Transparent Flow Migration for NFV

摘要

因为SDN提供的灵活性，NF之间存在着流量的迁入和迁出问题。而且NF也要根据相关的状态信息处理数据包，所以流量迁移必须满足以下两点要求：

保持数据包和状态的迁移顺序，必须获取状态才能处理数据包。
想都不用想，这点一定是低开销、低时延～

目前现有的流量迁移架构，把流量迁移和状态迁移耦合在一起，这种架构不能实现安全、高效、低开销的迁移。
于是本篇论文提出了一个流量迁移架构，叫TFM（Transparent Flow Migration ），显然，TFM和以往的架构相反，解藕流量迁移和状态迁移，这样的好处是可以对两个过程分别的进行优化，并且实现两个过程的并行处理。
TFM通过TFM box实现了一系列的优化，TFM box是一个中间层，它可以提供NF之间透明的数据包迁移。

INTRODUCTION

Background and Motivation

流量迁入迁出的目的是为了节约资源、规避SLA惩罚、负载均衡。
NF对流量的处理往往依赖于状态，在迁移后如果没有相应的状态信息，将很难重新对某条流量起到路由作用。
流量迁移的几种方法：

待源NF处理完所有in-flows，然后把新来的流量全部转移到目标NF。
缺点：时间未知性，根本就无法预知当前处理的in-flow何时结束。举个例子：当一个NF已经过载并无法满足SLA，这时候还要它处理完剩余的in-flows，这显然是不合理的。而且即将被迁入NF也要等待它处理完剩余的in-flows，造成了资源的浪费。
立刻迁移，为了满足NF的带状态处理，数据包迁移要伴随着状态迁移一起进行。
缺点：由于流量是源源不断的流入NF，这种方式比较害怕目标NF没有开启的情况。

流量迁移目前存在的问题

如何协调状态迁移和数据包迁移，并确保状态一致性，同时提高效率和最小化开销。

设计一个合理的流量迁移架构必须满足以下要求

状态一致性：迁移前后源NF和目标NF状态保持一致。
保证安全性：无损，保序。
高效率迁移：限的时间内完成，以减少迁移对控制和数据平面的影响。
实现低开销：不用说我们都懂。

Summary and Limitations of Prior Art

现有的流量迁移架构有两个：Split/Merge和OpenNF。（状态迁移和数据包迁移耦合）

共同点：
通过一个中央控制器缓存状态迁移过程中到来的数据包，这样不会丢包，也不会丢失状态信息。等待状态迁移结束之后，把缓存的数据包发送给目标NF。但需要中央控制器拥有足够多的缓冲资源。
差异点：
两种方法的区别在于in-transit数据包处理（in-transit数据包：实例A迁移到实例B当，实例A开始迁移的时候它还有一些数据报等待处理或者正在发往目标NF的路上，但是不会被A处理因为迁移开始了）
- Split/Merge：直接丢弃in-transit数据包，
- OpenNF：将in-transit数据包重定向到控制器，然后交给目的NF（三角形路由），但是这种操作可能会引起额外的迁移时间。

以往方法把状态迁移和数据包迁移耦合在一起（按照顺序执行），虽然实现了状态的一致性，但是存在着以下两个问题：

额外的时间：因为在状态迁移的过程中到达的数据包无法得到处理，增加了它们的处理时延。
更重要的问题是，执行迁出操作时不能保证安全性（不丢包、保持包的顺序）。这是因为已经超载的源NF在状态迁移完毕之前必须继续处理进入的数据包。这样会造成很高的丢包率。而且超载的源NF还加剧了包处理线程和状态迁移线程之间的锁争用，这也会增加额外的时间开销。

TFM

TFM把状态迁移和数据包迁移解耦，这样带来的好处是：

二者可以并行，状态迁移时同时完成两件事情：
- 告诉switch立刻把要迁移的流量转移到目标NF。
- 告诉源NF立刻开始向目标NF传输状态。
不必等待状态迁移完毕结束，就可以提前转移数据包，避免“三角形路由”，节约了时间和空间。

实现TFM的三个技术挑战：

解决带状态的数据包处理问题：
根据TFM的做法，状态迁移开始时，所有的数据流立刻转向到目标NF。那么这就要求源NF和目的NF用对应的状态信息来处理对应的数据包。如何区分状态迁移前的数据包和状态迁移后的数据包
解决方案：
打标签，通过标签来标记迁移前数据包和迁移后数据包，首先处理迁移前数据包，接着处理迁移后数据包。
保持状态迁移的透明性：
处理被状态迁移所影响的数据包，最简单的方法就是将它们转移到目标NF并进行缓存，但是这需要NF具备相应的功能，但是增加这些功能会影响NF的性能。
解决方案：
加入一个TFM box（数据包处理单元）来实现这些功能。（缓存、区分数据包、协调状态迁移的过程），TFM box在那些被迁移的流量到达NF之前，直接把它们处理掉，也就是说TFM box是被专门用来处理迁移流量的，这对源NF和目标NF来说是透明的。
最小化迁移开销：
各个TFM box之间交换状态信息，需要额外的开销（生成携带控制信息的数据包，通过三角形路由的形式传递）。
解决方案：
通过流量来携带控制信息，在数据平面范围内解决这个问题。

DESIGN OVERVIEW

Transparent Flow Migration for NFV-LMLPHP

TFM Controller：提供北向接口，以及Flow Migration Orchestrator。
Flow Migration Orchestrator：由State Manager、Flow Manager、Forwarding Manager组成，提供状态迁移期间的：状态迁移（State Manager）、数据包迁移（Flow Manager）以及流量转向功能（Forwarding Manager）。
State Manager：依靠现有的南向API工作。
Flow Manager：管理TFM box。
TFM box：在状态迁移期间，为被迁移的流量提供数据包缓存，和处理。
Forwarding Manager：调用SDN控制器，在状态迁移开始时，更改流表项，迅速的把要迁移的流量导向到目标NF。

总体功能细化分成三部分可以增加TFM的灵活性，三者间相互独立，改变一个并不会影响其他两个：