SDN/NFV/VXLAN技術在數據中心中的應用

張輝

【摘要】 隨著“互聯網+”、云計算以及大數據等業務應用的規模落地，以云計算、虛擬化等技術為基礎的各種規?；\營的云數據中心悄然崛起。如何在云數據中心內實現虛擬機的靈活遷移和在資源池內進行動態按需分配計算資源，實現高效的自動化供給與調配成為技術攻關的關鍵。SDN、NFV、VXLAN技術成為解決問題的關鍵技術。

【關鍵字】 SDN VXLAN NFV OverLay 資源池 云計算 大數據

一、項目的概述與背景

2015年李克強總理在國務院會議上明確提出，加快推進信息基礎設施建設，一方面可以拉動投資、促進穩增長，另一方面也可以發展“互聯網+”，推進大眾創業萬眾創新。

隨著“互聯網+”、云計算以及大數據等業務應用的規模落地，以云計算、虛擬化等技術為基礎的各種規?；\營的云數據中心悄然崛起。對于云數據中心而言，虛擬化是關鍵技術，除了服務器虛擬化外，網絡虛擬化的需求也在逐漸增加。然而，傳統的虛擬局域網（VLAN）技術已經不能滿足現在云數據中心規模化運營發展的需求，因此，各大IT廠商聯合推出了能夠滿足新需求的技術。

近年來，隨著“寬帶中國”戰略的實施，山西聯通加快第四代移動通信網絡的建設，已完成“全光城市”的建設、基本實現光纖到戶的覆蓋目標，未來互聯網網民規模和應用深度上都將實現進一步發展。山西聯通的IDC數據中心始建于2010年，經過多年的發展，已經初見規模。主要為互聯網客戶和政企客戶提供機房、機架出租，主機托管、主機租賃等業務，近年來在云計算、大數據技術的浪潮影響下，也在逐步探討計算、網絡資源虛擬化技術的研究和演進工作。

二、問題分析

問題一：

山西聯通從2012年開始研究部署云計算技術，并建設了業務云計算資源池，經過幾年的發展和優化，基本形成安全、可靠的云計算資源池體系。目前，在資源池上已經承載了包括地稅信息管理系統在內的多個應用平臺，隨著規模的不斷增大，業務需求的不斷疊加，網絡能力逐漸成為了資源池演進的瓶頸；網絡集中配置導致業務開通時間越來越長。

原因為：資源池網絡相關物理設備由維護人員直接管理、配置和維護，無法實現高效動態化。已經可以動態按需分配的計算資源會因物理網絡設備的限制而無法實現高效的自動化供給與調配。資源池內共享的網絡資源導致物理設備配置復雜，缺乏隔離手段。無法滿足多租戶環境下不同客戶對各類資源統一快速供給的需求。

因此，可嘗試通過網絡資源池化，將網絡資源封裝為類似計算、存儲的池化資源進行多租戶管理。為通過SDN網絡管理能力開放的方法解決。

問題二：

中國聯通已建立多個IDC機房，但是隨著業務的發展，現有局房、電源等物理資源無法滿足業務發展的需要，而隨著 “光進銅退”改造工作的快速完成，各省市騰退出大量的PSTN退網機房，這些機房亟需投入再利用，以充分盤活沉淀資產。兩方面的需求的結合點就是考慮將基礎條件好的PSTN退網機房改造為IDC機房，將基礎條件較差的機房改造為邊緣IDC機房。這些機房可以考慮部署云計算和虛擬化技術，建立統一的物理資源池和云資源池，進行統一運營和管理。邊緣DC組成的云需要一個跨DC的大二層網絡，以實現虛擬機跨DC的遷移和管理。當前主流二層網絡隔離技術為VLAN，在承載云業務部署時有二大限制：一是VLAN可用的數量為4K左右，不能滿足云數據中心的大規模部署需求；二是需要在二層網絡中進行VLAN的預配置，造成VLAN配置的濫用，影響VLAN廣播域的隔離，大量消耗網絡帶寬，降低網絡效率。

三、解決問題的技術介紹

傳統的數據中心組網技術難以解決以上問題，虛擬化網絡解決方案以OverLay（網絡疊加的虛擬化技術）、SDN、NFV三大最新技術為支撐，充分融合3種技術的優勢，將邏輯網絡和物理網絡解耦、控制平面和轉發平面分離、統一資源池化、進而在技術上使得多租戶安全隔離、集中精細化管理、網絡靈活自定義、虛機靈活遷移、資源隨需而動成為可能。

3.1 SDN技術

軟件定義網絡（Software-Defined-Network，SDN）是由美國斯坦福大學clean slate研究組提出的一種新型網絡創新架構，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離，以南北向開放接口為手段，從整網全局角度對異構網絡設備進行邏輯抽象形成統一的資源池，再進行靈活化、集中化、細粒度的控制調度是網絡虛擬化的一種實現方式，從而實現了網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能，從而使網絡更加靈活智能、彈性擴展、隨需而動。

SDN帶來的最大價值是節約成本、提高網絡性能、提升網絡效率，而集成的特性和安全性則是最大的挑戰。隨著開源時代的到來，選擇云數據中心的企業，有一半已經部署或正在部署SDN。目前金融行業行動最快，20%的企業已部署（或計劃部署）SDN，而電信和互聯網公司排在第二位，占比為12%，其次是政府、醫療和能源行業。

SDN可以控制OverLay網絡中的各種資源，并為應用提供接口。SDN控制器是一個開放的軟件平臺，提供可編程的用戶接口，使用標準接口協議作為網絡控制協議，實現對物理網絡和OverLay網絡的管理?？刂破鞅毕蜷_放多種接口，用戶可以基于開放接口開發并快速部署業務所需的應用，同時通過北向標準接口實現SDN控制器與多種云平臺對接；南向接口支持通過Openflow等協議，控制傳統網絡設備和虛擬網絡設備。

3.2 NFV技術

網絡功能虛擬化NFV（Network Functions Virtualization）通過廣泛采用的硬件承載各種各樣的網絡軟件功能，實現軟件的靈活加載，在數據中心、網絡節點和用戶端等各個位置靈活配置，NFV運行在服務器/虛擬機上，構建一個統一的網絡功能資源池，更為重要的是能夠與SDN控制器配合，構建形態豐富、按需可取的服務鏈資源池，做到業務部署的彈性伸縮、快速索取、自動化。

3.3 OverLay網絡中VXLAN技術

現階段，對于運營商已建有大量基礎網絡的前提下，SDN技術的實現方案為疊加網絡方案，實現思路是以現行的IP網絡為基礎，在其上建立疊加的邏輯網絡（OverLay Logical Network）用于屏蔽掉底層物理網絡的差異，資源的多租戶共享。實現網絡資源的虛擬化，使得多個邏輯上彼此隔離的網絡實現分區。最典型的技術是VXLAN技術，VXLAN技術利用現有通用的UDP傳輸，成熟性較高。

VXLAN在SDN環境下可以通過SDN控制器來實現VXLAN的IP和VID之間相關信息的對應，SDN可以作為ARP代答設備，這樣提高了VXLAN的靈活性和可擴展性，VXLAN技術在SDN環境下可以得到廣泛應用。對于不同VXLAN之間的虛擬機互通，由于云數據中心SDN控制器包含所有數據中心內的相關虛擬機信息，因此可以將SDN控制器作為VXLAN網關，不同云數據中心之間的SDN控制器通過相關路由協議交換相關虛擬機信息，從而實現不同VXLAN及同傳統網絡虛擬機之間的互通。

VXLAN是一種隧道封裝技術，能在三層網絡的基礎上建立二層網絡隧道，從而實現跨地域的二層互聯。數據中心內的虛擬機可以在物理位置分散的數據中心之間進行遷移，使得虛擬機的部署更加靈活；VXLAN數據包在標準第三層IP網絡上運行，不再需要構建和管理龐大的第二層基礎傳輸層。不需要對現有網絡進行改造；

VXLAN技術的協議通信模式如下圖：

VXLAN通過采用MAC IN UDP封裝來延伸二層網絡，實現物理網絡和虛擬網絡解耦，租戶可以按需規劃自己的虛擬網絡，不需要考慮物理網絡IP地址和廣播域的限制；減輕物理交換機MAC地址表壓力。

擴充了二層網段的數量，可以支持16M的VXLAN段的網絡隔離。滿足云數據中心海量多租戶分割需求。足以應付目前階段數據中心網絡隔離的需求。

VXLAN技術具備虛擬機感知。VTEP與虛擬機直接連接，可以感知到虛擬機的存在。可以針對虛擬機進行網絡流量控制，可實現鏈路負載均衡，對虛擬機透明。

VXLAN技術通過支持跨交換機和單元邊界的“擴展集群”，實現數據中心服務器與存儲利用率和靈活性的最大化。

四、業務應用

現階段SDN、NFV、VXLAN技術成為云數據中心不可缺少的技術，SDN、NFV技術將成為維護人員高效動態管理、配置和維護云計算資源池網絡相關設備的有效手段，同時可以動態按需分配的計算資源。滿足多租戶環境下不同客戶對各類資源統一快速供給的需求。

VXLAN技術可以有效滿足運營商IDC機房整合，組成的大二層網絡需求，以實現虛擬機跨DC的遷移和管理。具體的應用架構如下圖：

數據中心將建成以區域云資源池為目標的整體網絡架構，承載網絡層通過虛擬化形態提供，實現POP業務的規?；瘡椥宰詣硬渴穑喾N本地化增值業務融合在資源池中，根據業務情況實現資源承載業務的靈活分配和動態裝載 ，由SDN控制器， 提供資源池業務的統一管控和靈活自定義。

五、結論

隨著云業務的發展成熟和數據中心規模的不斷擴大，云數據中心結構必然會伴隨新技術的引入而長期處于演進與變化中，而在現階段出現了網絡服務由硬件設備向軟件設備擴展、規模負載有縱向擴展發展到橫向擴展的趨勢。在這一趨勢的實現過程中，少不了SDN、VXLAN等技術的引入，這些全新網絡技術本身尚未完善，還有很多需要改進的地方，必將經歷一個持續優化和逐步成熟的過程。隨著技術的逐步完善，VXLAN +SDN技術將會成為網絡虛擬化技術的關鍵技術。將得到廣泛的應用。