基于SDN和Overlay的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

張國平

【摘要】 云計算環(huán)境下，為適應(yīng)計算虛擬化和存儲虛擬化對網(wǎng)絡(luò)的需求，以VXLAN為代表的Overlay、SDN等實(shí)現(xiàn)技術(shù)和發(fā)展思路相繼被提出。圍繞云計算數(shù)據(jù)中心存在的問題，提出基于SDN控制的Overlay數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方案，使得網(wǎng)絡(luò)的控制更加靈活，更加方便快速的部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，便于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

【關(guān)鍵詞】 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 云計算 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 虛擬可擴(kuò)展局域網(wǎng)

Data Center Network for Cloud Computing based on SDN and Overlay technology

ZHANG Guoping Xuchang Electricpower，Xuchang 461000， China

Abstract：In order to meet the computing virtualization and virtual storage requirements of the network in Cloud computing environment， Overlay， SDN and other implementation technologies and development ideas have been proposed. According to the existing problems of cloud computing datacenter， A data center network scheme based on Overlay and SDN is proposed. This allows more flexible in network control， more convenient and fast in deploying and more easy to expand.

Key word：SDN； Cloud Computing； Data Center Network； VXLAN

隨著云計算的發(fā)展，更多的應(yīng)用處理集中在云端，促使云計算數(shù)據(jù)中心的規(guī)模急劇增長，在云計算中大量采用和部署的虛擬化幾乎成為一個基本的技術(shù)模式。虛擬計算負(fù)載的高密度增長，需要虛擬機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中無限制地遷移到目的物理位置，虛機(jī)增長的快速性以及虛機(jī)遷移成為一個常態(tài)性業(yè)務(wù)，然而當(dāng)前虛擬機(jī)的規(guī)模與可遷移性受物理網(wǎng)絡(luò)能力約束，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好滿足企業(yè)的這種需求。

目前，網(wǎng)絡(luò)存在的問題如下：（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)限制：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以三層為主，主要是以控制南北數(shù)據(jù)流量為主，數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)的大規(guī)模使用使虛擬機(jī)遷移的特點(diǎn)以東西流量為主，在遷移后需要其IP地址、MAC地址等參數(shù)保持不變，要求業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)是一個二層網(wǎng)絡(luò)，且要求網(wǎng)絡(luò)本身具備多路徑多鏈路的冗余和可靠性。傳統(tǒng)的生成樹（STP）等，部署和維護(hù)繁瑣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也受到很大限制。（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制：云業(yè)務(wù)中虛擬機(jī)的大規(guī)模部署，在大二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)流均需要通過明確的網(wǎng)絡(luò)尋址以保證準(zhǔn)確到達(dá)目的地，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的二層地址表項大?。碝AC地址表）限制了云計算環(huán)境下虛擬機(jī)的規(guī)模，特別是對于接入設(shè)備而言，二層地址表項規(guī)格較小，限制了整個云計算數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)規(guī)模。（3）網(wǎng)絡(luò)隔離/分離能力限制：云業(yè)務(wù)需要大量租戶之間的隔離，當(dāng)前的主流二層網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)為VLAN，但是在大量租戶部署時會有兩大限制。一是VLAN可用的數(shù)量為4K左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足公有云或大型私有云的部署需求；二是如果在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心部署VLAN，這樣使得整個數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)幾乎為所有VLAN被允許通過（核心設(shè)備更是如此），導(dǎo)致任何一個VLAN的未知目的廣播數(shù)據(jù)會在整網(wǎng)泛濫，無節(jié)制消耗網(wǎng)絡(luò)交換能力與帶寬。

為了解決出現(xiàn)的問題，諸多技術(shù)相繼被提出，如虛擬機(jī)接入感知（VEPA/802.1Qbg）、數(shù)據(jù)中心二層網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展（IRF/vPC/TRILL/Fabric Path）、數(shù)據(jù)中心間二層技術(shù)（OTV/EVI）等，廠家私有的IRF/vPC等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，對于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)有嚴(yán)格要求，并且不支持互通，在網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性上有所欠缺。新出現(xiàn)的大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)TRILL/SPB/Fabric Path等，雖然能支持二層網(wǎng)絡(luò)的良好擴(kuò)展，但對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有特殊要求，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要軟硬件升級才能支持此類新技術(shù)，帶來部署成本的上升。在大規(guī)模云計算環(huán)境下，這些技術(shù)并不能完全解決問題，一定程度上還需要更大范圍的技術(shù)革新來消除這些限制，以滿足云計算虛擬化的網(wǎng)絡(luò)能力需求。在此驅(qū)動力基礎(chǔ)上，逐步演化出Overlay虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)等新型技術(shù)和思想。在不改變原先架構(gòu)的基礎(chǔ)之上新建一個Overlay的網(wǎng)絡(luò)，來為云業(yè)務(wù)提供支撐。SDN則通過網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，轉(zhuǎn)發(fā)行為可編程，實(shí)現(xiàn)真正意義上的資源完全自動化部署、實(shí)時資源調(diào)度和快速網(wǎng)絡(luò)故障排除，并具有隨時增加新業(yè)務(wù)的潛力。通過把SDN和Overlay相結(jié)合，構(gòu)建新型的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而使網(wǎng)絡(luò)的控制更加功能靈活，性能更加強(qiáng)大。

一、Overlay虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1 Overlay技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，Overlay網(wǎng)絡(luò)是指在一個網(wǎng)絡(luò)上再疊加一個網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)模式，對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)不進(jìn)行大規(guī)模修改，具有獨(dú)立的控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面。主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)?；ヂ?lián)，是物理網(wǎng)絡(luò)向云和虛擬化的深度延伸，使云資源池化能力可以擺脫物理網(wǎng)絡(luò)的重重限制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)和多租戶，是實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)融合的關(guān)鍵。

其實(shí)這種模式是以對傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化而形成的。早期的就有標(biāo)準(zhǔn)支持了二層Overlay技術(shù)，如RFC3378（Ethernet in IP），，H3C與Cisco也都有基于Ethernet over GRE的私有二層Overlay技術(shù)EVI（Ethernet Virtual Interconnection）和OTV（Overlay Transport Virtualization）。

Overlay技術(shù)可以較好地解決計算和存儲虛擬化對網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)。

引入類似12比特VLAN ID的用戶標(biāo)識，支持高達(dá)16M的用戶，解決了 VLAN網(wǎng)絡(luò)下虛擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不足的問題。針對VLAN技術(shù)下廣播風(fēng)暴問題，對廣播流量轉(zhuǎn)化為組播流量，避免網(wǎng)絡(luò)本身的無效流量帶寬浪費(fèi)。

通過增加隧道，使得虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的凈荷通信不再受到二層限制，可以任意穿越三層網(wǎng)絡(luò)，使得VM的遷移可以實(shí)現(xiàn)跨越三層。

通過虛擬機(jī)數(shù)據(jù)封裝在IP數(shù)據(jù)包中，對于承載網(wǎng)絡(luò)（特別是接入交換機(jī)）只需要學(xué)習(xí)隧道端點(diǎn)的MAC，MAC地址規(guī)格需求極大降低。解決了對物理交換機(jī)地址表能力不足的問題。解決虛機(jī)規(guī)模受網(wǎng)絡(luò)規(guī)格的限制。

目前Overlay主流技術(shù)主要有虛擬可擴(kuò)展局域網(wǎng)（VXLAN）、通用路由封裝的網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NVGRE）、無狀態(tài)傳輸隧道（STT）三種，三種協(xié)議之間有很多相似之處。VXLAN是一種在UDP中封裝MAC的機(jī)制，NVGRE采用通用路由封裝（GRE）協(xié)議，將以太網(wǎng)報文封裝在GRE內(nèi)進(jìn)行隧道傳輸。兩者的虛擬網(wǎng)絡(luò)ID號均為24位，可以支持16M用戶。STT是無狀態(tài)傳輸協(xié)議，通過將以太網(wǎng)報文封裝成TCP報文進(jìn)行隧道傳輸，隔離標(biāo)識采用64比特來表示。

這三種技術(shù)，思路均是將以太網(wǎng)報文承載到某種隧道層面，底層均為IP轉(zhuǎn)發(fā)，區(qū)別主要在于選擇和構(gòu)造隧道的不同。表1對這三種技術(shù)關(guān)鍵特性進(jìn)行了對比。通過對比，NVGRE需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對GRE擴(kuò)展頭感知并對flow ID進(jìn)行HASH，需硬件升級，STT對于TCP有較大修改，復(fù)雜度較高，VLXAN技術(shù)相對具有優(yōu)勢。

1.2 VXLAN技術(shù)

VXLAN通過引入一個UDP格式的外層隧道，使得原有數(shù)據(jù)報文內(nèi)容作為凈荷來傳輸，可以讓凈荷數(shù)據(jù)輕而易舉的在二三層網(wǎng)絡(luò)中傳送。VLXAN的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

VXLAN頭部共有8個字節(jié)，目前使用Flags中的一個標(biāo)識位和24bit的VXLAN Network Identifier，其他作為預(yù)留，但在使用的時候需要設(shè)置為0x0000。外層的UDP報頭目的端口使用4789，可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。同時UDP的校驗(yàn)和必須設(shè)置成全0。目的IP地址可以是單播地址，也可以是多播地址。單播情況下，目的IP地址是VXLAN Tunnel End Point（VTEP）的IP地址。在多播情況下引入VXLAN管理層，利用VNI和IP多播組的映射來確定VTEPs。在VXLAN標(biāo)準(zhǔn)中，引入了一個VTEP（VXLAN Tunnel EndPoint，VXLAN隧道終端）的邏輯體，來完成VXLAN報文的封裝和解封裝。VTEP與物理網(wǎng)絡(luò)相連，分配有物理網(wǎng)絡(luò)的IP地址，該地址與虛擬網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。為了讓VXLAN虛擬網(wǎng)絡(luò)之間以及虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)之間能夠進(jìn)行通信，VXLAN標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個VXLAN網(wǎng)關(guān)實(shí)體（VXLAN GW-VXLAN Gateway）。在兩個VM發(fā)生真正交互前，可能需要解決交互VM間的ARP，獲得對方VM的MAC地址，源VTEP也建立到對端VTEP的映射。之后，源VM發(fā)送到目的VM的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含源MAC地址、目標(biāo)MAC地址、源IP地址和目的IP地址。源VTEP收到數(shù)據(jù)包后，檢查表格，確認(rèn)有到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信息后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝。加上外層的MAC頭、IP頭以及UDP頭，進(jìn)行發(fā)送。一旦這個數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器，它執(zhí)行正常的路由和依據(jù)相應(yīng)接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，目標(biāo)VTEP收到數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解封裝，然后把內(nèi)層的數(shù)據(jù)包發(fā)送給目標(biāo)的VM，完成一次的數(shù)據(jù)傳遞。VXLAN控制平面隧道的實(shí)現(xiàn)方式主要分為三種：通過數(shù)據(jù)平面自學(xué)習(xí)、通過控制協(xié)議學(xué)習(xí)（擴(kuò)展路由協(xié)議IS-IS或BGP）和通過SDN Controller實(shí)現(xiàn)。Controller方式無需物理網(wǎng)絡(luò)支持大量組播組，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可擴(kuò)展性強(qiáng)，部署簡單，可通過Controller集中管理和控制設(shè)備，可以通過Controller很方便的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動，而自學(xué)習(xí)模式本身無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用聯(lián)動，也需要借助Controller實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用聯(lián)動。

二、SDN

2.1 SDN概述

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network， SDN），是由美國斯坦福大學(xué)clean slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)。SDN的核心理念有三個，一個是控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，第二個是集中控制，第三個是開放的API-可編程、開放的API接口。SDN通過將轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，將網(wǎng)絡(luò)抽象為一個邏輯或虛擬實(shí)體，提供標(biāo)準(zhǔn)化的、開放的控制接口，使得轉(zhuǎn)發(fā)能力可以直接編程進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)更加靈活的控制能力。這種原來與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密耦合的控制能力，通過可編程的方式調(diào)用底層設(shè)施能力的抽象描述，以便將網(wǎng)絡(luò)能力看成邏輯分離或者虛擬化的子網(wǎng)以支持多種用戶或應(yīng)用的不同需求。

將SDN架構(gòu)分為3個層面（見圖2）：即應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。最上層為應(yīng)用層，包括了各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。應(yīng)用層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用需求，調(diào)用與控制層相接的應(yīng)用編程接口（API），實(shí)現(xiàn)不同功能的應(yīng)用程序。利用API接口，業(yè)務(wù)應(yīng)用可以充分利用網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和能力，并在一個抽象的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行操作，管理和控制網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)用轉(zhuǎn)發(fā)/處理的策略，也支持對網(wǎng)絡(luò)屬性的配置實(shí)現(xiàn)提升網(wǎng)絡(luò)利用率、保障特定應(yīng)用的安全和服務(wù)質(zhì)量。中間為控制層，負(fù)責(zé)對底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的集中統(tǒng)一控制，集中維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼熬W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)特性的適配，同時向上層業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用的接口。由于擺脫了硬件設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)控制功能的束縛，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以靈活配置、管理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的可編程及靈活可控?；A(chǔ)設(shè)施層由網(wǎng)絡(luò)的底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)基于業(yè)務(wù)的流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。在SDN中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只負(fù)責(zé)單純的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，降低了對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件的要求。

圖2 SDN分層架構(gòu)

2.2 基于Openflow的SDN實(shí)現(xiàn)

OpenFlow作為SDN的原型實(shí)現(xiàn)方式，已被看作是SDN通信協(xié)議事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。OpenFlow由控制器和OpenFlow交換機(jī)組成，控制器和OpenFlow交換機(jī)之間是加密的OpenFlow協(xié)議?？刂破髯鳛檐浖脚_形式，通過在之上運(yùn)行不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)不同的邏輯管控功能。在控制器中，NOS是網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可編程控制的中央執(zhí)行單元。使所有基于業(yè)務(wù)流的智能決策，并將這些決策發(fā)送給 OpenFlow 交換機(jī)。這些決策以指令的形式存在于流表中。OpenFlow交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，圖3所示。OpenFlow交換機(jī)采取流的匹配和轉(zhuǎn)發(fā)模式，匹配過程從第一個流表開始。流表包含了多個流表項，數(shù)據(jù)包按照流表項的優(yōu)先級進(jìn)行匹配，若匹配到一個流表項，則執(zhí)行與該流表項對應(yīng)的指令。根據(jù)OpenFlow協(xié)議，針對流表中的流表項，控制器可以完成增加、更新以及刪除等操作。

三、基于SDN和Overlay的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

Overlay網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與物理網(wǎng)絡(luò)的解耦，但是網(wǎng)絡(luò)與計算還是相互獨(dú)立的，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與虛擬機(jī)的聯(lián)動。SDN定義了一種控制和管理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過將SDN技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)資源能夠與計算資源和存儲資源一起進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，并提供開放接口給上層應(yīng)用，進(jìn)一步提供新業(yè)務(wù)開發(fā)能力。本文提出一種將SDN和Overlay結(jié)合的云計算中心網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案，見圖4。

圖4 基于SDN和Overlay的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

VTEP功能也可以由交換機(jī)或者vSwitch完成，實(shí)現(xiàn)把報文封裝為VXLAN格式。VXLAN GW可以由交換機(jī)完成，終結(jié)VXLAN報文，實(shí)現(xiàn)VXLAN和VLAN網(wǎng)絡(luò)互通。核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)關(guān)功能，終結(jié)VXLAN報文，并進(jìn)入L3轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)中，所有設(shè)備由Controller通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集中管理。通過集中控制器，把底層物理設(shè)備的控制權(quán)集中起來，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所有資源的相互聯(lián)動，減少設(shè)備管理的復(fù)雜性，同時對外提供了開發(fā)的接口供第三方進(jìn)行定制化開發(fā)，當(dāng)用戶業(yè)務(wù)擴(kuò)展時，通過集中管理用戶可以方便快速的部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，便于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

四、總結(jié)

隨著云計算的發(fā)展，計算虛擬化和存儲虛擬化已經(jīng)取得長足發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)虛擬化需求越來越強(qiáng)烈，Overlay的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是在傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建了邏輯的二層網(wǎng)絡(luò)，SDN則為網(wǎng)絡(luò)管理、性能優(yōu)化等提出了新的思路。兩者結(jié)合為云數(shù)據(jù)中心提供了良好的解決方案。但是，由于這些技術(shù)還在不斷完善中，標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)成熟度等方面仍存在不足，如何更加優(yōu)化云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，還需要進(jìn)一步深入研究。

Data Center Network for Cloud Computing based on SDN and Overlay technology

ZHANG Guoping

Xuchang Electricpower，Xuchang 461000， China）

Abstract：In order to meet the computing virtualization and virtual storage requirements of the network in Cloud computing environment， Overlay， SDN and other implementation technologies and development ideas have been proposed. According to the existing problems of cloud computing datacenter， A data center network scheme based on Overlay and SDN is proposed. This allows more flexible in network control， more convenient and fast in deploying and more easy to expand.

Key word：SDN； Cloud Computing； Data Center Network； VXLAN

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱明明， 夏寅賁， 徐小飛. 基于SDN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2014， 3

[2]李丹， 陳貴海等. 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展與趨勢[J]. 計算機(jī)學(xué)報. 2013.

[3] VXLAN： A Framework for Overlaying Virtualized Layer 2 Networks over Layer 3 Networks[S]. draft-mahalingam-dutt-dcops-vxlan-09.txt. 2014.10 IETF Draft M.Mahalingam， Storvisor等

[4]左青云， 陳鳴等. 基于OpenFlow的SDN技術(shù)[J]. 軟件學(xué)報. 2013.3