基于OpenStack的SDN相關技術研究

任晶晶,戴錦友,劉瓊,戴非(1.武漢郵電科學研究院,武漢 40074; 2.武漢烽火網絡有限責任公司,武漢 40074; .江西師范大學,南昌 0022)

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基于OpenStack的SDN相關技術研究

任晶晶1,2,戴錦友1,2,劉瓊1,2,戴非3
(1.武漢郵電科學研究院,武漢 430074; 2.武漢烽火網絡有限責任公司,武漢 430074; 3.江西師范大學,南昌 330022)

摘要:隨著云計算平臺的高速發展,傳統的網絡架構已經不能滿足需求,基于SDN(軟件定義網絡)技術實現數據平面的集中控制已經成為當前網絡技術的演進趨勢。文章在簡要介紹OpenFlow、OpenStack等技術的基礎上,實現了OpenFlow交換機的設計;同時,建立了一個基于OpenStack的IaaS云管理平臺,進一步融合了SDN和云計算的優勢,提出了一種在云計算平臺下模擬SDN的方法。該方法能模擬實際的SDN,并利用模擬的網絡評估網絡性能,從而優化設計,降低SDN規劃和建設的投入。

關鍵詞:OpenFlow協議;OpenStack軟件;軟件定義網絡

0　引 言

隨著互聯網業務的蓬勃發展,基于IP的簡潔網絡架構日益臃腫且越來越無法滿足高效、靈活的業務承載需求,為了增強網絡的靈活配置和可編程能力,SDN(軟件定義網絡)應運而生。

SDN采用與傳統網絡截然不同的控制架構,將網絡控制平面和轉發平面分離,采用集中控制替代原有分布式控制,并通過開放和可編程接口實現“軟件定義”。與傳統的網絡架構相比,采用SDN架構后,網絡底層只負責數據轉發,可以由廉價、通用的商用設備構成,上層負責集中的控制功能,由獨立的軟件系統構成,網絡設備的種類與功能由上層軟件決定,通過遠程自助配置實現部署和運行,并提供所需的網絡功能、參數以及業務。因此,SDN技術的引入勢必會對傳統電信網絡的架構演進帶來顛覆性的影響。

1　OpenFlow、OpenStack原理分析

1.1OpenFlow原理及架構

嚴格來說,Open Flow是SDN控制平面與數據平面之間的多種通信協議之一,但由于OpenFlow具有良好的靈活性和規范性,因此已被看作SDN事實上的標準[1]。

在傳統的IP網絡中,數據包是根據交換機、路由器中的轉發表和路由表進行轉發的。而在Open-Flow交換機中,轉發功能是由流表實現的。交換機只需查詢流表匹配流表項就可完成數據包的轉發。流表項主要由匹配字段、優先級、計數器、指令、超時時間、Cookie和標志組成。匹配字段用于數據包的匹配,如果匹配,則需要執行流表項中包含的指令;優先級字段表示在流表沖突時,流表項的執行順序,匹配字段和優先級字段共同定義了一個唯一的流表項;計數器用來統計數據流的基本數據[2]。Op e n-Flow交換機處理包的流程如圖1所示。

圖1　OpenFlow交換機基本工作流程

1.2OpenStack簡介

OpenStack是由NASA(美國國家航空航天局) 和Rackspace合作研制的云計算管理軟件,是一款完全開放源代碼的項目和自由軟件。OpenStack提供了關于IaaS(基礎設施即服務)的解決方案,是一個可以管理整個數據中心里大量資源池的云操作系統,包括計算、存儲及網絡資源。管理員可以通過管理臺管理整個系統,并可以通過Web(萬維網)接口為用戶劃定資源[3]。

OpenStack云平臺最初是由六大核心項目共同運行為用戶提供服務,隨著其功能的不斷擴展,越來越多的不同服務組件添加與更新進該平臺。Open-Stack中各組件的關系如圖2所示。

圖2　OpenStack中各組件的關系

由圖可知,OpenStack中每個組件都要通過Keystone(認證)組件進行身份認證,Dashboard(控制面板)組件為云服務提供可視化的UI(用戶接口)界面,Nova(計算)組件負責創建虛擬機,Glance(鏡像)組件為虛擬機提供鏡像功能,Cinder(塊存儲)組件和Swift(對象存儲)組件分別為虛擬機提供塊存儲和對象存儲功能,Neutron(網絡)組件負責為虛擬機創建虛擬網絡和虛擬端口。

除了上述核心組件,還有完成組件間通信任務的數據庫服務和消息隊列服務。數據庫服務為各個組件提供了信息存儲服務,消息隊列服務為各個Nova組件之間的消息分發提供依據。

OpenStack的每個模塊之間是無關聯的,它們既可以組合在一起聯合工作,提供完整的云基礎架構服務,又可以獨立工作,分別提供虛擬化、云存儲和鏡像服務。此外,模塊化的設計使開發者更容易對OpenStack進行二次開發。

2　SDN集成環境設計

2.1OpenStack部署

本實驗采用Virtualbox作為虛擬化平臺,操作系統采用Linux發行版Cent OS 6.5 x86_64,Open-Stack版本為Icehouse。

為了更好地展現OpenStack分布式部署的特點,本實驗采用多節點分開部署的模式。如圖3所示,整個私有云平臺由控制節點、計算節點和網絡節點組成,其中,控制節點是整個系統的核心環節,主要負責監控、協調和管理整個系統,用戶可以通過在控制節點部署各個組件來進行各種命令操作;計算節點主要負責具體的計算運行工作;網絡節點通過選擇合適的插件完成虛擬網絡、虛擬端口的創建。

圖3　OpenStack部署架構

實驗中,云平臺的各個節點均位于同一局域網內,所以局域網內任何一臺物理機均可以直接訪問或使用OpenStack系統所提供的云計算資源。另外,為了使云平臺更加安全,Nova提供了一種使虛擬化實例和外網隔離的網絡方案,為虛擬化實例構建一個與外網隔離的私有網絡,即192.168.4.0/24這個網段,此網段只提供虛擬化實例間的互相訪問,虛擬化實例通過一個內網交換機來通信。同時,為了方便虛擬化實例與外網的通信,還準備了一個浮動IP地址段(172.16.0.0/24)。因此每個虛擬化實例都會得到兩個IP地址,一個是供虛擬網絡內部通信的私有IP地址,另一個是虛擬化實例與外網通信的浮動IP地址。

2.2OpenFlow交換機程序的實現

Open Flow交換機與控制器通信的流程圖如圖4所示。首先交換機需要與控制器建立OpenFlow信道,以確保二者之間的可靠連接。建立Open-Flow信道時需要經過一系列的消息交互,出錯則需要關閉Socket,重新建立連接。Open Flow信道建立完畢后,交換機程序就進入了狀態機的切換,狀態機是為了更好地管理Open Flow信道,在任何一個狀態機下出錯都會關閉Socket并重新建立連接,程序的結束只能通過在command界面輸入“quit”命令來實現。

圖4　OpenFlow交換機工作流程

流表是Open Flow協議中一個非常重要的數據結構,數據轉發的匹配規則和轉發指令都包含在流表當中,因此流表的設計是OpenFlow交換機代碼編譯的一個重點。相比于Open Flow 1.0版本而言,OpenFlow 1.3中流表從最初的單表結構變為多表結構,匹配字段也從最初的十元組擴展到現在的40個匹配字段,這樣無疑擴展了SDN平面的轉發功能和靈活性,但同時也加大了流表表項設計的難度[4]。流表表項的實現程序如下:

按照標準的OpenFlow 1.3協議,表項中匹配字段和指令這兩項是不定長的。但程序將這兩個字段設計成定長,雖然會浪費一定的存儲空間,但提高了程序的執行效率。由于本實驗規模不大,所以這樣的設計是可行的。OpenFlow 1.3規定了40個匹配字段,所以表項結構中定義了一個64比特的match_flags和match_mask_flags來標識每個匹配字段是否存在以及每個匹配字段是否使用了掩碼。

2.3OpenStack云計算平臺下的SDN架構

OpenStack通過Neutron組件提供虛擬網絡功能。如圖5所示,網絡服務器進程用來提供暴露的API(應用程序編程接口),供Neutron Plugin(網絡插件)調用,完成特定功能。Plugin(插件)是為了屏蔽底層網絡而實現的一層封裝,它需要用一個數據庫來存儲當前邏輯網絡的配置信息以及邏輯網絡與物理網絡的對應關系[4]。目前有很多方式來實現Neutron的Plugin,但使用最多的還是Open vS-witch(虛擬交換機)。

圖5　OpenStack云計算平臺下的SDN架構

通過OpenStack創建若干虛擬機,一部分虛擬機可作為SDN控制器,另一部分虛擬機可作為SDN轉發設備,這樣就在OpenStack的架構下模擬了SDN。通過評估網絡的功能和性能,優化設計,可降低SDN前期規劃和建設的投入。

3　驗證與測試

3.1OpenStack組件安裝和虛擬機創建實例

參照OpenStack官方安裝手冊,依次安裝了Keystone、Glance、Nova、Neutron和Dashboard等組件。在瀏覽器中輸入10.20.0.10/dashboard可以進入Dashboard登陸界面。以一般用戶的身份登陸,創建虛擬機實例,為虛擬機實例創建網絡、接口和映像,創建路由器使其與外網連接。圖6所示為OpenStack創建的虛擬網絡拓撲。

圖6　虛擬網絡拓撲

3.2OpenFlow交換機與Floodlight建立連接

在交換機端輸入控制器IP和端口號之后,與控制器建立Socket連接,交換了若干消息之后,控制器會向交換機中的每個流表中增加一個缺省的流表項,在控制器端可以看到交換機流表和端口等資源。

3.3交換機添加流表項

采用curl工具可以通過命令行的方式配置交換機中的流表項。下面測試向交換機中添加流表項的功能。

在命令提示符中輸入添加流表項命令:

在控制器端或者在交換機的command里輸入tables命令都可以查詢交換機流表狀態。

4　結束語

SDN技術是一項全局性、顛覆性的網絡變革技術,它采用IT技術的模式來改造傳統的“封閉”網絡,為網絡發展帶來新的機遇。本文在分析Open-Flow原理及架構的基礎上,完成了OpenFlow交換機代碼的編寫,并在此基礎上提出了一種在Open-Stack搭建的云計算平臺下模擬SDN的方案。該方案能模擬實際的SDN,并利用OpenStack技術靈活配置網絡架構,從而優化設計,降低SDN前期部署的投入。

參考文獻:

[1] OPEN NETWORKING FOUNDATION.OpenFlow Switch Specification. Version 1.3.3 [DB/OL]. (2013-09-27)[2015-06-08].https://www.opennetworking.org/technical-communities/areas/specification.

[2] 趙少卡,李立耀,凌曉,等.基于OpenStack的清華云平臺構建與調度方案設計[J].計算機應用,2013, (12):3335-3338,3349.

[3] 李小寧,李磊,金蓮文,等.基于OpenStack構建私有云計算平臺[J].電信科學,2012,28(09):1-8.

[4] 左青云,陳鳴,趙廣松,等.基于OpenFlow的SDN技術研究[J].軟件學報,2013,24(05):1078-1097.

光纖光纜技術與應用

Research on OpenStack-Based SDN-Related Technologies

REN Jing-jing1,2,DAI Jin-you1,2,LIU Qiong1,2,DAI Fei3

(1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications,Wuhan 430074,China
2.Wuhan Fiber Home Networks Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China;
3.Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

Abstract:With the rapid development of cloud computing platform,the traditional network architecture can not meet our demands.The centralized control of data planes realized by the Software Defined Network(SDN)-based technology has become the evolution trend of the current network technologies.This paper first briefly introduces the design of the OpenFlow switch on the basis of such technologies as OpenFlow and OpenStack and the building of an OpenStack-based IaaS cloud management platform which further converges the advantages of SDN and cloud computing.Then,it presents a method of SDN simulation on the cloud computing platform,which can simulate the actual SDN and use the simulated network toevaluate the network performance,thus optimizing the design and reducing the input for SDN planning and construction.

Key words:OpenFlow protocol;OpenStack software;SDN

中圖分類號:TN919.2

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0011-04

收稿日期:2015-07-02

作者簡介:任晶晶(1992-),女,湖北武漢人。碩士研究生,主要研究方向為通信與信息系統。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.004