基于OpenStack的SDN相關(guān)技術(shù)研究

任晶晶,戴錦友,劉瓊,戴非(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 40074; 2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司,武漢 40074; .江西師范大學(xué),南昌 0022)

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基于OpenStack的SDN相關(guān)技術(shù)研究

任晶晶1,2,戴錦友1,2,劉瓊1,2,戴非3
(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司,武漢 430074; 3.江西師范大學(xué),南昌 330022)

摘要:隨著云計(jì)算平臺(tái)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求,基于SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的集中控制已經(jīng)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)趨勢。文章在簡要介紹OpenFlow、OpenStack等技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了OpenFlow交換機(jī)的設(shè)計(jì);同時(shí),建立了一個(gè)基于OpenStack的IaaS云管理平臺(tái),進(jìn)一步融合了SDN和云計(jì)算的優(yōu)勢,提出了一種在云計(jì)算平臺(tái)下模擬SDN的方法。該方法能模擬實(shí)際的SDN,并利用模擬的網(wǎng)絡(luò)評估網(wǎng)絡(luò)性能,從而優(yōu)化設(shè)計(jì),降低SDN規(guī)劃和建設(shè)的投入。

關(guān)鍵詞:OpenFlow協(xié)議;OpenStack軟件;軟件定義網(wǎng)絡(luò)

0　引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展,基于IP的簡潔網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)日益臃腫且越來越無法滿足高效、靈活的業(yè)務(wù)承載需求,為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活配置和可編程能力,SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))應(yīng)運(yùn)而生。

SDN采用與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)截然不同的控制架構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離,采用集中控制替代原有分布式控制,并通過開放和可編程接口實(shí)現(xiàn)“軟件定義”。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比,采用SDN架構(gòu)后,網(wǎng)絡(luò)底層只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),可以由廉價(jià)、通用的商用設(shè)備構(gòu)成,上層負(fù)責(zé)集中的控制功能,由獨(dú)立的軟件系統(tǒng)構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類與功能由上層軟件決定,通過遠(yuǎn)程自助配置實(shí)現(xiàn)部署和運(yùn)行,并提供所需的網(wǎng)絡(luò)功能、參數(shù)以及業(yè)務(wù)。因此,SDN技術(shù)的引入勢必會(huì)對傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)演進(jìn)帶來顛覆性的影響。

1　OpenFlow、OpenStack原理分析

1.1OpenFlow原理及架構(gòu)

嚴(yán)格來說,Open Flow是SDN控制平面與數(shù)據(jù)平面之間的多種通信協(xié)議之一,但由于OpenFlow具有良好的靈活性和規(guī)范性,因此已被看作SDN事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)包是根據(jù)交換機(jī)、路由器中的轉(zhuǎn)發(fā)表和路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的。而在Open-Flow交換機(jī)中,轉(zhuǎn)發(fā)功能是由流表實(shí)現(xiàn)的。交換機(jī)只需查詢流表匹配流表項(xiàng)就可完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。流表項(xiàng)主要由匹配字段、優(yōu)先級、計(jì)數(shù)器、指令、超時(shí)時(shí)間、Cookie和標(biāo)志組成。匹配字段用于數(shù)據(jù)包的匹配,如果匹配,則需要執(zhí)行流表項(xiàng)中包含的指令;優(yōu)先級字段表示在流表沖突時(shí),流表項(xiàng)的執(zhí)行順序,匹配字段和優(yōu)先級字段共同定義了一個(gè)唯一的流表項(xiàng);計(jì)數(shù)器用來統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)流的基本數(shù)據(jù)[2]。Op e n-Flow交換機(jī)處理包的流程如圖1所示。

圖1　OpenFlow交換機(jī)基本工作流程

1.2OpenStack簡介

OpenStack是由NASA(美國國家航空航天局) 和Rackspace合作研制的云計(jì)算管理軟件,是一款完全開放源代碼的項(xiàng)目和自由軟件。OpenStack提供了關(guān)于IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))的解決方案,是一個(gè)可以管理整個(gè)數(shù)據(jù)中心里大量資源池的云操作系統(tǒng),包括計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)資源。管理員可以通過管理臺(tái)管理整個(gè)系統(tǒng),并可以通過Web(萬維網(wǎng))接口為用戶劃定資源[3]。

OpenStack云平臺(tái)最初是由六大核心項(xiàng)目共同運(yùn)行為用戶提供服務(wù),隨著其功能的不斷擴(kuò)展,越來越多的不同服務(wù)組件添加與更新進(jìn)該平臺(tái)。Open-Stack中各組件的關(guān)系如圖2所示。

圖2　OpenStack中各組件的關(guān)系

由圖可知,OpenStack中每個(gè)組件都要通過Keystone(認(rèn)證)組件進(jìn)行身份認(rèn)證,Dashboard(控制面板)組件為云服務(wù)提供可視化的UI(用戶接口)界面,Nova(計(jì)算)組件負(fù)責(zé)創(chuàng)建虛擬機(jī),Glance(鏡像)組件為虛擬機(jī)提供鏡像功能,Cinder(塊存儲(chǔ))組件和Swift(對象存儲(chǔ))組件分別為虛擬機(jī)提供塊存儲(chǔ)和對象存儲(chǔ)功能,Neutron(網(wǎng)絡(luò))組件負(fù)責(zé)為虛擬機(jī)創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)和虛擬端口。

除了上述核心組件,還有完成組件間通信任務(wù)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)和消息隊(duì)列服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)為各個(gè)組件提供了信息存儲(chǔ)服務(wù),消息隊(duì)列服務(wù)為各個(gè)Nova組件之間的消息分發(fā)提供依據(jù)。

OpenStack的每個(gè)模塊之間是無關(guān)聯(lián)的,它們既可以組合在一起聯(lián)合工作,提供完整的云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù),又可以獨(dú)立工作,分別提供虛擬化、云存儲(chǔ)和鏡像服務(wù)。此外,模塊化的設(shè)計(jì)使開發(fā)者更容易對OpenStack進(jìn)行二次開發(fā)。

2　SDN集成環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1OpenStack部署

本實(shí)驗(yàn)采用Virtualbox作為虛擬化平臺(tái),操作系統(tǒng)采用Linux發(fā)行版Cent OS 6.5 x86_64,Open-Stack版本為Icehouse。

為了更好地展現(xiàn)OpenStack分布式部署的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)采用多節(jié)點(diǎn)分開部署的模式。如圖3所示,整個(gè)私有云平臺(tái)由控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,其中,控制節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),主要負(fù)責(zé)監(jiān)控、協(xié)調(diào)和管理整個(gè)系統(tǒng),用戶可以通過在控制節(jié)點(diǎn)部署各個(gè)組件來進(jìn)行各種命令操作;計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)具體的計(jì)算運(yùn)行工作;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過選擇合適的插件完成虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬端口的創(chuàng)建。

圖3　OpenStack部署架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中,云平臺(tái)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均位于同一局域網(wǎng)內(nèi),所以局域網(wǎng)內(nèi)任何一臺(tái)物理機(jī)均可以直接訪問或使用OpenStack系統(tǒng)所提供的云計(jì)算資源。另外,為了使云平臺(tái)更加安全,Nova提供了一種使虛擬化實(shí)例和外網(wǎng)隔離的網(wǎng)絡(luò)方案,為虛擬化實(shí)例構(gòu)建一個(gè)與外網(wǎng)隔離的私有網(wǎng)絡(luò),即192.168.4.0/24這個(gè)網(wǎng)段,此網(wǎng)段只提供虛擬化實(shí)例間的互相訪問,虛擬化實(shí)例通過一個(gè)內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)來通信。同時(shí),為了方便虛擬化實(shí)例與外網(wǎng)的通信,還準(zhǔn)備了一個(gè)浮動(dòng)IP地址段(172.16.0.0/24)。因此每個(gè)虛擬化實(shí)例都會(huì)得到兩個(gè)IP地址,一個(gè)是供虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信的私有IP地址,另一個(gè)是虛擬化實(shí)例與外網(wǎng)通信的浮動(dòng)IP地址。

2.2OpenFlow交換機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)

Open Flow交換機(jī)與控制器通信的流程圖如圖4所示。首先交換機(jī)需要與控制器建立OpenFlow信道,以確保二者之間的可靠連接。建立Open-Flow信道時(shí)需要經(jīng)過一系列的消息交互,出錯(cuò)則需要關(guān)閉Socket,重新建立連接。Open Flow信道建立完畢后,交換機(jī)程序就進(jìn)入了狀態(tài)機(jī)的切換,狀態(tài)機(jī)是為了更好地管理Open Flow信道,在任何一個(gè)狀態(tài)機(jī)下出錯(cuò)都會(huì)關(guān)閉Socket并重新建立連接,程序的結(jié)束只能通過在command界面輸入“quit”命令來實(shí)現(xiàn)。

圖4　OpenFlow交換機(jī)工作流程

流表是Open Flow協(xié)議中一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的匹配規(guī)則和轉(zhuǎn)發(fā)指令都包含在流表當(dāng)中,因此流表的設(shè)計(jì)是OpenFlow交換機(jī)代碼編譯的一個(gè)重點(diǎn)。相比于Open Flow 1.0版本而言,OpenFlow 1.3中流表從最初的單表結(jié)構(gòu)變?yōu)槎啾斫Y(jié)構(gòu),匹配字段也從最初的十元組擴(kuò)展到現(xiàn)在的40個(gè)匹配字段,這樣無疑擴(kuò)展了SDN平面的轉(zhuǎn)發(fā)功能和靈活性,但同時(shí)也加大了流表表項(xiàng)設(shè)計(jì)的難度[4]。流表表項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)程序如下:

按照標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow 1.3協(xié)議,表項(xiàng)中匹配字段和指令這兩項(xiàng)是不定長的。但程序?qū)⑦@兩個(gè)字段設(shè)計(jì)成定長,雖然會(huì)浪費(fèi)一定的存儲(chǔ)空間,但提高了程序的執(zhí)行效率。由于本實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大,所以這樣的設(shè)計(jì)是可行的。OpenFlow 1.3規(guī)定了40個(gè)匹配字段,所以表項(xiàng)結(jié)構(gòu)中定義了一個(gè)64比特的match_flags和match_mask_flags來標(biāo)識(shí)每個(gè)匹配字段是否存在以及每個(gè)匹配字段是否使用了掩碼。

2.3OpenStack云計(jì)算平臺(tái)下的SDN架構(gòu)

OpenStack通過Neutron組件提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)程用來提供暴露的API(應(yīng)用程序編程接口),供Neutron Plugin(網(wǎng)絡(luò)插件)調(diào)用,完成特定功能。Plugin(插件)是為了屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)的一層封裝,它需要用一個(gè)數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)當(dāng)前邏輯網(wǎng)絡(luò)的配置信息以及邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)關(guān)系[4]。目前有很多方式來實(shí)現(xiàn)Neutron的Plugin,但使用最多的還是Open vS-witch(虛擬交換機(jī))。

圖5　OpenStack云計(jì)算平臺(tái)下的SDN架構(gòu)

通過OpenStack創(chuàng)建若干虛擬機(jī),一部分虛擬機(jī)可作為SDN控制器,另一部分虛擬機(jī)可作為SDN轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,這樣就在OpenStack的架構(gòu)下模擬了SDN。通過評估網(wǎng)絡(luò)的功能和性能,優(yōu)化設(shè)計(jì),可降低SDN前期規(guī)劃和建設(shè)的投入。

3　驗(yàn)證與測試

3.1OpenStack組件安裝和虛擬機(jī)創(chuàng)建實(shí)例

參照OpenStack官方安裝手冊,依次安裝了Keystone、Glance、Nova、Neutron和Dashboard等組件。在瀏覽器中輸入10.20.0.10/dashboard可以進(jìn)入Dashboard登陸界面。以一般用戶的身份登陸,創(chuàng)建虛擬機(jī)實(shí)例,為虛擬機(jī)實(shí)例創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、接口和映像,創(chuàng)建路由器使其與外網(wǎng)連接。圖6所示為OpenStack創(chuàng)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖6　虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.2OpenFlow交換機(jī)與Floodlight建立連接

在交換機(jī)端輸入控制器IP和端口號之后,與控制器建立Socket連接,交換了若干消息之后,控制器會(huì)向交換機(jī)中的每個(gè)流表中增加一個(gè)缺省的流表項(xiàng),在控制器端可以看到交換機(jī)流表和端口等資源。

3.3交換機(jī)添加流表項(xiàng)

采用curl工具可以通過命令行的方式配置交換機(jī)中的流表項(xiàng)。下面測試向交換機(jī)中添加流表項(xiàng)的功能。

在命令提示符中輸入添加流表項(xiàng)命令:

在控制器端或者在交換機(jī)的command里輸入tables命令都可以查詢交換機(jī)流表狀態(tài)。

4　結(jié)束語

SDN技術(shù)是一項(xiàng)全局性、顛覆性的網(wǎng)絡(luò)變革技術(shù),它采用IT技術(shù)的模式來改造傳統(tǒng)的“封閉”網(wǎng)絡(luò),為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。本文在分析Open-Flow原理及架構(gòu)的基礎(chǔ)上,完成了OpenFlow交換機(jī)代碼的編寫,并在此基礎(chǔ)上提出了一種在Open-Stack搭建的云計(jì)算平臺(tái)下模擬SDN的方案。該方案能模擬實(shí)際的SDN,并利用OpenStack技術(shù)靈活配置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),從而優(yōu)化設(shè)計(jì),降低SDN前期部署的投入。

參考文獻(xiàn):

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光纖光纜技術(shù)與應(yīng)用

Research on OpenStack-Based SDN-Related Technologies

REN Jing-jing1,2,DAI Jin-you1,2,LIU Qiong1,2,DAI Fei3

(1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications,Wuhan 430074,China
2.Wuhan Fiber Home Networks Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China;
3.Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

Abstract:With the rapid development of cloud computing platform,the traditional network architecture can not meet our demands.The centralized control of data planes realized by the Software Defined Network(SDN)-based technology has become the evolution trend of the current network technologies.This paper first briefly introduces the design of the OpenFlow switch on the basis of such technologies as OpenFlow and OpenStack and the building of an OpenStack-based IaaS cloud management platform which further converges the advantages of SDN and cloud computing.Then,it presents a method of SDN simulation on the cloud computing platform,which can simulate the actual SDN and use the simulated network toevaluate the network performance,thus optimizing the design and reducing the input for SDN planning and construction.

Key words:OpenFlow protocol;OpenStack software;SDN

中圖分類號:TN919.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0011-04

收稿日期:2015-07-02

作者簡介:任晶晶(1992-),女,湖北武漢人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.004