FlowMaster：SDN交换机上死流的早期驱逐策略解析

### FlowMaster：SDN 交换机上死流的早期驱逐策略解析 #### 1. 引言 在软件定义网络（SDN）中，流表的性能对网络整体性能有着至关重要的影响。但当前流表中存在大量死流条目，严重降低了流表的使用效率。本文将探讨如何通过有效的预测算法，减少流表中的死流条目，提高流表性能。 #### 2. 动机与背景 现代交换设备的流表采用硬件和软件两种内存系统，通常以分层方式组合使用。下图展示了交换设备转发引擎中内存子系统的逻辑结构： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(TCAM Memory<br>最高层):::process --> B(Output Arbiter):::process; C(SRAM/DRAM<br>中间层):::process --> B; D(Software Flow Tables<br>最低层):::process --> B; B -->|Hit| E(Packet Editor):::process; B -->|Miss| D; ``` 在这个结构中，所有传入的数据包会在 SRAM 和 TCAM 内存系统中并行查找。若在最高层（TCAM）查找失败，会导致数周期的延迟；SRAM 查找失败会进一步增加约 5 倍的延迟；软件表查找失败则会调用交换机控制平面，产生数毫秒的延迟。 流表中并非所有条目都是活动的，从最后一次访问到从表中驱逐的这段时间（死时间），死流条目会占用宝贵的硬件资源。例如，一个由 40 台服务器组成的机架，每台服务器按中位数到达率和平均 35μs 生成请求，交换机每秒会有大约 1300 个新流条目。如果流表已满，一个存在 1 秒的死流可能会导致 1300 个流被丢弃。 为了分析流表性能，我们使用 OpenFlow 作为 SDN 的基线实现，并基于从大学收集的真实世界跟踪数据进行模拟。以下是本文使用的一些术语及其定义： | 术语 | 定义 | | ---- | ---- | | 活动条目 | 尚未被最后一次引用的流条目 | | 丢弃/废弃流 | 由于表空间不足而被丢弃的流条目 | | 硬超时 | 硬超时值到期时，流将被驱逐 | | 空闲超时 | 观察到的不活动时间导致流规则被驱逐（默认设置为 60 秒） | | 唯一条目 | 数据包在流表中不存在现有条目时的情况 | | 重访条目 | 流条目之前出现过，但因超时被驱逐 | 每个流在表中都与一个“超时”值相关联，SDN 中定义了“硬超时”和“空闲超时”两种类型。我们在模拟研究中考虑了 1 秒、30 秒和 60 秒三种空闲超时值。 以下是计算活动、唯一和丢弃流的算法： ```python Require: PacketTrace , UniqueFlows =0; LiveFlows =0; Ensure: flowTable[size] List < Packets > packetList = getAllPackets(PacketTrace); 2: while packetList! = empty do packet = packetList.pop() 4: flowEntry = extractFlowEntry(packet) if flowEntry in flowTable then 6: if !IsPacketForFlowInRemainingTrace() then LiveFlows = LiveFlows - 1; 8: end if else flowEntry NOT i ```