物联网网络中集中式与分布式SDN环境的比较分析

论文标题：Comparative Analysis of Centralized and Distributed SDN Environments for IoT Networks 中文标题：物联网网络中集中式与分布式SDN环境的比较分析

作者信息：

• Khirota G. Yalda, Diyar J. Hamad, Nicolae Tapus
• 罗马尼亚布加勒斯特国立科技大学 POLITEHNICA 自动控制与计算机科学学院
• 伊拉克埃尔比勒理工大学 IT 系，埃尔比勒，库尔德斯坦地区

论文出处：CEAI, Vol.26, No. 3, pp. 84-91, 2024 Printed in Romania

摘要： 本文探讨了物联网(IoT)网络环境中集中式与分布式软件定义网络(SDN)架构的性能比较。通过使用mininet-wifi进行网络仿真、Floodlight作为SDN控制器、Iperf用于性能指标评估，以及MQTT协议用于IoT设备通信，系统地分析了总线、网状和树状三种不同的网络拓扑结构。所有实验都在50Mb的一致流量负载下进行，以评估网络的鲁棒性。分布式网络采用了通过Docker容器管理的双控制器配置，而集中式网络则采用了单控制器设置。性能指标，如延迟、吞吐量、抖动和控制器资源消耗（CPU和内存）被详细记录。结果表明，集中式和分布式方法之间存在细微的差异，分布式配置通常显示出更好的容错能力和恢复能力，以及降低的控制器CPU使用率。研究强调了分布式SDN控制器在提高IoT网络的弹性和冗余性方面的潜力，为未来IoT基础设施的发展提供了一种可扩展的解决方案。研究结果为设计强大、高效和可扩展的SDN环境提供了关键见解，以适应不断增长的IoT领域。

1. 引言： 软件定义网络（SDN）代表了网络管理、操作和配置方式的转变。通过将网络控制平面与数据平面解耦，SDN为网络资源提供了前所未有的可编程性、灵活性和控制能力，这在物联网（IoT）的新兴领域中非常有价值。在IoT中，众多连接的设备和传感器相互通信，并与中央服务通信，需要适应性强和可扩展的网络。在SDN环境中，网络架构可以大致分为集中式或分布式。

2. 相关工作： SDN和IoT的结合引起了学术界和工业界的极大兴趣，产生了大量文献，探讨了这一交叉点的协同效应和创新。认识到传统网络架构不适合现代IoT场景的需求，网络必须高度灵活、可扩展和响应迅速。随着网络的增长，SDN提供了灵活性，但可扩展性仍然是一个挑战。

3. 比较研究方法和设置： 本研究的方法是经过精心计划的，目的是在IoT网络环境中实证评估和详细审查集中式和分布式SDN框架的性能。实验设计采用了仿真策略，促进了受控和可重复的测试环境，以获得可以转移到实际IoT网络基础设施的见解。

4. 比较性能结果： 在配置了六种拓扑结构之后，我们开始了对网络性能的全面分析。我们测量并比较了延迟、抖动、吞吐量、控制器CPU利用率和内存使用等指标，以确定集中式和分布式SDN环境之间的操作差异。

5. 性能分析： 研究结果提供了在IoT环境中集中式与分布式SDN架构的全面比较。分析揭示了分布式SDN架构在容错和网络恢复方面的优势，这是IoT网络的关键属性，因为服务连续性至关重要。

1. 延迟（Latency）:

   • 分布式SDN架构在总线和树状拓扑中通常提供比集中式架构更低的延迟。
   • 在网状拓扑中，两种架构的延迟相似。

2. 吞吐量（Throughput）:

   • 分布式网络在总线拓扑中显示出与集中式网络相当的吞吐量。
   • 在网状拓扑中，分布式网络的吞吐量略优于集中式网络。
   • 在树状拓扑中，分布式网络的吞吐量明显优于集中式网络。

3. 抖动（Jitter）:

   • 在所有拓扑中，两种架构的抖动相似，没有显著差异。

4. 控制器资源消耗（CPU和内存）:

   • 分布式网络在总线和网状拓扑中通常使用更少的CPU资源。
   • 在树状拓扑中，两种网络的CPU使用情况相似。
   • 内存使用方面，两种架构在总线和网状拓扑中表现相似，分布式网络在树状拓扑中需要的内存更少。

5. 容错和恢复能力:

   • 分布式SDN架构在模拟的交换机故障中显示出更快的故障恢复时间和更好的容错能力。
   • 多控制器冗余能够在一个控制器失败时迅速接管，减少服务中断。

6. 冗余:

   • 分布式SDN架构通过在网络拓扑中实施双Floodlight控制器来增加冗余，提高了网络的整体弹性。
   • 冗余有助于在面临模拟控制器故障时保持网络操作的完整性和性能。

7. 网络设计考虑:

   • 分布式SDN架构由于其内置的冗余，适合于需要高可用性和弹性的复杂IoT网络。
   • 虽然管理复杂性和部署多个控制器的潜在成本需要权衡，但研究中强调的好处为采用分布式SDN提供了有力的理由。

8. 拓扑性能考虑:

   • 网络设计者和运营商应考虑为要求高可用性、弹性和有效资源利用的IoT应用采用具有内置冗余的分布式SDN架构。

6. 结论： 本研究对物联网环境中集中式与分布式SDN架构的有效性进行了详细调查，考虑了各种网络拓扑结构。通过广泛的模拟，研究揭示了每种架构框架提供的性能细微差别和战略优势。分析表明，分布式SDN架构在容错和网络恢复方面表现出优越性，这是IoT网络的关键属性，因为服务连续性至关重要。