高職院校SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的探討

李小孟

一、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的背景

作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最熱門和最具有發(fā)展前途的技術(shù)之一、國外針對SDN（Software Defining Network）的研究進(jìn)行的如火如荼，其中每學(xué)期各大學(xué)都開設(shè)了SDN的相關(guān)課程和教學(xué)并且在coursera慕課平臺(tái)開設(shè)公開課，國內(nèi)各高校也將SDN作為下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重點(diǎn)方向進(jìn)行研究。

（一）SDN可擴(kuò)展性研究

主要是解決單點(diǎn)控制器失效的問題，提升單一控制器性能。分布式控制器帶來同步和熱備份問題的探索。

（二）SDN規(guī)模部署與跨域通信

解決從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向SDN網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，通過增量部署的方式，大規(guī)模部署SDN時(shí)需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性、節(jié)點(diǎn)失效和流量工程等問題。此外大規(guī)模的SDN還存在的跨域通信問題，如果不同域?qū)儆诓煌睦鎸?shí)體，SDN將無法獲取到準(zhǔn)確對方域內(nèi)的全部網(wǎng)絡(luò)信息，從而導(dǎo)致SDN域內(nèi)路由無法達(dá)到全局最優(yōu)。

（三）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò)共存問題研究

隨著SDN的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將與SDN長期共存。為了使SDN設(shè)備與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容，節(jié)約成本，大多數(shù)設(shè)備生產(chǎn)商選擇在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中嵌入SDN相關(guān)協(xié)議，這樣造成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更加臃腫，采用協(xié)議抽象技術(shù)，可確保各種協(xié)議安全，穩(wěn)定的運(yùn)行在一個(gè)模塊內(nèi)，從而減輕設(shè)備負(fù)擔(dān)，成為兼容性研究進(jìn)展的趨勢之一。

（四）SDN在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

SDN具有集中式控制、全網(wǎng)信息獲取和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等特性，利用這些特性可以解決數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的各種問題，比如消除數(shù)據(jù)傳輸冗余、虛擬化功能達(dá)到數(shù)據(jù)流可靠和靈活的平衡。SDN在數(shù)據(jù)中心提升性能和綠色節(jié)能等將會(huì)扮演重要的角色。

（五）SDN網(wǎng)絡(luò)安全研究

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是封閉的，然而開放接口的引入會(huì)產(chǎn)生新一輪的網(wǎng)絡(luò)攻擊，造成SDN的脆弱性。由控制器向交換機(jī)發(fā)送蠕蟲病毒、通過交換機(jī)向控制器發(fā)送DDOS攻擊、非法用戶惡意占用整個(gè)SDN傳輸帶寬等，都會(huì)導(dǎo)致SDN全方位癱瘓。安全的認(rèn)證機(jī)制和框架、安全策略的制定，將成為SDN安全發(fā)展的重要保障。

二、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

SDN通過軟件來定義網(wǎng)絡(luò)，所以研究SDN不僅需要具備網(wǎng)絡(luò)知識(shí)而且還需要具備軟件編程能力。

目前主流的控制器包括NOX、RyU、Floodlight、ONOS、ODL。針對開源控制器的編寫使用的語言包括C++、Python、Java。這就對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程師有了更高的要求，需要熟練掌握其中一門編程語言，而且對傳統(tǒng)的程序員也有更高層次的要求需要，他們不僅會(huì)寫代碼而且還必須懂得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)原理，才能有的放矢地進(jìn)行編程。而且隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的發(fā)展，勢必和云平臺(tái)對接，也需要下一代網(wǎng)絡(luò)工程師對Openstack、ColudStack有一定的了解，將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源通過一個(gè)集中的云平臺(tái)統(tǒng)一管控。

ONC是SDN智能開放網(wǎng)絡(luò)控制器簡稱，是ONP網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)核心組成部分，支持多種南向接口和豐富的北向接口。除NFV類高級(jí)功能組件之外，多數(shù)基于Java語言編寫，采用Java OSGi模塊化技術(shù)架構(gòu)，在滿足軟件包可擴(kuò)展性的同時(shí)，支持組件在線升級(jí)。由于SDN控制器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的大腦，為此ONC控制器硬件選用穩(wěn)定性高的服務(wù)器作為通用硬件平臺(tái)，在滿足性能要求的同時(shí)，保證了控制器部署環(huán)境的廣泛性和長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

SDN控制器特點(diǎn)：

ONC控制器軟件完全采用OSGi（Open Service Gateway initiative，開放服務(wù)網(wǎng)關(guān)初始化。一種新近發(fā)展起來的成熟Java動(dòng)態(tài)模塊化技術(shù)）組件化技術(shù)，所有功能獨(dú)立的模塊都最小粒度的封裝成了可在線升級(jí)和多版本運(yùn)行的Bundle組件。

多種南向接口（支持多種設(shè)備控制方式）：目前多數(shù)網(wǎng)絡(luò)廠商提供的是廣義SDN解決方案。同時(shí)，用戶在生產(chǎn)環(huán)境中部署僅支持OpenFlow協(xié)議的純SDN網(wǎng)絡(luò)也少之又少。ONP平臺(tái)支持為用戶構(gòu)建廣義SDN解決方案，支持多種南向接口，其中控制器硬件支持OpenFlow和SNMP兩種協(xié)議。

OpenFlow南向接口：支持1.0版本12 tuples匹配，支持1.3版本多級(jí)流表，支持版本自動(dòng)協(xié)商。通過OpenFlow南向接口，ONC可以對支持OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的硬件和軟件交換下發(fā)流表，并通過統(tǒng)一接口自動(dòng)轉(zhuǎn)化為不同流表形式下發(fā)到支持不同OpenFlow協(xié)議版本的軟硬件設(shè)備。

SNMP南向接口：支持SNMP 2.0，可讀取設(shè)備上的MIB信息，在ONP管控平臺(tái)Web界面上呈現(xiàn)兼容傳統(tǒng)支持SNMP 2.0設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

T elnet南向接口：支持通過Telnet接口連接傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并通過CLI命令等下發(fā)網(wǎng)絡(luò)配置，最終實(shí)現(xiàn)兼容傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)維部署。

豐富的北向接口（開發(fā)的系統(tǒng)）：ONC北向接口支持RESTful和Java本地API兩種形式。Java本地接口主要用于其自身或合作伙伴的二次開發(fā)。多數(shù)用戶只需基于RESTful API開發(fā)各自適用于業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)APP組件以解耦于ONC控制器獨(dú)立部署運(yùn)行。為了充分滿足用戶對ONP平臺(tái)的開放性需求，ONC支持以下多種類別功能的接口開放。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及拓?fù)洌褐С滞ㄟ^北向接口，獲取當(dāng)前連接到ONC的所有交換列表及拓?fù)溥B接關(guān)系，并獲取每個(gè)交換設(shè)備的屬性信息。

流表操作：支持對設(shè)備安裝、卸載流表，并查看已安裝流表信息，流表支持匹配L2～L4所有字段，后續(xù)甚至可擴(kuò)展至任意報(bào)文字段。

L2網(wǎng)橋：獲取L2網(wǎng)橋?qū)W習(xí)到的MAC地址列表及接口對應(yīng)關(guān)系，開啟/禁止二層報(bào)文目的地址為單播或廣播的報(bào)文廣播。

L3路由：支持查看和新增靜態(tài)路由信息，其中的靜態(tài)路由策略支持SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)兼容部署。

DHCP地址池：支持設(shè)定DHCP地址池，并查看DHCP地址分配情況和存活周期。

安全規(guī)則：支持添加/禁止/開啟安全過濾規(guī)則。

端口/流統(tǒng)計(jì)：支持查看端口、流的傳輸字節(jié)數(shù)/報(bào)文數(shù)統(tǒng)計(jì)。

端口/流鏡像：可以針對指定設(shè)備上的端口或某條流進(jìn)行鏡像，以支持網(wǎng)絡(luò)/流的安全檢測。

服務(wù)器負(fù)載均衡： ONC控制器可替代傳統(tǒng)服務(wù)器前端負(fù)載均衡器，并在原有僅監(jiān)測服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)的基礎(chǔ)上增加路徑規(guī)劃功能。通過北向接口支持創(chuàng)建負(fù)載均衡池，虛擬IP地址，添加和監(jiān)測后臺(tái)業(yè)務(wù)提供服務(wù)器，支持選擇和配置靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡策略。

整網(wǎng)鏈路負(fù)載均衡：區(qū)別于傳統(tǒng)單點(diǎn)鏈路負(fù)載均衡，該鏈路負(fù)載均衡將根據(jù)整網(wǎng)鏈路流量情況，為任意兩個(gè)端到端流量選擇差異化路徑，路徑選擇支持最短路徑（shortestPath）、鏈路最小平均流量（minAvgTx）、混合模式（autoSelect）和最大可用帶寬模式（availableBw）四種策略。用戶可通過北向接口選擇選路方法設(shè)定參數(shù)，獲取任意端到端的路徑信息，以及選定路徑等。

虛擬租戶網(wǎng)：創(chuàng)建租戶，為不同租戶規(guī)劃邏輯上隔離的租戶網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)流量隔離和差異化安全策略部署。在每個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)中支持租戶自行部署網(wǎng)橋、路由、網(wǎng)關(guān)、DCHP池、負(fù)載均衡池和安全過濾器等虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可關(guān)聯(lián)到不同物理網(wǎng)絡(luò)資源。

PPPoE等：其它高級(jí)業(yè)務(wù)組件。

適用廣泛應(yīng)用場景：ONC作為支持廣義SDN網(wǎng)絡(luò)的控制核心，除了支持豐富的南向和北向接口外，還集成了許多高級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件。其中的L2交換、L3交換、靜態(tài)路由、DHCP服務(wù)、L2～L4安全過濾等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)功能可實(shí)現(xiàn)等價(jià)于傳統(tǒng)L2/L3網(wǎng)絡(luò)的通信行為，為中小型甚至大型企業(yè)網(wǎng)構(gòu)建類傳統(tǒng)L2/L3層網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。

支持集群部署：為了滿足商業(yè)級(jí)部署需求， ONC支持集群部署。支持雙主和主備兩臺(tái)控制器同時(shí)部署。主備集群方式可以避免單點(diǎn)故障造成的網(wǎng)絡(luò)中斷，主控制器周期性同步網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)及維護(hù)所有流表信息給備控制器。當(dāng)備控制器檢測到主控制器出現(xiàn)異常時(shí)，備控制器可及時(shí)接管主控制器的工作，根據(jù)本地備份狀態(tài)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。雙主部署既能避免控制器單點(diǎn)故障（兩臺(tái)控制器分擔(dān)維護(hù)不同底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施），又可在一定程度上擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)控制容量。

三、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案

實(shí)驗(yàn)機(jī)架部署與整體布局

四、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程