基于SDN的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探討

中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第一分公司 陳元謀 周麗娜

基于SDN的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探討

中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第一分公司 陳元謀 周麗娜

網(wǎng)絡(luò)作為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心重要的組成部分，決定著運(yùn)營(yíng)效果。本文首先介紹了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展對(duì)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迫切要求；其次對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)；最后針對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的不足，采用基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，該方案具有高度融合性，便于實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于后期云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有很高現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；SDN

引言

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心以其低成本、可伸縮、按需使用等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了受到業(yè)界的廣泛應(yīng)用，而虛擬化作為實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的主要技術(shù)，具有資源利用最大化、按需動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、易于管理、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)使得云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了制約云計(jì)算業(yè)務(wù)開(kāi)展的瓶頸所在，一方面數(shù)據(jù)中心流量從傳統(tǒng)的“南北流量”演變?yōu)椤皷|西流量”為主；另一方面共享的網(wǎng)絡(luò)資源上，需實(shí)現(xiàn)多租戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)安全隔離，靈活調(diào)度，動(dòng)態(tài)資源配置，差異服務(wù)保障、可控可管等；為了解決上述傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的不足，搭建一個(gè)高效、穩(wěn)定、可控的網(wǎng)絡(luò)成為了研究的熱點(diǎn)。

SDN（Software Define Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）以其轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，靈活的業(yè)務(wù)部署方式，集中式的全網(wǎng)管理模式，以及開(kāi)發(fā)的API接口，與云計(jì)算具有天然的融合優(yōu)勢(shì)。本文分析總結(jié)了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的解決方案的主要技術(shù)，并針對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于SDN的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)方案，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制、轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程化，該方案具有便于實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)部署靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)概述

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信需求。數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)主要滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心間同步、遠(yuǎn)程備份、跨站址遷移等通信需求。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的計(jì)算和存儲(chǔ)資源日益龐大，為了更好的服務(wù)于用戶(hù)，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的計(jì)算和存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)虛擬化，對(duì)底層硬件基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行抽象，形成資源池的概念，用戶(hù)可以按需使用、動(dòng)態(tài)分配、不用擔(dān)心物理計(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)享受無(wú)限量的資源。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是連接各種分布式資源和虛擬組件，并提供物理服務(wù)器的流量匯聚轉(zhuǎn)發(fā)，高效的VM遷移，容災(zāi)遠(yuǎn)程備份，以及龐大資源池的建立。此外，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)傳遞至用戶(hù)。盡管云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組件在逐步實(shí)現(xiàn)虛擬化，但連接這些組件的網(wǎng)絡(luò)卻未能實(shí)現(xiàn)虛擬化，這將造成云計(jì)算數(shù)據(jù)中心IT資源、組件通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的按需動(dòng)態(tài)分配，與靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的不匹配。這種不匹配將會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)維護(hù)操作造成威脅，最終導(dǎo)致服務(wù)水平下降，延緩業(yè)務(wù)計(jì)劃，以及IT運(yùn)營(yíng)成本加劇。

2 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化對(duì)于通信行業(yè)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)陌生的概念，現(xiàn)網(wǎng)中有大量的應(yīng)用實(shí)例，如：X.25、ATM、VLAN、VPN等。虛擬化在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,主要以VM形式，物理服務(wù)器上通過(guò)虛擬化平臺(tái)軟件產(chǎn)生多個(gè)VM實(shí)例，而這些VM通常屬于多個(gè)租戶(hù)，共享計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)接口（NIC）。

2.1 網(wǎng)卡虛擬化

為了保障VM與外部網(wǎng)絡(luò)交互，不同租戶(hù)VM的業(yè)務(wù)感知與標(biāo)識(shí)，采用的技術(shù)主要有：VM虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器（vNIC）感知、基于網(wǎng)卡的SR-IOV（單根I/O虛擬化）、基于交換機(jī)的VEPA（虛擬以太網(wǎng)端口）。

基于虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器（vNIC）感知，VM擁有自己的vNIC，該方式具有數(shù)據(jù)報(bào)文透明傳輸，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單。基于網(wǎng)卡的SR-IOV，借助支持SR-IOV特性的物理網(wǎng)卡方式，與物理網(wǎng)卡之間建立多個(gè)獨(dú)立的邏輯通道，該方式通常與網(wǎng)卡綁定，具有更好的轉(zhuǎn)發(fā)性能和業(yè)務(wù)感知。基于交換機(jī)的VEPA，將VM報(bào)文直接轉(zhuǎn)發(fā)到接入交換機(jī)，交換機(jī)負(fù)責(zé)查表轉(zhuǎn)發(fā)。該方式釋放了服務(wù)器資源，提高了VM間幀轉(zhuǎn)發(fā)的可視化和業(yè)務(wù)感知能力，清晰界定了網(wǎng)絡(luò)與IT維護(hù)團(tuán)隊(duì)間維護(hù)界面。

2.2 二層虛擬網(wǎng)絡(luò)

二層虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在物理網(wǎng)絡(luò)上封裝二層邏輯網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)采用隧道機(jī)制，使用某種形式的租戶(hù)標(biāo)識(shí)字符，把隧道收到的分組解析到正確的網(wǎng)橋，在VM之間建立二層虛擬網(wǎng)絡(luò)。如VLAN、VXLAN、NVGRE、STT等。

2.3 三層虛擬網(wǎng)絡(luò)

與二層虛擬網(wǎng)絡(luò)不同的是，在VM間建立邏輯的三層鄰接網(wǎng)絡(luò)。主要技術(shù)有：L2/L3 MPLS,OTV,TRILL,LISP,EVPN, MPLS-TP，IPSec等。

2.4 小結(jié)

虛擬化作為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)所在，實(shí)現(xiàn)了VM業(yè)務(wù)的感知，承載網(wǎng)絡(luò)的邏輯隔離，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)承載的安全性和靈活性。但現(xiàn)有虛擬網(wǎng)絡(luò)也有其局限性：虛擬網(wǎng)絡(luò)通常由網(wǎng)絡(luò)管理人員創(chuàng)建，采用現(xiàn)有較為成熟的協(xié)議，不利于新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和部署；同時(shí)對(duì)于頻繁遷移、變更的VM網(wǎng)絡(luò)，難以快速、有效的搭建新的虛擬網(wǎng)絡(luò)，并提供高質(zhì)量的流量控制、Qos等服務(wù)。

3 基于SDN的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

3.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）

SDN首先被斯坦福大學(xué)研究人員提出，其目的在于搭建一張以測(cè)試新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議的準(zhǔn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。SDN具有三個(gè)核心理念：轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、開(kāi)放的應(yīng)用程序接口（API）、集中的流表控制；其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SDN架構(gòu)圖

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，層與層之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口互聯(lián)，通過(guò)統(tǒng)一的控制層抽象底層網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性。控制層通過(guò)開(kāi)放的北向應(yīng)用程序接口（API）與應(yīng)用層對(duì)接，提供網(wǎng)絡(luò)控制的友好操作界面，易于客戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)集中控制；控制器根據(jù)用戶(hù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的操控需求，通過(guò)南向接口，向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層的交換機(jī)/路由器下發(fā)流表項(xiàng)，其南向接口應(yīng)用較為多的協(xié)議為OpenFlow。轉(zhuǎn)發(fā)層的設(shè)備根據(jù)下發(fā)的流表項(xiàng)，執(zhí)行數(shù)據(jù)報(bào)文的查找和轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的虛擬化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物理服務(wù)器資源（存儲(chǔ)、內(nèi)容、處理器、網(wǎng)絡(luò)）的虛擬化，虛擬化資源（VM、虛擬存儲(chǔ)、vSwitch）的管理主要通過(guò)軟件的形式。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的管理、配置主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理人員進(jìn)行。這使得服務(wù)器虛擬化資源的動(dòng)態(tài)變化（VM的建立、刪除、遷移等）可以實(shí)時(shí)的通過(guò)軟件自動(dòng)配置，而網(wǎng)絡(luò)由于存在物理交換機(jī)、vSwitch等組件，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)資源配置，及整網(wǎng)流表的一致性難于保障。

SDN（Software Define Network,軟件定義網(wǎng)絡(luò)）以其轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，靈活的業(yè)務(wù)部署方式，集中式的全網(wǎng)管理模式，以及開(kāi)發(fā)的API接口，與云計(jì)算具有天然的融合優(yōu)勢(shì)。其SDN在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心內(nèi)的部署如圖2所示。

圖2 基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方案

如圖2所示，應(yīng)用層程序由于無(wú)需感知業(yè)務(wù)歸屬，僅需要統(tǒng)一的API接口與云計(jì)算控制進(jìn)行信息交互；在控制層實(shí)現(xiàn)云計(jì)算控制和SDN控制的分離，相互之間通過(guò)開(kāi)放的API接口進(jìn)行信息的傳遞，該方案可以很好兼容現(xiàn)有云計(jì)算平臺(tái)，保障SDN和云計(jì)算技術(shù)的平行演進(jìn)。SDN將集中控制云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)（物理、虛擬網(wǎng)絡(luò)、及相關(guān)組件），實(shí)現(xiàn)物理服務(wù)器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（云計(jì)算平臺(tái)控制部分）與服務(wù)器間網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化的高度一致，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)靈活性和高效性。

4 結(jié)論

本文主要探討了SDN在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可擴(kuò)展性和可靠性，同時(shí)保障了網(wǎng)絡(luò)的可控可管。對(duì)于一個(gè)電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，具備上述特性還不足夠，下一步將針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性等問(wèn)題進(jìn)行研究。

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