朱永慶,鄒 潔
(中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630)
2011年被稱為云計算應用元年。云計算并不是單單一項技術(shù),而是通過有限資源的優(yōu)化、整合以支撐/產(chǎn)生無限應用的一種發(fā)展模式。IP網(wǎng)絡是云計算的基礎構(gòu)件,寬帶網(wǎng)絡發(fā)展水平和網(wǎng)絡質(zhì)量對云計算發(fā)展至關重要。
虛擬化是云計算的核心技術(shù)之一,通過物理設備與邏輯業(yè)務層的解綁定,形成軟件驅(qū)動的資源配置能力。作為一種面向未來的網(wǎng)絡和業(yè)務使能技術(shù),虛擬化概念相當廣泛,可以體現(xiàn)在網(wǎng)絡、計算、存儲、桌面和應用等多個方面。從IT基礎能力提供的角度,虛擬化可分為網(wǎng)絡虛擬化、計算虛擬化和存儲虛擬化等。
網(wǎng)絡虛擬化是一個過程,同時也是一系列技術(shù)的統(tǒng)稱?;诰W(wǎng)絡虛擬化技術(shù),相關物理網(wǎng)絡資源被抽象、邏輯劃分和組合,并在此基礎上被調(diào)度和管理。網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)是網(wǎng)絡精細化運營的基礎,由來已久,并非依存于云計算而發(fā)展,但云計算的發(fā)展與應用為其發(fā)展提供了新的契機。
隨著“IP over everything,everything over IP”理念的深入,IP協(xié)議成為網(wǎng)絡規(guī)劃和建設的事實標準。因此,目前網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)研究主要集中在IP網(wǎng)絡虛擬化領域。
IP網(wǎng)絡虛擬化的范圍從VLAN、VPN、虛擬路由器到邏輯路由器等,不一而足。從技術(shù)角度,IP網(wǎng)絡虛擬化可分為網(wǎng)元虛擬化、鏈路虛擬化和互聯(lián)虛擬化等;從應用角度,IP網(wǎng)絡虛擬化又可分為資源提供虛擬化、資源管理虛擬化和運營維護虛擬化等。
盡管IP網(wǎng)絡虛擬化的一個重要特征是軟件相對于硬件的獨立性,但該技術(shù)的迅速興起仍舊得益于硬件技術(shù)的發(fā)展,尤其是ASIC/FPGA/NP等芯片的發(fā)展。目前,虛擬化技術(shù)已從物理隔離虛擬化方式逐步發(fā)展至共享式虛擬化,在提升網(wǎng)絡彈性、管理性和資源利用率的同時,提供各種網(wǎng)絡通道服務。
現(xiàn)階段,IP網(wǎng)絡虛擬化主要體現(xiàn)為對物理網(wǎng)絡資源的抽象、切割和組合,最基本的網(wǎng)絡虛擬化方式包括資源切割、資源聚合以及虛擬連接等3類。
(1)資源切割
物理設備、鏈路或端口可以被劃分為多個邏輯單位,通過對邏輯單位內(nèi)資源進行調(diào)用和處理,網(wǎng)絡虛擬化可以提高網(wǎng)絡安全性和資源利用率,進而提升網(wǎng)絡設計和業(yè)務提供的靈活性。針對網(wǎng)元的虛擬化技術(shù)有虛擬路由器(VR)、邏輯路由器(LR)、虛擬路由和轉(zhuǎn)發(fā)實例(VRF)、虛擬交換實例(VSI)等;針對端口的虛擬化技術(shù)主要是子接口劃分。
(2)資源聚合
資源聚合技術(shù)可以將多個物理設備、鏈路或端口等聚合為一個邏輯單位,并針對這個邏輯單位進行操作。這種方式可進一步擴展網(wǎng)元/鏈路的容量與功能,并可提升網(wǎng)絡可靠性、可用性和管理性。針對端口或鏈路的虛擬化技術(shù)有鏈路聚合(LAG)和VLAN等;針對網(wǎng)元的虛擬化技術(shù)大致可分為同類網(wǎng)元聚合與異類網(wǎng)元聚合兩種。
相同類型的網(wǎng)元(如交換機、路由器等)聚合在一起屬于同類網(wǎng)元聚合范疇。緊耦合方式下,同類聚合的網(wǎng)元之間共享控制平面和管理平面,數(shù)據(jù)平面則分布于各物理網(wǎng)元上,從而實現(xiàn)容量和功能擴展,典型技術(shù)實現(xiàn)包括設備集群等;松耦合方式下,同類聚合的網(wǎng)元之間存在主備關系,通常為特定目的而聚合,如基于VRRP協(xié)議的可靠性提升等。異類網(wǎng)元聚合情況下,不同類型網(wǎng)元(通常是路由器與交換機)之間存在從屬關系,通過共享控制平面和管理平面,提高網(wǎng)元覆蓋范圍,進而優(yōu)化網(wǎng)絡管理,典型的技術(shù)實現(xiàn)方式如Cisco公司所提出的Satellite解決方案。
(3)虛擬連接
虛擬連接技術(shù)通過增加報文開銷的方式在需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬啥私⑼ǖ?,該技術(shù)是在IP網(wǎng)絡上開展廣域互聯(lián)業(yè)務的基礎。典型的虛擬連接技術(shù)包括GRE、L2TP、LSP和PW等隧道技術(shù),在提升鏈路利用率、擴展性和業(yè)務安全性等方面具有重要意義。
雖然IP網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)千變?nèi)f化,但目前所有主流IP網(wǎng)絡虛擬化實現(xiàn)都是在上述3類虛擬化方式基礎上的優(yōu)化組合。以目前應用最廣泛的3層MPLS VPN為例,一個典型的MPLS VPN組網(wǎng)是由若干VRF及其之間的LSP組成的。通常情況下,如果廣域網(wǎng)絡上的所有路由器都支持MPLS,LSP隧道的形成不存在任何問題;當部分路由器不支持MPLS協(xié)議無法形成端到端LSP路徑時,就需要利用GRE隧道代替LSP,這就是MPLS VPN over GRE的技術(shù)實現(xiàn)。
云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)使信息化成為社會和個人的基本屬性,這對IP網(wǎng)絡的覆蓋范圍、擴展性和彈性等方面都提出巨大挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)在資源提供、資源管理和服務管理等方面優(yōu)勢明顯,已成為網(wǎng)絡運營和業(yè)務提供方面必需的技術(shù)手段,在業(yè)務發(fā)展和網(wǎng)絡演進過程中,IP網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)也將進一步發(fā)展。
(1)網(wǎng)絡控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層進一步分離
網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)可實現(xiàn)網(wǎng)絡控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層的進一步分離,從而使得通過自動化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡資源統(tǒng)管統(tǒng)分成為可能。例如,在Openflow等組織所提出的網(wǎng)絡模型中,傳統(tǒng)路由器/交換機等網(wǎng)元的控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層被徹底分離:轉(zhuǎn)發(fā)層面的網(wǎng)元無任何控制功能,只根據(jù)流表進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);網(wǎng)絡的控制功能由控制器完成,控制器通過標準的接口操作控制轉(zhuǎn)發(fā)層面網(wǎng)元的流表,從而達到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的。
(2)網(wǎng)絡的計算、存儲與傳送功能更趨融合
網(wǎng)絡虛擬化在推動網(wǎng)絡資源共享的同時,使IT與網(wǎng)絡的邊界更加模糊。例如,I/O虛擬化屬于網(wǎng)絡虛擬化范疇,而在虛擬化環(huán)境下,I/O虛擬化技術(shù)又是虛擬機(VM)應用不可或缺的部分。IDC運營過程中,可借助I/O虛擬化,同時結(jié)合其他網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),實現(xiàn)網(wǎng)絡接入邊界由交換機向服務器內(nèi)部的延伸,從而為虛擬機集群、遷移等應用提供保證。
任何技術(shù)發(fā)展的最終決定力量都是其應用前景,網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)也不例外。隨著工業(yè)化與信息化融合進程的快速推進以及物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的規(guī)模發(fā)展,IP網(wǎng)絡規(guī)模、業(yè)務規(guī)模和用戶規(guī)模等都將進一步擴大,原來較為粗放的網(wǎng)絡運營模式難以為繼,集約化成為網(wǎng)絡運營的重要趨勢。終端融合、業(yè)務融合以及網(wǎng)元融合促進IP網(wǎng)絡向融合方向演進,而在此過程中,有效提升網(wǎng)絡與業(yè)務的協(xié)同能力,打造智能管道,則成為IP網(wǎng)絡建設和優(yōu)化的重點。網(wǎng)絡虛擬化將在打造融合型、智能型和集約化網(wǎng)絡過程中大有作為。
(1)打造優(yōu)質(zhì)高效彩色管道
提供優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)傳送通道是IP網(wǎng)絡的基本功能。融合承載條件下,各類業(yè)務對IP網(wǎng)絡提出不同的承載需求。在資源有效利用前提下,IP網(wǎng)絡應能夠針對不同業(yè)務需求,提供具備安全區(qū)隔能力、滿足業(yè)務SLA要求的承載服務。
網(wǎng)絡虛擬化在網(wǎng)絡資源共享及聚合方面的優(yōu)勢有目共睹,因此,在打造優(yōu)質(zhì)高效彩色管道方面,可以充分利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),通過網(wǎng)絡優(yōu)化與能力提升,為客戶提供優(yōu)質(zhì)高效、差異化和綜合性的網(wǎng)絡服務。
(2)提升網(wǎng)絡與業(yè)務協(xié)同性
融合承載條件下,網(wǎng)絡與業(yè)務的協(xié)同性是IP網(wǎng)絡集約化運營的基礎。現(xiàn)階段,網(wǎng)絡與業(yè)務協(xié)同是在強化承載控制層與IP網(wǎng)元交互能力的基礎上進行的。由于現(xiàn)有網(wǎng)元與承載控制層之間缺乏標準接口,只能針對特定業(yè)務實現(xiàn)初步的網(wǎng)絡—業(yè)務協(xié)同,難以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)絡—業(yè)務的有效協(xié)同。
虛擬化技術(shù)可基于物理網(wǎng)元軟件與硬件的解耦合,實現(xiàn)網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)層與控制層的進一步分離,推動了相關邏輯單位封裝的標準化,從而為承載控制層與IP網(wǎng)元之間的接口標準化提供了更有利的條件,為更大范圍的網(wǎng)絡—業(yè)務協(xié)同奠定了基礎。
(3)有效拓展業(yè)務空間
現(xiàn)階段,基于虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡型業(yè)務 (如MPLS VPN、VPLS、VLL等)非常成熟。網(wǎng)絡虛擬化加速了IP網(wǎng)絡計算、存儲與傳送功能的融合進程,云桌面、云終端和云存儲等技術(shù)的出現(xiàn),使網(wǎng)絡業(yè)務不再受終端等條件限制,進一步豐富了網(wǎng)絡業(yè)務類型,拓展了業(yè)務空間。
(4)推進網(wǎng)絡綠色節(jié)能
綠色節(jié)能是實現(xiàn)IP網(wǎng)絡可持續(xù)發(fā)展的必要條件。網(wǎng)絡運營過程中必須保證單位能耗盡可能低。網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)可通過資源共享等舉措,結(jié)合網(wǎng)絡資源調(diào)度管理的智能化,實現(xiàn)網(wǎng)絡資源、業(yè)務資源的有效利用和優(yōu)化,促進網(wǎng)絡能效的提升,推動網(wǎng)絡可持續(xù)發(fā)展。
云計算相關概念自2007年由Google公司提出后,從基礎設施即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)、軟件即服務(SaaS)到一切皆服務 (XaaS),其內(nèi)含被不斷泛化與擴展。但無論云計算內(nèi)涵如何變化,作為一種按需服務、高性價比和資源透明化的業(yè)務提供方式,其本質(zhì)就是通過對互聯(lián)網(wǎng)的計算、存儲及傳送等資源的池化,滿足不同用戶的個性化、多層次服務需求。
云計算的整體架構(gòu)建立在由計算機以及其他硬件設備構(gòu)成的網(wǎng)絡環(huán)境中。盡管不同的云計算模式對網(wǎng)絡的具體需求有所差異,總體而言,云計算對網(wǎng)絡的共性需求體現(xiàn)在無感知服務、資源動態(tài)適配、可靠性保障、虛擬化和安全性等方面。
(1)無感知服務需求
云計算服務場景下,無論用戶采用何種終端、何種接入方式或者身在何處,都應該能夠獲得云計算相關服務,而對服務源以及網(wǎng)絡變化無任何感知。因此,網(wǎng)絡覆蓋范圍、接入手段、帶寬供給能力、自動調(diào)配水平和網(wǎng)絡質(zhì)量等因素對云計算服務的提供至關重要。
(2)動態(tài)資源管理和適配需求
無論是公有云、私有云還是混合云,應用和用戶都處于不斷變化的動態(tài)過程中。為了適應這種用戶/應用不斷變化的需求,基于網(wǎng)絡構(gòu)建的云計算需要具備動態(tài)伸縮的能力,這就要求IP網(wǎng)絡不僅要具備較大容量,還要具備網(wǎng)絡資源動態(tài)管理和適配能力。
(3)可靠性保障需求
云計算服務基于網(wǎng)絡實現(xiàn),用戶所請求的資源來自“云”,而非固定有形的實體。用戶的數(shù)據(jù)和業(yè)務應用處于云計算系統(tǒng)中,因此服務的連續(xù)性和SLA保障是云計算相關業(yè)務成功的關鍵。盡管各類云計算平臺本身會基于數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等方式保障服務的可用性,但網(wǎng)絡可靠性是云計算平臺可用性的基礎,必須基于網(wǎng)絡冗余等機制保障云計算服務的高可靠性。
(4)網(wǎng)絡虛擬化需求
云計算具有通用性,提供龐大的資源池,但并不針對特定應用而優(yōu)化。在“云”的基礎上可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應用,同一個“云”可以同時支撐不同的應用運行。這就需要通過網(wǎng)絡虛擬化將計算/存儲/傳送等資源抽象、封裝成一些便于調(diào)度管理的邏輯單元。
(5)網(wǎng)絡安全性需求
云計算的便利性和安全性相伴而行。云計算提供服務過程中,底層資源(計算/存儲/網(wǎng)絡資源等)對用戶透明,用戶無需了解資源的具體實現(xiàn)和地理分布等細節(jié)。正是這種資源的透明性和信息流動性,為用戶帶來安全性隱憂。2009年11月,F(xiàn)orrester Research公司的調(diào)查結(jié)果顯示,有51%的中小型企業(yè)認為安全性和隱私問題是尚未使用云服務的最主要原因。云計算安全包括平臺安全、數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡安全等方面。網(wǎng)絡安全是數(shù)據(jù)和平臺安全的必要條件,并且對云計算服務的可用性相當重要,因此,云計算對網(wǎng)絡安全性的需求非常迫切。
云計算業(yè)務本身是一個將網(wǎng)絡虛擬化、計算虛擬化和存儲虛擬化等虛擬化技術(shù)綜合運用的過程,而網(wǎng)絡虛擬化是提升網(wǎng)絡靈活性和資源利用效率的有效手段,網(wǎng)絡虛擬化與云計算的結(jié)合可謂相得益彰。
目前云計算技術(shù)正處于規(guī)模應用的初級階段,成熟案例以企業(yè)級應用、私有云和運營商內(nèi)部系統(tǒng)優(yōu)化為主。由于缺乏各方統(tǒng)一的技術(shù)體系架構(gòu),公有云的規(guī)模推廣尚需時日。因此,應本著“業(yè)務主導,面向網(wǎng)絡,夯實基礎,重點提升”原則,推進網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)在云計算領域的應用。
3.2.1 打造廣域智能通道,提升IP網(wǎng)絡對云計算的支撐能力
云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)提供服務的一種業(yè)務模式。云業(yè)務的開展必須借助IP網(wǎng)絡,IP網(wǎng)絡必須能夠為云服務提供具備SLA保證的服務質(zhì)量。國際標準化組織ITU-T也把網(wǎng)絡能力與通信服務作為云計算功能架構(gòu)的重點需求。
私有云模式下,企業(yè)客戶將與自身相關的資源和軟件功能封裝為服務并內(nèi)部使用,運營商網(wǎng)絡與私有云的集成度不高,私有云對網(wǎng)絡的要求通常在于安全隔離、可靠性以及在特定條件下的延時與帶寬等。公有云模式下,運營商或云服務提供商將各類資源封裝為服務并交付給客戶,包括網(wǎng)絡在內(nèi)的所有資源都成為服務的一部分,更為重要的是,用戶對云服務的感知首先來自網(wǎng)絡質(zhì)量,因此,未來公有云的服務水平很大程度上取決于網(wǎng)絡帶寬和延時。
另一方面,基于業(yè)務、資源或能力需求快速自動分配云計算平臺,離不開網(wǎng)絡的支持。在云計算規(guī)模開展條件下,IP網(wǎng)絡的動態(tài)智能資源調(diào)度和保障是云計算相關業(yè)務能否進行規(guī)模開展的關鍵。
因此,應該通過IP網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)提升IP網(wǎng)絡在資源提供、資源管理、服務管理和運營維護方面的能力。首先,利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),以VPN和隧道技術(shù)為基礎,結(jié)合流量管控、訪問控制代理和動態(tài)配置等功能,在打造優(yōu)質(zhì)高效彩色管道的同時,提升管道對業(yè)務的動態(tài)/自適應能力;其次,利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),結(jié)合業(yè)務識別和用戶識別等技術(shù),進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的精細化調(diào)配,滿足客戶和業(yè)務對網(wǎng)絡資源的動態(tài)應用需求,為提升網(wǎng)絡與業(yè)務協(xié)同性奠定基礎;最后,利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),基于云計算架構(gòu),結(jié)合業(yè)務路由技術(shù)、分布式交換技術(shù)等技術(shù)的進一步推廣應用,實現(xiàn)基于內(nèi)容/應用/業(yè)務的快速傳輸和流量優(yōu)化。
3.2.2 基于網(wǎng)絡虛擬化推進IDC融合
IDC網(wǎng)絡本身是一個存儲、計算和傳輸能力有機融合的范例,是云計算技術(shù)的一個重要應用場景。IDC網(wǎng)絡正向扁平化和融合化方向發(fā)展,云 IDC可促進其從資源出租型向集成服務型轉(zhuǎn)變,是新一代 IDC業(yè)務的發(fā)展方向。
云IDC的一個重要特征是具備將業(yè)務動態(tài)部署到IDC任何計算資源上的能力,而虛擬機是云IDC業(yè)務承載的最小邏輯單元,因此,云IDC場景下必須實現(xiàn)虛擬機的動態(tài)遷移。虛擬化環(huán)境中,二層網(wǎng)絡是虛擬機遷移的基礎。傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡如果規(guī)模太大,將會產(chǎn)生帶寬利用率、環(huán)路和廣播風暴等問題。因此,網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)在IDC領域的應用重點分為兩部分:一是通過VN-TAG、TRILL等網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),消除傳統(tǒng)STP技術(shù)所帶來的環(huán)路等二層網(wǎng)絡頑疾,為虛擬機集群、遷移等應用提供保證;二是利用L2 VPN技術(shù),為云IDC應用在基礎網(wǎng)絡上提供一個完整的二層環(huán)境,將IDC/IaaS資源與 VPN有效融合,實現(xiàn)客戶對云資源的安全便捷訪問。
3.2.3 關注網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)推廣過程中的安全性
自互聯(lián)網(wǎng)誕生以來,網(wǎng)絡安全就如影隨形,對互聯(lián)網(wǎng)相關技術(shù)和業(yè)務的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
云計算實現(xiàn)了IT資源的統(tǒng)一調(diào)度和虛擬化共享,進一步促進了網(wǎng)絡融合、終端融合與業(yè)務融合,對社會信息化發(fā)展產(chǎn)生了極大的促進作用。但隨著云計算技術(shù)及理念的深入,云計算應用的無邊界性、移動性等特點也引發(fā)了新的安全問題。
因此,在網(wǎng)絡虛擬化過程中,應重點從3個方面強化安全性。
·構(gòu)建安全的邏輯邊界。典型的云計算應用環(huán)境下,物理網(wǎng)絡邊界逐步消失,取而代之的是用戶/業(yè)務/網(wǎng)絡的邏輯邊界,應利用VPN和安全隧道等網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)打造安全邊界。
·利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)提升廣域數(shù)據(jù)通道的安全性,云計算相關業(yè)務的信息流動性非常大,因此,必須將虛擬連接技術(shù)與數(shù)據(jù)加密、權(quán)限認證等安全技術(shù)結(jié)合起來,強化數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。
·利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)強化網(wǎng)絡自身安全。網(wǎng)絡質(zhì)量和可靠性對云計算服務的可用性至關重要。利用網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡資源細分,并實現(xiàn)關鍵要素的有效隔離,以緩解對IP網(wǎng)絡的集中攻擊威脅。
云計算的興起被稱為第3次IT革命,通過規(guī)模效應、物理資源復用和按需購買等方式,實現(xiàn)資源利用率和服務性價比的大幅提升,盡管處于規(guī)模應用初期,但其前景仍然非常令人期待。云計算的發(fā)展離不開網(wǎng)絡支持,網(wǎng)絡覆蓋范圍、帶寬供給能力和自動調(diào)配水平制約著云計算任務的執(zhí)行;同時,云計算的發(fā)展也為IP網(wǎng)絡演進產(chǎn)生巨大影響。
IP網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)是IP網(wǎng)絡演進的熱點技術(shù)之一,在云計算與網(wǎng)絡能力深度整合方面發(fā)揮關鍵作用。利用IP網(wǎng)絡虛擬化技術(shù),通過業(yè)務、網(wǎng)絡及終端的融合,實現(xiàn)各類業(yè)務基于IP網(wǎng)絡的融合、安全、高效和差異性承載,推動云計算運營模式由產(chǎn)品運營向能力運營轉(zhuǎn)變,是IP網(wǎng)絡虛擬化在云計算領域應用的最終目標。
IP網(wǎng)絡虛擬化與云計算的深度融合是一個長期過程,也蘊含一定技術(shù)風險。只要在云計算能力與網(wǎng)絡能力、通信服務、安全服務和管理服務等要素集成的過程中,充分發(fā)揮網(wǎng)絡虛擬化的強力粘合作用,將該技術(shù)應用于云計算網(wǎng)絡與通信能力的提升,網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)一定會有更加廣闊的前景。
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