SDN技術下的數據中心基礎網絡構建

文杰斌

摘要

本文對軟件定義網絡技術下的數據中心基礎網絡建設進行研究分析，彌補了云計算在虛擬化上的不足，讓數據存儲、虛擬網絡得到整合，真正意義上實現了資源的自動化分配，快速排出網絡故障，降低維護成本。

【關鍵詞】SDN技術 數據中心 基礎網絡 構建

大量的計算、信息等通過通信網絡發往數據中心進行處理，數據中心向客戶提供多樣化的數據和不同的服務，為了增強處理能力，需要更加靈活的網絡控制。

軟件定義網絡（SDN）是一種新興技術，讓網絡控制同轉發分離，通過控制功能遷移、轉發平面同控制平面相分離，網絡成為一個虛擬實體，可以被看作是類似邏輯設備的基礎架構。軟件定義網絡可以將轉發抽象化，為網絡控制提供開放性的接口，使控制平面調用控制接口實現更加靈活的資源調度。

云數據中心對資源的管理和交付是非常關注的，在實現規模化管理和資本集約化的同時，也存在著多種問題。對大型網絡的管理容易出現紕漏。大型數據中心中管理的設備較多，往往是成千上萬臺，很容易因為一個小故障而影響到對數據的管控。很多大型數據中心50%～80%的出錯都是因為人為操作失誤所引起。因此，需要做好對數據中心自主配置和管理的要求。硬件限制比較嚴重。由于服務器同資源綁定，資源管理時會受到硬件資源的限制，也給資源的管理增添了復雜性。當虛擬技術使用后，能夠輕松對虛擬機的位置進行部署，還可以在運行時遷移。現實網絡對資源的利用率較低，虛擬機也無法快速同網絡實現協同。基于軟件定義網絡的數據中心建設，可以彌補云計算在虛擬化方面的不足，讓整個網絡、存儲等得到整合，讓資源得到快速調度，有效解決網絡故障，為用戶提供新的體驗。

1 SDN技術應用于數據中心網絡的作用

在網絡中采用云計算，能夠讓資源得到集中分配，需要網絡有更強的計算、存儲、調度功能。虛擬化技術可以讓物理設備轉變為資源池，資源被虛擬化，實現按需求分配，資源的調度更加靈活、方便。其中存儲虛擬化比較成熟，能夠為網絡提供成熟的平臺，讓資源部署和調度更加合理。只是數據中心需要網絡的支持，將虛擬機連入到網絡中，相互之間也不會出現干擾。數據中心的網絡需要經過隔離，形成多個虛擬網絡，這些虛擬網絡可以讓用戶獨自使用，給網絡的使用提高安全。現在的網絡技術，人們可以使用在交換機上配置的VLAN強力技術，能夠更加安全。但這種網絡技術的容量受限，不能超過4096個。對于虛擬機的申請和遷移都存在動態性，讓虛擬機的的網絡配置也存在著動態性，如果需要頻繁修改網絡配置，這將影響網絡管理的可靠性。對于數據的管理，希望能夠讓虛擬機、存儲系統、網絡三者形成無縫集成，虛擬機的構建符合網絡配置，也能根據網絡配置進行遷移。而理想的數據中心應該是網絡拓撲形式，讓網絡得到最優化使用。

軟件定義網絡技術在數據中心中的應用，可以實現網絡資源的虛擬化，讓資源的調度擺脫網絡的束縛。軟件定義網絡利用數據抽象轉發模式，將轉發過程抽象為流表，控制面的設備是網絡操作系統，利用Open Flow或其他協議對SDN轉發設備進行控制。SDN的主要關注點不是交換機體系結構，是網絡控制器。通過構建集中式的網絡控制器，可以對全網絡視圖，信息也更加豐富，實現數據中心下分布式網絡控制的一些新功能。網絡控制器可以實現對交換機轉發的控制，能直接讀取交換機上的轉發表。網絡控制器并不能直接控制SDN轉發設備上的功能模塊，只能通過交換機的轉發表來控制交換機，這是SDN采取數據抽象的主要因素。由于SDN轉發設備本身并不具備智能，需要根據流表進行流量轉發，流表中含有相應的規則和行為，指揮轉發設備如何轉發數據流。轉發設備也能夠將一些沒有配備的數據分組、端口激活等轉發給網絡操作系統，讓網絡操作系統進行決策。在數據中心中引入SDN，可以讓數據中心網絡實現可編程性，為虛擬機遷移、流量優化、增加用戶提供了可能性。

2 SDN技術構建數據中心基礎網絡

在數據中心網絡中使用SDN技術，可以讓網絡中的計算和存儲資源的到合理分配和調度，同時為上層應用提供相應的接口，開發出新的業務。

2.1 SDN技術構建數據中心網絡的基本架構

基于SDN技術構建的數據中心架構包含三個部分，分別是VDC Manager、VMManager、SDN NOS。架構如圖1所示。

VDC Manager是虛擬數據中心管理器，主要功能是實現對多租戶數據中心業務邏輯的整合。在控制計算、存儲、網絡資源時，VDC Manager同VM Manager和SDN NOS接口相統一，可以讓資源得到同步調度。VDCManager中保存著用戶虛擬機和網絡相匹配的信息，讓用戶能夠看到自己的虛擬網絡，同時按照自己的意愿對虛擬網絡進行管理，各用戶間不會發生干擾。用戶對虛擬機和虛擬網絡的操作在VDC Manager中被轉化為對VMManager和SDN NOS的調用。VM Manager是虛擬機管理器，主要對計算資源和存儲資源進行管理，對于虛擬機的創建和遷移上報給VDC Manager。在VM Manager中，含有高可用性、資源調度、虛擬機遷移等模塊，同時也有VDC Manager的相關接口。SDN NOS是SDN的網絡操作系統，利用相關協議對數據中心的轉發設備進行控制，負責構建全網視圖，管理者網絡上的資源。SDN NOS包含網絡操作系統核心，可以為上層應用提供相應的服務和運行環境。

2.2 SDN構建架構抽象服務的功能

SDN是基于可編程思想的網絡架構，由控制平面和轉發平面所組成，二者相互分離，能夠實現對數據的集中化控制。SDN能夠支持網絡層的多種功能，為網絡提供抽象服務管理，抽象服務含有不同的功能。

SDN可以將虛擬機從網絡中分離出來，實現對大規模數據中心的擴建和管理。在對數據中心內的不同LAN對虛擬機進行遷移時，依然可以確保虛擬機和數據中心的通信。基于SDN的網絡利用多種方式提升網絡安全性，有具有動態可擴展優點的創建虛擬化安全性設備，也有將安全策略和控制集中到控制平臺的管理方式。SDN控制器可以利用虛擬插線面板向交換機流表寫入流表項，讓不同的交換機端口形成級聯。通過SDN特有的可編程性，讓插線面板實現動態性，也能及時對交換機流表進行修改。在基礎層級，通過保持SDN的負載均衡，讓服務器分布在多個數據中心，讓服務等級得到提高。

2.3 對SDN架構控制平面技術的探究

在基于SDN技術的數據中心網絡中，連接底層交換設備同上層應用的是控制平面設備。控制器通過協議實現對底層網絡設備的管理、監測、轉發決策、數據調度等，還向上層開發相應的可編程能力，根據相應的場景制定適宜的策略。具有基本模塊的控制器為通用控制器，功能層面分為基本功能層和網絡基礎服務層。

基本功能層為通用控制器提供最基本的功能，可以為通用控制器提供協議適配功能，方便接口協議的添加，同時還為上層應用提供開發功能。協議適配功能是通用控制器具備的基本功能之一，可以方便添加接口協議，讓SDN更好地部署網絡動態。接口協議一部分用于同地層交換設備進行信息交換，一部分用于對控制平面進行分布式部署。上層應用開發功能應用于模塊管理、事件機制、任務日志、資源數據庫等的開發。模塊管理是對控制器中多個模塊進行管理，能夠在不停止控制器運行的情況下加載新的模塊，實現網絡環境下業務的無縫切換。事件機制定義了事件創建、事件觸發、事件處理等相關操作。任務日志可以提供日志功能，實現對應用程序的調試，讓SDN網絡更方便維護。資源數據庫包含網絡資源的實時信息，以供開發人員隨時查詢。

網絡基礎服務層為控制器提供了相應的網絡功能，以提高開發效率，調用基本功能層實現對設備的管理和監測。網絡基礎服務層包含交換機管理、主機管理、拓撲管理、轉發策略、虛網劃分等模塊。控制器從數據庫中直接獲取交換機信息，并將信息以直觀方式提供給用戶，也可以直接提取網絡主機的信息，通過獲取這些信息后，形成網絡的拓撲結構圖，完成對網絡的管理。網絡基礎服務層提供數據包的轉發策略，根據相應的IP實現數據轉發。為實現網絡資源的最大化利用，實行虛網劃分，同時根據集中控制、自動配置方式將虛擬網絡安全隔離。

2.4 對SDN架構轉發平面技術的探究

Open Flow是SDN中的一種接口協議，利用基于安全連接的協議同控制器實現信息傳遞。在SDN的轉發平面上，Open Flow交換機是基礎設備。傳統的轉發設備是由控制平面和數據平面耦合組成，控制平面利用網絡操作系統實現對交換機設備流表的生成和維護，實現對網絡的管理，數據平面則對數據包實現高速轉發。SDN中轉發設備的控制平面和數據平面并不耦合，由遠端控制器對數據包進行控制，網絡資源也有控制器進行配置管理，轉發設備只實現對數據包的高速轉發

數據平面對數據包進行轉發時，基本功能有轉發決策、背板轉發、輸出鏈路調度。Open Flow協議利用流表代替了傳統的轉發表，可以更快地完成數據的處理動作。數據進入交換機后，向從流表中進行匹配查找，成功后就執行相應的處理，如果不匹配則由控制器處理決策。SDN應用在數據中心中，對交換機數據的交換速率有著非常高的要求，而設備的速率瓶頸在交換芯片上，能夠滿足交換速率的要求。正常情況下，交換機的一個端口向外發送數據包需要在隊列中等待處理。而支持服務質量的交換機會對會對數據包進行分類實現優先排列，讓整個輸出鏈路處于有機處理流程中。

3 SDN技術在數據中心基礎網絡中的優勢

在數據中心基礎網絡中引入SDN技術，這使得網絡變得開放了，同時也為上層應用提供了開放接口，讓網絡資源的調度更加方便。

3.1 支持虛擬機的遷移

虛擬機進行遷移時，虛擬機管理器通過相關接口向虛擬數據中心管理器發出遷移事件，虛擬數據中心管理器調用相關的應用程序編程接口，實現對虛擬機關聯網絡的遷移，讓虛擬機和網絡在遷移時可同步使用。

3.2 網絡流量得到優化

SDN網絡操作系統利用Open Flow協議，對整個網絡的拓撲形式進行探測，明確網絡拓撲的變化，在控制面形成網絡拓撲視圖。操作系統根據虛擬機相應的位置計算出兩個虛擬機的最佳路徑，實現網絡流量的最佳轉發。網絡操作系統也支持等價多路徑轉發、有約束的最短路徑轉發，對網絡流量進行調度，實現廣播抑制，讓帶寬得到節約。SDN架構對設備流表進行修改，讓轉發路徑得到有效改變，實現對網絡流量的優化應用，達到節能減排的效果。

3.3 租戶數量得到提高

SDN有著一定的可編程能力，SDN網絡操作系統可以加載模塊對不同組合的流量進行識別，控制流表，讓同一租戶的流量在自己的虛擬機間轉發。原有的VLAN個數受到限制，不能超過4096個，租戶數目受限。SDN技術的應用將解決租戶受限的問題，讓VLAN的個數突破限制，實現大量隔離租戶對網絡的應用。由于對不同租戶分配虛擬數據中心，網絡資源相互隔離，分配獨立的IP地址和網絡策略，讓網絡資源按照需求劃分，實現了資源的合理利用。

3.4 自主化網絡功能

虛擬數據中心管理器對網絡資源進行綁定，當用戶部署虛擬機時，管理器會自動查詢到虛擬機的位置、網絡特性等，可以直接在交換機上對虛擬機的網絡特性進行部署，讓虛擬網絡的部署沒有了人工干擾。轉發面按照流表的指令對數據包進行轉發，不參與控制，讓數據中心網絡脫離了網絡硬件的限制，解放了軟件的創造性。SDN網絡操作系統實施對網絡拓撲進行探測，一旦發現轉發設備的鏈路中斷或交換機失效，就可以快速發出告警信息，通知維護人員及時修復，也可以重新設定路徑，讓失效的節點被排出在路徑之外，保證鏈路的正常運行。

4 結束語

SDN技術是一種新的網絡架構，運用虛擬網絡實現數據的控制和存儲。基于SDN的數據中心網絡的構建，能夠讓數設備控制和數據相分離，實現網絡資源的合理配置。SDN網絡的虛擬化和開放化讓數據中心網絡實現了虛擬機智能部署和遷移，提供了眾多的虛擬租戶，讓網絡流量得到優化，最大程度地提升網絡資源的有效利用。

參考文獻

[1]陳琳，吳強.基于SDN技術構建數據中心虛擬網絡[J].互聯網天地，2013（01）：40-44.

[2]梁琦.SDN技術在數據中心網絡中心的應用分析[J].數字技術與應用，2018，36（02）：105-106.

[3]傅小寧，張振文，劉亞，陳穎霞.SDN技術在數據中心網絡中的應用研究[J].郵電設計技術，2016（10）：56-61.