通過(guò)對(duì) 4D架構(gòu)、SANE和 Ethane等控制平面和數(shù)據(jù)平面分離方案的借鑒，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software -Defined Networking，SDN）成為人們努力將白盒設(shè)計(jì)思想引入網(wǎng)絡(luò)的重要成果，引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在 SDN中，所有交換機(jī)的控制功能被邏輯集中于控制器中，極大地方便了網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理員不需要再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，頻繁地對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行逐個(gè)設(shè)置，僅需要在控制器上配置能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高層策略。SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新也有著巨大的推動(dòng)作用。通過(guò)在控制器上進(jìn)行編程，研究人員可以快速地部署新的網(wǎng)絡(luò)功能。
OpenFlow綜合考慮了 SDN的網(wǎng)絡(luò)完全可編程的目標(biāo)與實(shí)際部署的復(fù)雜性，使SDN由理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。OpenFlow協(xié)議也成為當(dāng)前SDN中控制器與交換機(jī)之間實(shí)際的通信標(biāo)準(zhǔn)，為網(wǎng)絡(luò)管理和科研人員提供了許多新的視角。但是，OpenFlow也帶來(lái)了許多新的問(wèn)題，包括如何確定數(shù)據(jù)流的控制粒度、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)流測(cè)量、如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬化、如何將 SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合等。如何對(duì)規(guī)則進(jìn)行管理是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。例如，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)流測(cè)量其實(shí)就是如何在網(wǎng)絡(luò)資源約束條件下合理地部署策略規(guī)則。本書首先對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)中規(guī)則管理問(wèn)題的研究背景和挑戰(zhàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，然后圍繞在流表資源有限的條件下如何進(jìn)行規(guī)則放置問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。具體內(nèi)容如下。
① 對(duì)軟硬件 SDN交換機(jī)構(gòu)成的組合 SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延上限進(jìn)行了理論分析。在組合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中，軟件交換機(jī)和硬件交換機(jī)的各自的特點(diǎn)和它們之間的協(xié)作流程決定了在硬件交換機(jī)中命中規(guī)則的數(shù)據(jù)流的時(shí)延必然比其余數(shù)據(jù)流的時(shí)延低。為了能夠?qū)��?jīng)過(guò)組合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流的時(shí)延上限進(jìn)行定量分析，著者首先提出了組合 SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的理論模型，然后根據(jù)進(jìn)入組合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所有數(shù)據(jù)流的累積到達(dá)過(guò)程，利用網(wǎng)絡(luò)演算的相關(guān)定理分析了經(jīng)過(guò)組合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流在差情況下的分組時(shí)延。在 NS-3環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明著者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算得到的時(shí)延上限的理論值與仿真值極為接近，并且總結(jié)出了組合轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中軟件交換機(jī)數(shù)量與規(guī)則放置方案對(duì)各通道時(shí)延上限的影響方式。
② 提出了適用于組合 SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的基于遺傳的規(guī)則放置算法。在組合SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中，由于硬件交換機(jī)中流表空間有限，所以只有部分?jǐn)?shù)據(jù)流可以經(jīng)由快速通道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且由成果1可知任意數(shù)據(jù)流的通道選擇都會(huì)影響所有數(shù)據(jù)流的時(shí)延上限。為了保障數(shù)據(jù)流在組合 SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延需求，著者首先定義了時(shí)延滿意度，用于衡量規(guī)則放置方法達(dá)到的時(shí)延保障水平，然后對(duì)組合 SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中的規(guī)則放置問(wèn)題進(jìn)行形式化描述，并證明該問(wèn)題是 NP難問(wèn)題，然后利用基于遺傳的規(guī)則放置算法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，實(shí)驗(yàn)證明與另外三種算法相比，所提算法能夠獲得更高的時(shí)延滿意度。
③ 提出了一個(gè)基于SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)租賃者靈活地提供獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜妥灾鞯木W(wǎng)絡(luò)管理權(quán)限。軟件定義網(wǎng)絡(luò)，尤其是 OpenFlow提供了開(kāi)放的底層物理網(wǎng)絡(luò)抽象接口，提高了網(wǎng)絡(luò)的可編程性�；�于 SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)能夠結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步加快網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。盡管在SDN環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬化已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，但是如何設(shè)計(jì)基于 SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)仍然是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。著者首先對(duì)基于 SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的需求進(jìn)行分析，其次提出了一個(gè)基于 SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，SDNVA。在SDNVA中，通過(guò)對(duì) OpenDayLight控制器進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化組件；結(jié)合 OpenFlow交換機(jī)對(duì)多級(jí)流表的支持，提出了虛擬管線機(jī)制，并擴(kuò)展至組合SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中；提出了分別針對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)絡(luò)的自治管理機(jī)制。后在 SDNVA的原型系統(tǒng)中驗(yàn)證了虛擬化組件對(duì)資源的隔離，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)變化的感知。
④ 提出了基于時(shí)空聯(lián)合的規(guī)則放置算法。除了采用類組合SDN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的方法增大交換機(jī)流表空間，提高流表的利用效率也是克服流表空間不足的重要手段。OpenFlow的超時(shí)機(jī)制和通配符匹配機(jī)制可以分別從時(shí)間和空間上調(diào)整規(guī)則對(duì)流表空間的占用，為解決交換機(jī)的流表資源有限問(wèn)題提供了有效的解決途徑。利用超時(shí)機(jī)制或者通配符匹配機(jī)制，研究人員提出了許多能夠有效提高規(guī)則命中率的規(guī)則放置算法。但是，這些已有的規(guī)則放置算法都僅采用一種機(jī)制進(jìn)行性能優(yōu)化，不能充分提高規(guī)則命中率，并且在應(yīng)用范圍方面都存在一定的局限性。為此，著者首先對(duì)聯(lián)合采用超時(shí)機(jī)制和通配符匹配機(jī)制的規(guī)則放置問(wèn)題進(jìn)行形式化描述，然后針對(duì)該問(wèn)題提出了基于時(shí)空聯(lián)合的規(guī)則放置算法，綜合考慮規(guī)則在流表中的逗留時(shí)間和規(guī)則的匹配空間，確定規(guī)則的放置方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法產(chǎn)生的規(guī)則放置方案能夠有效提高規(guī)則命中率，或者降低分組拒絕率。
本書是齊慶磊和李賀在長(zhǎng)期從事的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上形成的一本專著。具體分工如下：齊慶磊撰寫了第3章至第6章，李賀撰寫了第1、2、7章。在此，謹(jǐn)對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)共同工作、學(xué)習(xí)和生活的老師、同事和同學(xué)們表示深切感謝，感謝他們?cè)陂L(zhǎng)期科研工作中對(duì)本書的貢獻(xiàn)。本書是在王文東教授和龔向陽(yáng)教授的悉心指導(dǎo)和全力支持下完成的。本書的形成過(guò)程中，得到了劉金江教授、闕喜戎副教授、田野博士、高慧博士、張波博士、李慧宗博士等老師的許多幫助，在此一并表示感謝。后，在本書成稿過(guò)程中參考或引用了國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的論著，在此表示感謝。
本書受到南陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科、南陽(yáng)師范學(xué)院河南省數(shù)字圖像大數(shù)據(jù)智能處理工程研究中心、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（No.22A520037、No.20B520025和 No.21A520032）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（No.62002180）、河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（No.202102210362）的資助，特此致謝！
由于時(shí)間倉(cāng)促，水平有限，不足之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

著者
2021年 7 月