网络虚拟化之FlowVisor：网络虚拟层（下）

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在前面两篇文章：网络虚拟化之FlowVisor：网络虚拟层（上）和网络虚拟化之FlowVisor：网络虚拟层（中）中分别介绍了FLowVisor的特性和实现，三连载的最后一篇介绍虚拟网络的隔离机制。

虚拟化的一个重要元素是切片之间的隔离，因为不同资源的隔离机制是不相同的，接下来将分别描述。

1. 带宽隔离

FLowVisor可以通过标记数据包的VLAN优先级比特位来利用现存的交换机带宽隔离特性。VLAN标签拥有三个比特域，PCP（VLAN Priority Code Point）有一个将数据包映射到八个优先级队列中的其中一个的标准机制，OpenFlow协议里面有对VLAN标签和优先级比特的管理，所以可以给流中的所有数据包一个优先级。

因为，为了增强带宽隔离，FLowVisor重写了所有切片的转发表，加了一个“set VLAN priority”的操作，将优先级置为八个优先级队列中的某一个，一个虚拟网络实例中的所有流根据资源分配策略映射到相应的流组（流组需要网络管理员通过CLI定义）

使用VLAN　PCP比特位并不是FLowVisor所固有的，而是为了和商用硬件协调工作所选择的短期变通方案。

2. 拓扑隔离

控制器通过OpenFlow协议发现网络中的结点和链路，在非虚拟网络中，当一个网络设备连接到控制器的TCP监听端口的时候，控制器就可以发现这个设备。FLowVisor作为交换机和控制器中间的一个代理，他只代理用户虚拟网络中的交换机和控制器的连接，同理，用于罗列交换机所有物理端口的OpenFlow消息，也会被FLowVisor拦截，修改为只有虚拟网络中有的端口。

需要注意的是LLDP消息的处理，在提高SDN控制器的拓扑发现性能（通过改进逻辑）这篇文章中我已经解释了SDN网络中拓扑发现原理和LLDP数据包的详解，这个消息他有特定的格式，所以FLowVisor拦截住这个消息，给其打上标签，标签为虚拟网络号，当他们再被交换机收到传送到控制器的时候，可以根据标签发送到相应的虚拟网络。

3. 交换机CPU隔离

商用交换机上的CPU都是典型的低功耗嵌入式处理器，因此很容易过载，在大多数交换机硬件中，一个高负载的CPU会导致严重的网络破坏。比如，一个CPU高负载的情况下，硬件转发数据会继续进行，但是交换机会停止响应控制器的OpenFlow请求，导致LLDP链路发现协议超时，让交换机误以为网络连接非常不稳定，网络变得不可用。

交换机的CPU负载主要被下面四种程序瓜分，这四个负载来源需要不同的隔离机制：

1. 产生新流到达的消息：在OpenFlow交换机中，如果一个数据包无法匹配流表，就会向控制器发送PacketIn消息，这个过程消耗了一部分处理资源，如果新流比较多，消息产生很频繁，CPU资源就会耗尽。为了防止饿死，FLowVisor会追踪新流产生的消息到达速率，如果速率超过了阈值，FLowVisor插入一条转发流表规则在一个时间段内丢弃所有的数据包，就这样，FLowVisor利用OpenFlow协议限制了新流的速度。
2. 处理控制器的请求：对于每个虚拟网络实例，FLowVisor通过限制OpenFlow消息速率来限制CPU消耗，因为不同类型的消息消耗不同的CPU资源，因此这个工作现在还略显不足。
3. “慢路径”转发：除了很快的专用的硬件转发路径，数据包通过“慢路径”转发，这当然会消耗一部分CPU资源，而这个消耗显然是不确定的。FLowVisor通过重写多个转发规则，将他们分开，分别为为一次数据包转发事件来防止控制器一次插入多个“慢路径”转发规则，比如OpenFlow的PacketOut消息，他可以一次下发很多转发规则，但是FLowVisor可以拦截，将其分为多个。这样，“慢路径”数据包会通过上面提到的两条机制：新流产生的消息和控制器的请求来限速。
4. 维持内部状态：所有的网络设备会使用CPU去更新他们的内部计算器、处理事件等等，所以必须留有足够的CPU给交换机“记账”。FLowVisor通过限制上面三点的CPU消耗来保障交换机有足够的资源执行内部功能。

和带宽隔离一样，CPU隔离机制不是FLowVisor固有的设计，更像是一个解决现在硬件抽象问题的应急措施，这个方面未来还需要做很多工作。

4. 流空间隔离

每个虚拟网络只能处理他们流空间中的数据流，FLowVisor对OpenFlow消息进行重写，确保每个切片之恩那个控制他自己的流，不能影响别的切片的流。当然，不是所有的规则都能够被重写来满足某个切片的流空间，FLowVisor只能让规则更加详细精确，比如在网络虚拟化之FlowVisor：网络虚拟层（中）这篇文章中用于描述FLowVisor工作原理的例子中，如果Bob的控制器想创建一个规则去影响所有的流，FLowVisor应该重写规则让其只影响TCP数据流。但是FLowVisor不会重写影响22端口的数据流的规则，让其只影响80端口（TCP数据流），在这种情况下，FLowVisor会给控制器发送一个错误消息。

5. 流表项隔离

FLowVisor会统计每个虚拟网络使用的流表项数目，确保其不会超过一个预先给定的值。对于控制器插入到交换机的的每个规则，FLowVisor会给其计数器加一，如果某个流表到期失效，计数器会减一。由于硬件约束，一些交换机会内部扩展规则来满足多个输入端口，FLowVisor需要处理这个情况。OpenFlow协议为FLowVisor协议提供了一个机制来精确的列出交换机中的所有流表项，当控制器超出了流表项预先给定的值，任何新的规则插入都只会收到“table full”的错误提醒消息。

6. OpenFlow控制通道隔离

除了上面提到的所有物理资源外，OpenFlow控制器通道本身也必须虚拟化和隔离。比如，OpenFlow协议中的所有消息包含一个独一无二的传输ID，FLowVisor必须重写这些传输ID以确保不同控制器的消息不会使用同一个ID，类似的，如果一个数据包的处理需要交换机做决定，需要先将数据包存储在交换机队列中，OpenFlow协议使用一个32位的整数去标识这个队列中的不同数据包。FLowVisor需要确保每个交换机只能访问交换机队列中他自己的数据包。

到这里，将FLowVisor的由来，实现原理，隔离机制都分析了一遍，对于未来网络中必不可少的虚拟层有了一些了解和新的想法思路，我相信，书和论文是拓展思路的不二法门，相信FLowVisor只是网络虚拟层的一个先驱，未来将会有更加完善，更加功能强大，更加智能化的系统产生，希望自己能够在这些方面有所贡献。

网络虚拟化之FlowVisor：网络虚拟层（下）

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