据中心的。

4）将硬件和软件进行隔离，使得软硬件发展解耦。

2.Traffic Engineering (TE)的作用

1）通过控制边缘网络来裁定竞争性请求，谁将获得有限的资源。

2）根据优先级，使用多路径的隧道来充分利用链路的带宽。

3）当连接失效或者应用需求改变时，动态重新分配带宽。

3.运行在B4上的应用类型

1）用户数据复制

2）分布式存储和运算

3）大量数据同步

4.SDN/openflow带来的好处

1) SDN基于软件的定制化控制面板，能够在普通服务器上运行，能够很好的协调计划中网络变化和意外网络改变。

2）SDN使得我们可以充分发挥高性能硬件的能力。

3）基于网线而不是路由的中心化结构。

5.B4的架构

图中的几个缩写：

1）NCS:Network Control Servers，网络控制服务器。

2）OFC:OpenFlow controllers， OpenFlow 控制器。

3）OFA：OpenFlow Agent， OpenFlow 代理。

4）iBGP：internal Border Gateway Protocol，内部边界网关协议。

5）eBGP：external Border Gateway Protocol，外部边界网关协议。

6）TE:Traffic Engineering，流量工程。

7）RAP：Routing Application Proxy，应用路由代理。

8）NCAs： Network Control Applications ，网络控制应用程序。

各层之间的联系：

1）B4服务的对象是一些站点，每一个站点由若干服务器集群组成。

2）站点中交换机只做流量转发，复杂的路由控制由站点控制器完成。

3）站点控制层由网络控制器组成，包括OFC和NCAs。

4）全局控制层包含逻辑上中心化的应用，通过站点层的NCAs来实现。

5）每一个服务器站点在逻辑上都是一个自治系统，拥有一个IP前缀；每个cluster包含一个BGP路由器与B4交换机配对。

6）建立了一个集成化的中心服务，既包括路由，又包括流量工程。

7）每一个B4站点包含多路的交换线路，每个端口都连上远方的端点，所有的站点都需要被均匀的分配流量，B4通过等价路由hash来实现必须的负载均衡。

架构特性：

1）分布式路由和中心化流量工程

6.交换机设计

1）通过控制传输速率来避免使用大缓存和包丢失。

2）使用自己定制的交换机用来实现，可以使得软件和硬件相互分离，同时因为没有现成的平台支持SDN部署。

3）用16个16*10G的普通交换机实现一个128*10G的 B4交换机。

4）在交换机上直接运行路由协议。

5）用户层使用OFA来实现硬件层面的管道，OFA连接远处的OFC。

6）OFA是用来在翻译OF信息，相当于一个中间层。

7.网络控制功能

1）B4的大部分功能运行在站点控制层的NCS中。

2）帕克索斯通过单调递增的ID来标记Leader，并将其传递给客户端。

3）使用修改后的Onix来进行openflow的控制。

8.集成路由的架构

1）一些缩写

ISIS:intermedia system to intermediate system，中间系统到中间系统。

RIP:routing information protocal，路由信息协议，一种内部网关协议。

ECMP:equal-cost multipath routing，等价路由。

NIB:network information base，个网络信息库，包括目前网络的所有状态,被Onix用来作为控制层的决策。

2）路由设计

[1]RAP是作为一个SDN应用,用来连接Quagga和底层的硬件switch，在功能上主要实现BGP/ISIS的路由信息的更新，switch和Quagga之间的路由包，接口更新。

[2]OFA用来和OFC进行通信，相当于连接了数据层和控制层。

3）RAP

[1]RAP本质上就是路由的具体实现。

[2]RAP可以将每个RIB条目翻译成两个openflow的流表。

9.流量工程

1）中心化的流量架构的组成

网络拓扑图，TE可以集成主干线路来计算点到点的边，这可以降低输入的复杂度

流集合，TE不能再应用粒度上进行操控，因此我们将FG定义为一个{源站，目站，QoS}的三元组。

隧道，所谓的隧道是一种逻辑连接。

隧道集群，把FG映射成隧道和对应的权值问题。

2）带宽函数

[1]为了捕获相对优先级，将bandwidth函数和每一个应用相互关联，具体说来就是就是根据流的优先级，维度的规模来分配带宽。

[2]bandwidth函数是根据管理员指定的权值自动推导的。

3）优化算法

[1]用线性规划的方法进行分配的代价很高，因此设计一个近似算法取得99%的效果，却在效率上提升了25倍

(4)生成隧道集群

[1]通过不断迭代来寻找瓶颈边，优先的隧道是不包含瓶颈边的，并且瓶颈边也不再参与TG的生成。

[2]算法终止条件是，每条边都满足分配或者我们不能再找到一条更好的隧道。

（5）tunnel集群的量化

[1]进行粒度分割在本质上是一个整数规划问题，由于复杂性问题，在处理时，采用的是一种启发式的方法。

10.TE 协议和Openflow

1）目标：如何在分布式，错误发生情况下实现隧道集群，隧道和流集群到openflow的转换

2）B4交换机可以扮演的角色：分流，运输，解析

外部IP是一个tunnel-ID而不是一个真正的网络IP，TE提前定义了一张表，用来进行相互的转换。

3)案例分析：

[1]根据包的头部进行分流，通过一个资源IP和母的IP，在图中就是sip，和dip

[2]整个传输过程分为两段，在B4的传输和在B4之外的传输，在B4之外的传输使用的最长前缀匹配原则。

4)TE和路由的组成

[1]TE支持最短路径路由和TE，这样当TE失效时仍然可以使用。

[2]根据openflow流表条目的优先级和硬件的容量，我们把不同的流映射成不同的硬件表。

[3]最终我们根据访问控制列表（ACL）来设置转发行为。

[4]多路径表和隧道解析表可以进行map，同样的端口由于tunnel不一样，可能最终的映射结果不一样。

5）在站点之间协调TE的状态

[1]每个控制器TDB来设置必须的关于个体的转发表，这个抽象过程将TE从硬件表中独立出来。

[2]TED以键值对的方式存储全局的隧道，隧道集群和集群。

[3]OFC将TE选项变为流编程指令。

6）依赖和失败

[1]一个条目不能被删除，除非所有引用它的都被删除了。这和数据库中依赖性是一回事。

[2]在TE和OFC之间自动同步TED的内容，首先会计算普通TED视图和TE主节点和OFC之间的差异。基于关系和进程号生成独一无二的标识。

[3]顺序问题。编号，并拒绝小号，接收大号。

[4]一个TE操作可能失败，应为远程调用可能失败，或者是OFC拒绝。标记失败的，并且定时清理。

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