基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

殷 波 張?jiān)朴?王志軍 房秉毅 馮偉斌

中國聯(lián)通研究院 北京 100032

引言

隨著云計(jì)算技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不能很好地滿足現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的需求。新應(yīng)用的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出更高效集中的網(wǎng)絡(luò)管理需求、高效靈活的組網(wǎng)需求，虛擬機(jī)的部署和遷移也需要網(wǎng)絡(luò)更加靈活，并且網(wǎng)絡(luò)要能支撐虛擬機(jī)多租戶業(yè)務(wù)。簡(jiǎn)言之，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)SDN(Software defined network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))化的需求主要表現(xiàn)在海量的虛擬租戶、多路徑轉(zhuǎn)發(fā)、VM(虛擬機(jī))的智能部署和遷移、網(wǎng)絡(luò)集中自動(dòng)化管理、綠色節(jié)能、數(shù)據(jù)中心能力開放等幾個(gè)方面[1]。

數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)具有流量大、突發(fā)性強(qiáng)、周期性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要網(wǎng)絡(luò)具備多路徑轉(zhuǎn)發(fā)與負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)帶寬按需提供、綠色節(jié)能、集中管理和控制的能力。數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)流量?jī)A向按照固定路徑經(jīng)多跳進(jìn)行傳輸，任何流量阻塞或是設(shè)備故障都會(huì)產(chǎn)生瀑布效應(yīng)影響到通過同一臺(tái)設(shè)備的其他網(wǎng)絡(luò)流量；因此，由于數(shù)據(jù)中心中無時(shí)無刻不存在著虛擬服務(wù)器的擴(kuò)展和移動(dòng)(例如虛擬機(jī)的生成和移動(dòng))，這將使網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)地更加不確定。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中一般可以通過配置網(wǎng)絡(luò)QoS，以及進(jìn)行有限的多路徑選擇，有時(shí)甚至可能需要手工更改配置來解決交通擁堵的問題。若將SDN引入數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端到端虛擬路徑的可編程操作，中央控制器可以將多臺(tái)核心設(shè)備聚合在一起進(jìn)行高速背板轉(zhuǎn)發(fā)。在未來，SDN網(wǎng)絡(luò)將能夠基于實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的網(wǎng)絡(luò)利用率對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量的轉(zhuǎn)發(fā)過程進(jìn)行智能決策。

引入SDN技術(shù)[2]后，SDN控制邏輯集中的特點(diǎn)可充分滿足網(wǎng)絡(luò)集中自動(dòng)化管理、多路徑轉(zhuǎn)發(fā)、綠色節(jié)能等方面的要求；SDN網(wǎng)絡(luò)能力開放化和虛擬化可充分滿足數(shù)據(jù)中心能力開放、VM的智能部署和遷移、海量虛擬租戶的需求。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和維護(hù)一般統(tǒng)一由數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商或ICP/ISP維護(hù)，具有相對(duì)的封閉性，可統(tǒng)一規(guī)劃、部署和升級(jí)改造，SDN在其中部署的可行性高。引入SDN的網(wǎng)絡(luò)可通過部署統(tǒng)一的控制器來收集各數(shù)據(jù)中心之間的流量需求，從而進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算和調(diào)度、實(shí)施帶寬的靈活按需分配、最大程度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、提升資源利用率。目前Google已經(jīng)在其數(shù)據(jù)中心之間應(yīng)用了SDN技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心之間的鏈路利用率提升至接近100%，成效顯著。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是SDN目前最為明確的應(yīng)用場(chǎng)景之一，也是最有前景的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

1 SDN架構(gòu)

SDN是一種新型的基于軟件可編程思想的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]，它有一個(gè)集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，兩個(gè)平面相互分離，可以實(shí)現(xiàn)控制平面對(duì)數(shù)據(jù)平面的集中化控制，并提供開放的編程接口，為網(wǎng)絡(luò)提供靈活的可編程能力，具備以上特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都可以被認(rèn)為是一種廣義的SDN。

SDN可支持網(wǎng)絡(luò)層中的不同功能，并創(chuàng)建新功能以將網(wǎng)絡(luò)作為一組抽象服務(wù)進(jìn)行管理。這些抽象服務(wù)的部分功能包括以下幾點(diǎn)。

1) 將虛擬機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中分離。SDN支持通過將虛擬機(jī)與其物理網(wǎng)絡(luò)身份相分離來對(duì)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心進(jìn)行擴(kuò)建和管理。在虛擬機(jī)遷移到數(shù)據(jù)中心內(nèi)的不同LAN甚至跨WAN上的數(shù)據(jù)中心遷移時(shí)，SDN可確保它們之間的互相通信。

2) 基于SDN的安全應(yīng)用?；赟DN的網(wǎng)絡(luò)能夠以多種方式提升安全性，包括支持創(chuàng)建虛擬化的安全性設(shè)備，這種方式具有動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)；以及能夠?qū)AN和WLAN安全策略和控制集成到集中控制平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一管理的方式。

3) 基于軟件的負(fù)載均衡。在基礎(chǔ)層級(jí)，SDN和負(fù)載均衡是較為相似的流量?jī)?yōu)化方法。目前，廠商正努力將負(fù)載均衡建立為一種網(wǎng)絡(luò)基元。借助支持SDN的負(fù)載均衡，應(yīng)用服務(wù)器可分布到多個(gè)數(shù)據(jù)中心上，從而提升最終用戶的服務(wù)等級(jí)。

4) 視頻流量?jī)?yōu)化。服務(wù)提供商可通過使用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心的SDN控制器動(dòng)態(tài)地向服務(wù)器(接近消耗點(diǎn))路由及分配高容量的視頻傳輸流量來管理流量。

5) 虛擬插線面板。借助虛擬插線面板，可以通過SDN控制器向交換機(jī)流量表中寫入靜態(tài)流表項(xiàng)，以這種可編程的方式可以使位于不同交換機(jī)上的端口進(jìn)行級(jí)聯(lián)。SDN固有的可編程性可確保插線面板的動(dòng)態(tài)性以及流表的快速修改。該虛擬插線面板方法適用于廣泛的場(chǎng)景，包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和安全應(yīng)用。

ONF(Open Network Foundation，開放式網(wǎng)絡(luò)基金會(huì))定義的SDN架構(gòu)共由四個(gè)平面組成(如圖1所示)，即數(shù)據(jù)平面(Data Plane)、控制平面(Control Plane)、應(yīng)用平面(Application Plane)以及右側(cè)的控制管理平面(Management&Admin)。

圖1 ONF定義的SDN架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)平面。由若干網(wǎng)元(Network Elements)構(gòu)成，每個(gè)網(wǎng)元可以包含一個(gè)或多個(gè)SDN Datapath。每個(gè)SDN Datapath是一個(gè)邏輯上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它沒有控制能力，只是單純用來轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)，它在邏輯上代表全部或部分的物理資源。如圖1所示，一個(gè)SDN Datapath包含控制數(shù)據(jù)平面接口代理(Control-Data-Plane Interface Agent，CDPI Agent)、轉(zhuǎn)發(fā)引擎表(Forwarding Engine)和處理功能(Processing Function)三部分。

2)控制平面。即圖1所示的SDN控制器(SDN Controller)，它是一個(gè)邏輯上集中的實(shí)體，主要負(fù)責(zé)兩個(gè)任務(wù)。一是將SDN應(yīng)用層請(qǐng)求轉(zhuǎn)換到SDN Datapath，二是為SDN應(yīng)用提供底層網(wǎng)絡(luò)的抽象模型(可以是狀態(tài)、事件)。一個(gè)SDN控制器包含北向接口代理(Northbound Interfaces Agent，NBI Agent)、SDN控制邏輯(Control Logic)以及控制數(shù)據(jù)平面接口驅(qū)動(dòng)(CDPI Driver)三部分。SDN控制器只要求邏輯上完整，因此，它可以由多個(gè)控制器實(shí)例協(xié)同組成，也可以是層級(jí)式的控制器集群；從地理位置上來講既可以是所有控制器實(shí)例在同一位置，也可以是多個(gè)實(shí)例分散在不同的位置。

3) 應(yīng)用平面。由若干SDN應(yīng)用(SDN Application)構(gòu)成，SDN應(yīng)用是用戶關(guān)注的應(yīng)用程序，它可以通過北向接口與SDN控制器進(jìn)行交互，即這些應(yīng)用能夠通過可編程方式把需要請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)行為提交給控制器。一個(gè)SDN應(yīng)用可以包含多個(gè)北向接口驅(qū)動(dòng)(使用多種不同的北向API)，同時(shí)，SDN應(yīng)用也可以對(duì)本身的功能進(jìn)行抽象、封裝來對(duì)外提供北向代理接口，封裝后的接口就形成了更為高級(jí)的北向接口。

4) 控制管理平面。該平面著重負(fù)責(zé)一系列靜態(tài)的工作，這些工作比較適合在應(yīng)用、控制、數(shù)據(jù)平面外實(shí)現(xiàn)，比如對(duì)網(wǎng)元進(jìn)行配置、指定SDN Datapath的控制器，同時(shí)，負(fù)責(zé)定義SDN控制器以及SDN應(yīng)用能控制的范圍。

在數(shù)據(jù)中心中引入SDN架構(gòu)，帶來了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，特別是轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，將能在通用的硬件設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)能力開放為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備替換和第三方網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)掃清了障礙，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本將大大降低；并且，數(shù)據(jù)中心引入SDN，可使封閉的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)走向開放，借助開放接口API，可開發(fā)出各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，對(duì)攻克數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難題提供了很好的解決方案。

圖2 控制器層次化體系架構(gòu)

2 控制器技術(shù)研究

控制平面的設(shè)備，是連接底層交換設(shè)備與上層應(yīng)用的橋梁。一方面，控制器通過南向接口協(xié)議對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行集中管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)發(fā)決策以處理調(diào)度數(shù)據(jù)平面的流量；另一方面，控制器通過北向接口向上層應(yīng)用開放多個(gè)層次的可編程能力，允許其根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)景靈活地制定各種網(wǎng)絡(luò)策略。將具有基本模塊的控制器稱為通用控制器[4]，通用控制器的層次化體系架構(gòu)如圖2所示，控制器功能被分為基本功能層與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層兩個(gè)層面。

基本功能層主要提供控制器所需要的最基本功能。首先，為便于SDN網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)靈活地部署，通用控制器應(yīng)具有協(xié)議適配功能，能夠方便地添加接口協(xié)議。需要包含的接口協(xié)議主要分為兩類。一是用來與底層交換設(shè)備進(jìn)行信息交互的南向接口協(xié)議，二是用于控制平面分布式部署的東西向接口協(xié)議。其次，控制器需要提供用于支撐上層應(yīng)用開發(fā)的功能。這些功能主要包括以下4方面內(nèi)容。1)模塊管理：重點(diǎn)完成對(duì)控制器中各模塊的管理，允許在不停止控制器運(yùn)行的情況下加載新的應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)變化前后底層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的無縫切換；2)事件機(jī)制：該模塊定義了事件處理相關(guān)的操作，包括創(chuàng)建時(shí)間、觸發(fā)事件、事件處理等操作；3)任務(wù)日志：該模塊提供基本的日志功能，開發(fā)者可以用它來快速地調(diào)試自己的應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以用它來高效、便捷地維護(hù)SDN網(wǎng)絡(luò)；4)資源數(shù)據(jù)庫：這個(gè)數(shù)據(jù)庫包含底層各種網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時(shí)信息，主要包括交換機(jī)資源、主機(jī)資源、鏈路資源等，以方便開發(fā)人員查詢使用。

對(duì)于一個(gè)完善的控制器體系架構(gòu)來說，僅僅實(shí)現(xiàn)基本功能層還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為使開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂谏蠈拥臉I(yè)務(wù)邏輯，提高開發(fā)效率，需要在控制器中加入網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層以提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層中的模塊作為控制器實(shí)現(xiàn)的一部分，可以通過調(diào)用基本功能層的接口來實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等一系列功能。這一層涵蓋的模塊可以有很多，取決于控制器具體的實(shí)現(xiàn)，下面介紹5個(gè)主要的功能模塊。1)交換機(jī)管理：控制器從資源數(shù)據(jù)庫中得到底層交換機(jī)信息，并將這些信息以更加直觀的方式提供給用戶以及上層應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)者；2)主機(jī)管理：與交換機(jī)管理模塊的功能類似，重點(diǎn)負(fù)責(zé)提取網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的信息；3)拓?fù)涔芾恚嚎刂破鲝馁Y源數(shù)據(jù)庫中得到鏈路、交換機(jī)和主機(jī)的信息后，就會(huì)形成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；4)路由、轉(zhuǎn)發(fā)策略：提供數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略，最簡(jiǎn)單的策略有根據(jù)二層MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)、根據(jù)IP轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，用戶也可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)來實(shí)現(xiàn)自己的轉(zhuǎn)發(fā)策略；5)虛網(wǎng)劃分：虛網(wǎng)劃分可有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源價(jià)值的最大化，但出于安全性的考慮，SDN控制器必須能夠通過集中控制和自動(dòng)配置的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全隔離。

3 轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備技術(shù)研究

OpenFlow協(xié)議[5]是基于網(wǎng)絡(luò)中“流”的概念設(shè)計(jì)的一種SDN南向接口協(xié)議，OpenFlow交換機(jī)利用基于安全連接的OpenFlow協(xié)議與控制器互相通信。OpenFlow交換機(jī)的SDN轉(zhuǎn)發(fā)平面的基礎(chǔ)設(shè)備，是指擁有OpenFlow接口的局域網(wǎng)交換機(jī)。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的功能架構(gòu)主要由控制平面和數(shù)據(jù)平面組成，它們?cè)谖锢砩鲜蔷o密耦合的?？刂破矫嫱ㄟ^網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和底層軟件生成、維護(hù)交換設(shè)備內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)表，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置管理。數(shù)據(jù)平面通過硬件轉(zhuǎn)發(fā)芯片對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行高速轉(zhuǎn)發(fā)，基本功能主要有轉(zhuǎn)發(fā)決策、背板轉(zhuǎn)發(fā)以及輸出鏈路調(diào)度等。

不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(如圖3所示)，應(yīng)用于SDN中的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將數(shù)據(jù)平面與控制平面完全解耦，所有數(shù)據(jù)包的控制策略由遠(yuǎn)端的控制器通過南向接口協(xié)議下發(fā)，網(wǎng)絡(luò)的配置管理同樣也由控制器完成，這大大提高了網(wǎng)絡(luò)管控的效率。交換設(shè)備只保留數(shù)據(jù)平面，專注于數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)，降低了交換設(shè)備的復(fù)雜度[6]。

圖3 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備架構(gòu)

1) 轉(zhuǎn)發(fā)決策。應(yīng)用最廣泛的南向接口協(xié)議OpenFlow協(xié)議用流表代替了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備二層和三層轉(zhuǎn)發(fā)表，該流表中的每個(gè)表項(xiàng)都代表了一種流解析以及相應(yīng)的處理動(dòng)作。數(shù)據(jù)包進(jìn)入SDN交換機(jī)后，先與流表進(jìn)行匹配查找，若與其中一個(gè)表項(xiàng)匹配成功則執(zhí)行相應(yīng)處理動(dòng)作，若無匹配項(xiàng)則上交控制器，由其決定處理決策。這些流程依舊是依賴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)的交換芯片來實(shí)現(xiàn)的。

2) 背板轉(zhuǎn)發(fā)。目前，SDN應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)景是數(shù)據(jù)中心，其對(duì)交換機(jī)數(shù)據(jù)交換速率的要求還是較高的。不過就目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，設(shè)備的速率瓶頸點(diǎn)在交換芯片上，提供滿足要求的交換速率并不是問題。

3) 輸出鏈路調(diào)度。正常情況下，數(shù)據(jù)包發(fā)往交換機(jī)某一端口或準(zhǔn)備從交換機(jī)某一端口發(fā)出時(shí)，均需在端口隊(duì)列中等待處理。而支持QoS的交換機(jī)則可能要對(duì)報(bào)文根據(jù)某些字段進(jìn)行分類以進(jìn)入有優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，對(duì)各個(gè)隊(duì)列進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度，以及修改報(bào)文中的QoS字段以形成整個(gè)鏈路的有機(jī)處理流程等。支持OpenFlow協(xié)議的SDN交換機(jī)對(duì)QoS的支持主要有基于流表項(xiàng)設(shè)置報(bào)文入隊(duì)列、根據(jù)Meter進(jìn)行限速、基于Counter進(jìn)行計(jì)費(fèi)、基于Group的Select進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度等。

4 結(jié)束語

基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了邏輯和控制的分離，控制邏輯集中的特點(diǎn)解決了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)集中自動(dòng)化管理、多路徑轉(zhuǎn)發(fā)、綠色節(jié)能的問題；SDN網(wǎng)絡(luò)能力開放化和虛擬化有效實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心能力開放、VM的智能部署和遷移、海量虛擬租戶的需求。引入SDN的網(wǎng)絡(luò)可通過部署統(tǒng)一的控制器來收集各數(shù)據(jù)中心之間的流量需求，進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算和調(diào)度、實(shí)施帶寬的靈活按需分配、最大程度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、提升資源利用率。目前SDN技術(shù)尚未成熟，多控制器的控制機(jī)制是下一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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