SDN與NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用及發(fā)展探析

張?zhí)m蘭 馮影

摘要：數(shù)據(jù)中心作為人工智能新興技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，不僅關(guān)系服務(wù)器與存儲(chǔ)器等設(shè)備的工作效率，還對(duì)保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性起著重要作用。將SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)和NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，在滿足安全要求的多租戶環(huán)境下，能更好地為數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)發(fā)展提供支持。文章圍繞SDN和NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐、SDN與NFV技術(shù)的差異以及SDN和NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)等方面展開闡述和分析，可為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)提供新思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；SDN技術(shù)；NFV技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP391.44；TM73? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）05-0021-03

0 引言

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能技術(shù)的應(yīng)用越來越普及，承載人工智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系已無法滿足新環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度和共享的需求，數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中需要快速實(shí)現(xiàn)用戶的需求響應(yīng)、擴(kuò)展更加清晰的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源實(shí)現(xiàn)靈活共享和調(diào)度。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面來看，需要不斷加強(qiáng)技術(shù)鉆研，重新構(gòu)建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這是當(dāng)前研究的重要方向。SDN技術(shù)和NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，值得深入探討［1］。本文圍繞SDN及NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的具體實(shí)踐進(jìn)行全面介紹，探討兩者的區(qū)別與聯(lián)系，分析它們?cè)跀?shù)據(jù)中心應(yīng)用過程中存在的挑戰(zhàn)，同時(shí)提出一些參考性的意見和建議。

1 SDN及NFV在數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐

SDN的中文釋義為軟件定義網(wǎng)絡(luò)，SDN作為一種前沿的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)軟件在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要性，其理念是開放性、虛擬化、可編程。SDN技術(shù)可以完全消除網(wǎng)絡(luò)硬件上的差異，讓數(shù)據(jù)中心用戶可以將注意力集中到業(yè)務(wù)本身，而不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)硬件兼容及底層軟件實(shí)現(xiàn)的問題。處于起步階段的計(jì)算機(jī)，每個(gè)硬件都有自己的任務(wù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而現(xiàn)代PC硬件的作用已被大大削弱，只起到承載平臺(tái)和性能支持的作用，真正重要的是安裝硬件之上的各類應(yīng)用軟件。SDN技術(shù)可以支持實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件與業(yè)務(wù)的分離，通過SDN直接進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，只需提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬、各種協(xié)議接口等硬件平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的部署。部署完成后，用戶可直接使用，不需要了解網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具體的部署情況及部署方式，類似于把整個(gè)數(shù)據(jù)中心做成一個(gè)黑箱，通過SDN技術(shù)，生成用戶的操作面板。

SDN可以大幅降低對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護(hù)及人員的投入。在未來的數(shù)據(jù)中心建設(shè)項(xiàng)目中，只需將設(shè)備上架、接線、聯(lián)網(wǎng)，就可以由網(wǎng)絡(luò)工程師在遠(yuǎn)端完成設(shè)備相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，免去用戶繁重的配置和調(diào)試工作，大大節(jié)省人力和時(shí)間成本。系統(tǒng)上線運(yùn)行后，亦可通過軟件面板對(duì)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，如果出現(xiàn)問題，隨時(shí)可以遠(yuǎn)程修改，簡(jiǎn)化了維保和巡檢的流程，可以減少工作量、提高工作效率。

除SDN技術(shù)外，NFV技術(shù)也受到關(guān)注。NFV 的中文解釋是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，該技術(shù)通過軟件處理可以實(shí)現(xiàn)多種功能，例如采用X86架構(gòu)的硬件與虛擬化技術(shù)相結(jié)合，能降低大量不同型號(hào)專業(yè)設(shè)備的使用成本和管理難度。NFV 利用虛擬化技術(shù)，通過統(tǒng)一的虛擬化軟、硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)硬件功能，避免了專有硬件的各種特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)使用造成的限制，使網(wǎng)絡(luò)靈活性更高［2］。簡(jiǎn)單來說，NFV 就是通過部署虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（服務(wù)器、存儲(chǔ)器等）虛擬化，使數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單。

從以上介紹可以看出，應(yīng)用SDN技術(shù)的目標(biāo)是將硬件作為純粹的運(yùn)營(yíng)平臺(tái)使用，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變?yōu)榘缀?，?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能自定義；而NFV更像是處于手工配置維護(hù)與SDN的中間地帶，雖然不需要全部依賴硬件及人工配置，但是與實(shí)現(xiàn)SDN功能的具體要求有不小差距。SDN目前已成為行業(yè)爭(zhēng)相追逐和努力的方向，但由于SDN目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)巨頭之間也存在技術(shù)壁壘，因此SDN自身所設(shè)想的功能并不能在現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用中全部實(shí)現(xiàn)。這些現(xiàn)狀造成了SDN和NFV兩個(gè)陣營(yíng)的存在。即使處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，SDN也基本是根據(jù)各廠商制定的標(biāo)準(zhǔn)和思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，只能在自家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上運(yùn)行使用，難以做到設(shè)備兼容和通用。例如，“思科”給出的ACI解決方案采用的是“思科”私有的OpFlex協(xié)議，目前只能應(yīng)用于Nexus系列交換機(jī)中；“華為”針對(duì)SDN環(huán)境提出采用OpenFlow和NETCONF協(xié)議，把配置數(shù)據(jù)及協(xié)議信息以XML形式進(jìn)行事先存儲(chǔ)的解決方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)SDN的部分功能，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置難度；其他各廠商對(duì)SDN提出的方案也分別進(jìn)入試驗(yàn)階段，但都面臨著無法兼容的問題，缺少在數(shù)據(jù)中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)多廠商設(shè)備共通的SDN解決方案。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面上，雖然不同廠商對(duì)NFV的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，目前也不能支持互通互用，但是NFV的技術(shù)門檻和實(shí)現(xiàn)難度都較低，因此可行性較高。盡管NFV 技術(shù)還達(dá)不到軟件定義網(wǎng)絡(luò)的真正水平，但也是網(wǎng)絡(luò)走向軟件化道路至關(guān)重要的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可視為SDN初級(jí)階段的實(shí)現(xiàn)。

2 SDN與NFV的差異

2.1 標(biāo)準(zhǔn)制定情況不同

SDN擁有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中較著名的OpenFlow協(xié)議由ONF（開放網(wǎng)絡(luò)論壇）提出。NFV 則是從實(shí)踐中來，沒有相關(guān)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，完全出于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求而制定。在制定NFV標(biāo)準(zhǔn)方面，“思科”是最早的實(shí)現(xiàn)者，其他網(wǎng)絡(luò)廠商即使NFV技術(shù)理念高度一致，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)上也存在差異，在不能實(shí)現(xiàn)互通的情況下，跟隨“思科”推出了類似的虛擬化功能［2］。

2.2 理論支撐情況不同

SDN 有基本的理論支撐，而NFV則是從實(shí)際出發(fā)，缺乏足夠的理論支撐。SDN 技術(shù)新穎，有望引領(lǐng)網(wǎng)絡(luò)變革，目前仍處于發(fā)展階段，盡管已經(jīng)應(yīng)用到一定程度，但仍存在一些亟待解決的問題。

2.3 技術(shù)上存在差異

SDN的產(chǎn)生是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展緩慢、維護(hù)成本高的問題，服務(wù)商嘗試構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，希望能將控制面（各種軟件）與硬件進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)底層操作系統(tǒng)、基礎(chǔ)軟件協(xié)議及增值業(yè)務(wù)軟件的開源自研［3］。NFV對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)影響不大，相對(duì)穩(wěn)定可行，能發(fā)揮一定的增益作用。

2.4 兩者實(shí)現(xiàn)理念不同

SDN的理念是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面可直接編程，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)從底層硬件設(shè)備中抽象出來，并將決策轉(zhuǎn)移到虛擬網(wǎng)絡(luò)控制平面。硬件繼續(xù)引導(dǎo)和處理流量，控制平面決定將流量發(fā)送目的地，不需要依賴硬件設(shè)備［4］。NFV 也是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它將傳統(tǒng)物理設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能封裝成獨(dú)立的模塊化軟件，通過在硬件設(shè)備上運(yùn)行不同的模塊化軟件，在單一硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多樣化的網(wǎng)絡(luò)功能，NFV的目標(biāo)是將所有物理網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化，允許網(wǎng)絡(luò)在不添加更多設(shè)備的情況下增長(zhǎng)，而目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于硬件設(shè)備［5］。

除了以上幾點(diǎn)，SDN和NFV的不同之處還表現(xiàn)在目標(biāo)、關(guān)鍵點(diǎn)、起源等方面，具體差異見表1。綜上所述，NFV技術(shù)屬于平滑漸進(jìn)式演進(jìn)，而SDN對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案可以說是顛覆性的改變，雖然與NFV的理念有很大不同且不可避免地存在一些需要解決和優(yōu)化的問題，但是其具有新穎的技術(shù)和先進(jìn)的理念，因此發(fā)展空間要大于 NFV。

3 SDN和NFV在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

3.1 可靠性問題

數(shù)據(jù)中心對(duì)可靠性的要求達(dá)到? 99.999%，幾乎要求做到萬無一失?；谕ㄓ梅?wù)器的虛擬化核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備雖然兼容性強(qiáng)、部署靈活，但是可靠性比專用高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備低。虛擬化核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性較低的原因在于主流系統(tǒng)是基于開源的KVM平臺(tái)開發(fā)，雖然開源程度高，有豐富的部署經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于處理器沒有虛擬化擴(kuò)展的老版本服務(wù)器來說，KVM全虛擬化可靠性差且運(yùn)行效率極低。

3.2 關(guān)于利益轉(zhuǎn)讓的疑慮

雖然軟件可以通過不同的平臺(tái)進(jìn)行編譯，非常靈活，但是這些軟件技術(shù)最終還是要依靠轉(zhuǎn)發(fā)芯片的硬件實(shí)現(xiàn)流量轉(zhuǎn)發(fā)。在現(xiàn)有情況下，芯片企業(yè)不愿冒險(xiǎn)進(jìn)行大規(guī)模嘗試，盡管SDN是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，但就目前而言，市場(chǎng)份額和發(fā)展方向并不明朗，單一針對(duì)SDN的需求開發(fā)新芯片、架設(shè)流水線將耗費(fèi)大量資金。由于芯片產(chǎn)品線較少，轉(zhuǎn)發(fā)芯片對(duì)軟件和虛擬化技術(shù)的支持嚴(yán)重不足，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)的進(jìn)步造成了進(jìn)一步的阻礙。從另一方面看，全世界能提供網(wǎng)絡(luò)芯片的企業(yè)屈指可數(shù)，芯片巨頭企業(yè)對(duì)SDN和NFV技術(shù)的普及還存在一定疑慮，擔(dān)憂新興技術(shù)帶來的變革會(huì)導(dǎo)致企業(yè)地位和話語權(quán)降低?！八伎啤彪m然推出了ACI策略，但是從根本上是要保住智能硬件的作用，而非任由軟件對(duì)其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置。以“思科”為代表的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和一些研究SDN的軟件科研人員和學(xué)者形成了2個(gè)陣營(yíng)的對(duì)峙。廠商希望路由交換設(shè)備可以主導(dǎo)市場(chǎng)，如果軟件落地，管理所有功能，硬件只能做配角，將嚴(yán)重威脅傳統(tǒng)廠商的利益。利益上有矛盾也是SDN發(fā)展緩慢的一個(gè)原因。

3.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定

目前，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，雖然SDN有 OpenFlow 協(xié)議，但是各網(wǎng)絡(luò)廠商對(duì) OpenFlow 的理解和技術(shù)實(shí)現(xiàn)并不一樣，在具體實(shí)現(xiàn)上差別很大，因此不能實(shí)現(xiàn)互通。NFV則不存在完全屬于私有技術(shù)的可參照的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法在不同廠商的設(shè)備之間支持虛擬化，這些難點(diǎn)也成為阻礙SDN技術(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的障礙。雖然數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開始使用SDN和NFV技術(shù)，但是SDN技術(shù)只實(shí)現(xiàn)部分功能，并不能顯示這一技術(shù)的優(yōu)越性，因此實(shí)際上給數(shù)據(jù)中心帶來的并不是真正意義上的革命。

針對(duì)以上問題，本文提出如下建議：首先，虛擬化核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性較低的問題可通過推動(dòng)VMware平臺(tái)進(jìn)一步開放解決，推動(dòng)SDN廠商對(duì)接私有云引入SDN。其次，完善和優(yōu)化控制器軟件架構(gòu)和性能，推動(dòng)相關(guān)廠商發(fā)布符合OpenFlow協(xié)議規(guī)范的芯片。最后，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化SDN架構(gòu)，按照 ONF（開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)）等組織的定義進(jìn)行分層，按照ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NFV進(jìn)行定義，在數(shù)據(jù)中心混合組網(wǎng)時(shí)，統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，明確SDN和NFV融合架構(gòu)模式。

4 結(jié)語

綜上所述，將SDN和NFV技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，可以提升系統(tǒng)的靈活性及資源整合的力度，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的束縛，使數(shù)據(jù)中心適應(yīng)部署新技術(shù)的要求。應(yīng)用過程雖然存在挑戰(zhàn)，但是SDN和NFV技術(shù)能夠帶給業(yè)界的改變超過了技術(shù)本身，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及運(yùn)維模式的改變隨著技術(shù)進(jìn)步不斷凸顯，需要不斷探索和實(shí)踐。

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*黃河交通學(xué)院智能汽車計(jì)算機(jī)視覺工程研究中心項(xiàng)目（22KYGJ01）。

【作者簡(jiǎn)介】張?zhí)m蘭，女，河南鹿邑人，碩士，任職于黃河交通學(xué)院智能工程學(xué)院，助教，研究方向：圖形圖像處理與模式識(shí)別；馮影，女，河南焦作人，碩士，任職于黃河交通學(xué)院智能工程學(xué)院，助教，研究方向：教育技術(shù)學(xué)。

【引用本文】張?zhí)m蘭，馮影.SDN與NFV技術(shù)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用及發(fā)展探析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：21-23.