Time-based Updates in OpenFlow: A Proposed Extension to the OpenFlow Protocol

abstraction

介绍了TIME4， 利用精确地时间协调网络更新。定义了的更新场景，叫做flow swap。定义了lossless flow allocation 无损流分配问题，展示了一些需要频繁更新路径的场景。论文工作已经被ONF采纳，用于OPENFLOW1.5。

I. introduction

A. it is about time

同步时钟更新在各个网络中都是成熟的技术。PTP就是非常高精度的同步时钟，精度为1微秒。目前13个支持SDN的交换机中9个都支持PTP技术。
我们的工作，TIME4可以实现定时更新，本文也展示了一类更新场景使用精确时间是最好的选择。

B. the challenge of dynamic traffic engineering in SDN

集中式网络更新通常包含多个网络设备，需要降低临时混乱。SDN用于校园网，数据中心，广域网，运营商网络，移动网络。广域网和运营商网络要求低丢包率。移动网络要求对于视频和音频帧丢失率不超过10^ -4, 其他低优先级的包也不超过10^-3.
总之，所有的所有的网络都要求低丢包率。

C. timed network update

如图1展示了一个更新场景，只有同时更新S1,S3才可以避免死锁。
本文我们展示了一个动态环境，流会不断的增加删除或者重路由，流交换（ flow swap ）不可避免。accuracy就是我们的解决方案，但是不可能所有的更新同时应用在所有交换机，有一个小的间隔，我们称之为调度错误。

D. related work

大量的工作研究流表更新，（1）找一个更新顺序序列，（2）两阶段等。然而这些方案对于死锁，资源等没有很好地解决方案，只是用于流更新一致性。
SWAN建议预留10-30%的链路空间缓解堵塞，B4提出临时降低一些或者所有流的带宽，他们可以解决资源问题，但是我们的方法可以优化这些解决方案。

E. contributions

• 定义了一类更新场景，为流交换，展示了利用同步时钟进行同步更新，提供了更好的解决方案。
• 展示了设计，实现，评估。
• 我们的工作包含一个openflow协议扩展，已经被1.5应用。

II. the lossless flow allocation(LFA) problem

A. inevitable flow swap

本节讨论流交换的不可避免，而且没有策略可以避免这种场景出现。
我们的分析基于不可分割的流问题，如图2。
给一个有向图，源节点s,目标节点d, 定义两者的博弈： source （可以认为是攻击者）生成流，controller重新配置网络转发规则，达到尽量没有丢包。
我们的观点是：source有策略强制控制器进行流交换，也就是多个流同时进行更新的场景不可避免，体现我们的提出的定时更新的重要性。

B. model and definition

下面我们阐述lossless flow allocation（LFA）问题。source和controller之间的博弈，源不断增加或者删除流，控制器找出一条路径。源的目的是渐增的增加流，迫使控制器执行流交换。控制器的目的是找到一个路径减少丢包率。
我们展示源有策略实现迫使控制器进行流交换。

假设：1，每个流有固定的带宽。2. 控制器要降低丢包 3.流不可切分。

定义流：SDN中为共有一些属性：例如源目的地址等。本文我们将一个流看做是源和目的之间一个session。
网络可以表示为一个有向有权重无环图，$G=(V,E,c)$.

其中V = Vin U {s,d}, Vin表示中间的节点，{s,d} 表示源和目的节点。
所有的直接连着s的节点表示为O = {O1, O2, O3,}。
从源出发的边为无限容量，其余边容量为c, 文中简化，c= 1. 这样的一个图G就是LFA图。
从 S出发的流定义为F = {F1， F2, F3}每个流定义为Fi = (i, fi, ri); 其中i表示index， fi表示流带宽,ri表示控制器转发给的节点。

控制器维持转发功能Rcon: F×Vin ->Vin U {d}.

C. LFA 博弈

源策略Ss(F, Rcon) = (a, F)定义一组流的转发功能，（a, F）代表源的下一步a ∈{add, remove}。
控制器策略Scon(Rcon, a, F) = U = {u1, u2, ……}，U就是一组更新。
注意当流被移除，控制器更新很简单，我们主要讨论添加新流。
theorem1. 存在策略Ss, 迫使控制器不得不执行流交换。

证明：如图2b， 我们认为m为流入d的链路数量，
m = 1策略简单，先讨论m= 2。
两个边流入d,分别额为 e1和e2，下面给一个例子。
如果source生成四个流
F1 = (1,0.35,o1), F2 = (2,0.35,o1), F3 = (3,0.45,o2),  F4 = (4,0.45,o2) 
有两种情况。
 a. 控制器可能按照顺序e1为0.35和0.45，e2也是，
 然后source生成一个新流F5 = （5， 0.3, o1）只能移动0.35和0.45.
 出现场景流交换。
b. 控制器分配e1为0.35和0.35， e2为0.45， 0.45，
source生成两个流F6,F7，带宽分别为0.2， 
将F6安排到e1后,需要交换0.35和0.45才可以分配F7.
出现场景流交换。
当m > 2, 我们先生成m-2个带宽为1的流，占据其他的链路，
问题降级为m=2.

理论1展示了2-swap，我们后边证明k-swap.

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**theorem2. 交换机存在策略，迫使控制器进行K交换。**

证明：如果m是偶数，source生成m个流带宽0.35， m个流带宽0.45， m个流带宽0.2, 每个链路都有一个0.35,0.45 和0.2 的流。
之后移除m个0.2带宽的流，添加m/2个带宽为0.3的流。
按照理论1， 每个0.3流都会造成一个2-swap, 整个网络就是一个m/2-swap.

如果m是奇数，source先生成带宽为1的流，之后按照上述偶数产生m-1/2-swap.

本文主要讨论m=2的部分。

D. inpact of flow swap

定义矩阵表示流的超出额度oversubscription。
通过理论证明表示：流交换不仅仅不可避免，而且对整个网络有较大的影响力。

III. design and implementation

A. protocol design

1. overview
   控制器设计一个执行时间发送给交换机，定义交换机执行命令的时间。
   time4需要控制器和交换机维持一个本地时钟，允许时间触发事件，本地时钟是同步的，我们可以使用现有的同步时钟，我们使用reversePTP.
2. openflow time extension
   我们提出一个扩展，该扩展允许openflow控制器向交换机发出命令规定执行时间。
   我们使用Bound（一组openflow 消息， 可以看做一个单独的操作），我们的time extention定义为scheduled Bundles(一组命令在一个指定的时间执行)。
   我们使用Bundle消息实现TIme4有两个优点：

• （1）不需要改变消息结构，增加time扩展。
• （2）scheduled bundle允许取消命令。

图5展示了scheduled bundle 消息流程。
（1）控制器发送bundle open 消息给交换机
（2）控制器发送add message ,每个add massage封装一条openflow message, 例如flow_mod。
（3）发送bundle close消息
（4）发送bundle commit消息，可选的带有一个执行时间Ts, 交换机将在预定的时间Ts执行命令。

bundle discard 消息 允许控制器不执行命令。bundle commit 消息发送之后，如果一个交换机发送error消息，控制器会发送discard消息给所有交换机，取消调度操作。

因此，当交换机收到bundle commit消息后后，交换机应该确定他是否有足够的资源执行这个命令。
同样定义了 bundle feature request消息，控制器询问交换机是否支持scheduled bundles.

3. clock synchronization:reversePTP
   原有的PTP是一个单节点向其他节点分发自己的时间，reversePTP是所有的节点向master分发自己的时间，即交换机向控制器发送自己的时间。控制器可以得到自己的时钟和每个交换机时钟之间的偏差，offset（i）假设执行时间为Ts, 那么交换机i 的指令中执行时间为Ts+offset(i).
   两个好处

• （1）控制器处理复杂算法，交换机只是发送自己的时间
• （2）控制器可以追踪每个时钟的状态，初始同步完成，控制器就会知道。

B. prototype design and implementation

如图7为系统架构，黑色部分是作者自己的实现。

• switch：交换机基于使用开源代码 CPQD opensoftswitch, 添加一个switch scheduling模块，当交换机收到控制器的scheduled bundle 消息，这个模块可以在预定的时间调度执行对应的指令，这个模块也可以处理收到的bundle feature request消息。

• 并且交换机跑着一个reversePTP master， 发送交换机时间给控制器。

• controller：控制器模块时间基于CPDQ DPCTL，这完全是个命令行工具，扩展DPCL 添加time extension 模块实现我们的需求。 新模块可以为bundle commit 指令定义一个执行时间，同样课发送bundle feature request消息。

• 并且控制器运行着reversePTP，收到来了交换机的n个实例，按照偏移量计算命令执行时间。

IV. EVALUATION

未完待续。。。

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注：本文介绍两篇论文：
【1】 T. Mizrahi and Y. Moses, “TIME4: Time for SDN,” technical report, arXiv preprint, 2016.
【2】Tal Mizrahi, Yoram Moses， “Software Defined Networks: It’s About Time”，IEEE INFOCOM 2016.

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