基于SDN的高校云數(shù)據(jù)中心建設(shè)

徐風(fēng)　孫萬(wàn)硯

摘要：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步、云計(jì)算的發(fā)展，導(dǎo)致越來(lái)越多的數(shù)據(jù)和應(yīng)用集中到云端，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)。SDN （Software-Defined Network）作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，成為解決云數(shù)據(jù)中心諸多問(wèn)題的重要手段。該文對(duì)基于SDN Overlay的高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)行了嘗試性研究，提出解決方案，并分析了實(shí)現(xiàn)原理，以期獲得初步方法和經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步深入探索高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；云計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)虛擬化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）33-0046-03

Abstract： Along with growth of mobile internet and cloud computing，more and more data and applications are coming to be carried on the cloud， which makes the traditional network technologies has been difficult to adapt to the development of the cloud data center. As a new network architecture， SDN is considered to be an important mean to solve many problems of could data center of the Colleges and Universities. This project attempts to study how to construct could data center network Based on SDN overlay and then the plan to solve them were proposed， And its implementation principle was analyzed. The aim of the study is to obtain the elementary methods and experiences， and further more， deeply explore about the cloud data center Construction in order to get general study reference.

Key words： data-center； cloud computing； network design； SDN （Software Design Network）； network virtualization

目前，伴隨以太網(wǎng)的高速發(fā)展、交換技術(shù)的重大突破，以云計(jì)算與移動(dòng)互聯(lián)為主要特征的全新網(wǎng)絡(luò)時(shí)代來(lái)臨。與此相適應(yīng)，高校云數(shù)據(jù)中心迎來(lái)蓬勃發(fā)展時(shí)期。移動(dòng)通信通過(guò)和傳統(tǒng)行業(yè)深度融合（互聯(lián)網(wǎng)+），為傳統(tǒng)行業(yè)添上了 “互聯(lián)網(wǎng)”的翅膀，層出不窮的技術(shù)創(chuàng)新、業(yè)務(wù)創(chuàng)新被激發(fā)出來(lái)，推動(dòng)著人類(lèi)文明的進(jìn)步。

云計(jì)算的完善與成熟，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量模式發(fā)生根本性變化，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)路、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)流量占比迅速減少，而業(yè)務(wù)與應(yīng)用密集的數(shù)據(jù)中心，其網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬卻呈指數(shù)增長(zhǎng)，這幾乎超出了人們對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的理解，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式將被顛覆，云是云、網(wǎng)是網(wǎng)的格局會(huì)被打破，云網(wǎng)融合走向前臺(tái)。

作為移動(dòng)網(wǎng)互聯(lián)基石的云計(jì)算，通過(guò)虛擬化、自動(dòng)化，整合了數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)、計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)等資源，將其打造成方便管理、易于擴(kuò)展、按需服務(wù)的資源池，極大地提高了數(shù)據(jù)中心的敏捷程度和運(yùn)行效率。一個(gè)智能終端，一條網(wǎng)絡(luò)通道，外加幾片“云”，就可以滿(mǎn)足一切。

1 傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心的不足

目前，伴隨x86系列計(jì)算機(jī)性能的持續(xù)增強(qiáng)（CPU速度更快、內(nèi)存容量更大等），基于虛擬化軟件的多操作系統(tǒng)同步運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)。而互聯(lián)網(wǎng)接入需求的增加，業(yè)務(wù)范圍的擴(kuò)大，使得均衡服務(wù)器負(fù)載，動(dòng)態(tài)分配資源，實(shí)現(xiàn)物理冗余的服務(wù)器虛擬化成為必然。當(dāng)下，在網(wǎng)絡(luò)資源配置上，云數(shù)據(jù)中心仍然采取傳統(tǒng)的二層/三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖 1 所示），分為核心交換（匯聚）層和業(yè)務(wù)接入層。

核心交換層：由核心交換機(jī)組成（串接防火墻、負(fù)載均衡等設(shè)備），用以實(shí)現(xiàn)資源池與外網(wǎng)的流量轉(zhuǎn)發(fā)以及資源池自身節(jié)點(diǎn)的流量互發(fā)。業(yè)務(wù)接入層：由接入交換機(jī)組成，向下連接計(jì)算資源，向上連接核心交換，將集群流量控制在本層。

在計(jì)算資源規(guī)模不大、用戶(hù)群體稀疏時(shí)，這個(gè)架構(gòu)可以充分運(yùn)行，但當(dāng)用戶(hù)數(shù)量增長(zhǎng)到一定規(guī)模，訪問(wèn)請(qǐng)求達(dá)到相應(yīng)程度，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)手段則無(wú)法有效響應(yīng)，傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心的不足暴露出來(lái)：

（1） 虛擬機(jī)遷移受限

服務(wù)器虛擬化的重要標(biāo)志是 “虛擬機(jī)遷移”，這在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配和連續(xù)可用方面尤為重要。虛擬機(jī)遷移時(shí)其IP地址、MAC地址等參數(shù)不宜改變，這要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)，且要求網(wǎng)絡(luò)本身具備多路冗余和高可靠性。

（2） 設(shè)備MAC地址不足

在大二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)流需要通過(guò)明確的網(wǎng)絡(luò)尋址以保證準(zhǔn)確到達(dá)目的地，云數(shù)據(jù)中心的VM（Virtual Machine“虛擬機(jī)”）規(guī)模遠(yuǎn)超預(yù)期，導(dǎo)致交換機(jī)的MAC（Media Access Control“介質(zhì)訪問(wèn)控制”）表項(xiàng)急增、 IP地址解析困難。

（3） VLAN承受過(guò)載

當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)為VLAN，而 VLAN只能提供4096（212）個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于持續(xù)擴(kuò)展的云數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)嚴(yán)重不足。另外，VLAN為靜態(tài)配置技術(shù)，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，幾乎所有VLAN都會(huì)被允許通過(guò)（核心設(shè)備更是如此），嚴(yán)重消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬和交換能力。

（4） 異地網(wǎng)絡(luò)整合困難

各高校本部與分校基本都建有數(shù)據(jù)中心，對(duì)于異地架構(gòu)來(lái)說(shuō)，面臨統(tǒng)一跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大二層遷移建設(shè)、流量?jī)?yōu)化、應(yīng)急預(yù)案、災(zāi)備管理等問(wèn)題。

圖1 云數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以上不足成為智慧校園數(shù)字化的技術(shù)瓶頸，阻礙了數(shù)據(jù)中心的自動(dòng)化進(jìn)程。我們期待一種全新的網(wǎng)絡(luò)：一套靈敏的“觸覺(jué)神經(jīng)”、一個(gè)超強(qiáng)的調(diào)度中心，在感知用戶(hù)業(yè)務(wù)變化的同時(shí)迅速做出反應(yīng)，計(jì)算最優(yōu)路徑并準(zhǔn)確給予調(diào)整，最終全面保證用戶(hù)需求，這才是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。

2 基于SDN的數(shù)據(jù)中心技術(shù)分析

SDN并不是一項(xiàng)具體技術(shù)，也不是某種抽象協(xié)議，而是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖 1 所示），它的設(shè)計(jì)思想是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，通過(guò)集中控制器的軟件編程，靈活管理底層網(wǎng)絡(luò)硬件，按需配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源。

在SDN架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備單純負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由通用網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)；原來(lái)承擔(dān)控制任務(wù)的操作系統(tǒng)獨(dú)立為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)不同業(yè)務(wù)特性進(jìn)行適配；業(yè)務(wù)特性、硬件設(shè)備之間的通信通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。

2.1 SDN（Software defined network “軟件定義網(wǎng)絡(luò)”）架構(gòu)

SDN的典型架構(gòu)分為三層（如圖 3 所示）：頂層為應(yīng)用層，包括各種具體業(yè)務(wù)，不同的應(yīng)用邏輯通過(guò)控制層開(kāi)放的API管理控制設(shè)備的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；中間是控制層，由SDN控制軟件組成，與下層OpenFlow實(shí)現(xiàn)協(xié)議通信，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)平面資源編排，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹顟B(tài)信息維護(hù)等；最底層的基礎(chǔ)設(shè)施層由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成，用來(lái)完成基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

SDN本質(zhì)上具有“控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離”、“設(shè)備資源虛擬化”和“通用軟硬件可編程”三大基本特性，這帶來(lái)了以下好處：

第一，設(shè)備硬件歸一，硬件只關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)，與業(yè)務(wù)特性解耦，可以選擇相對(duì)廉價(jià)的商用架構(gòu)。

第二，網(wǎng)絡(luò)的智能部分由軟件完成，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類(lèi)及功能由軟件配置決定，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的操作控制和運(yùn)行由服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來(lái)完成。

第三，對(duì)業(yè)務(wù)響應(yīng)相對(duì)更快，可以定制各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并實(shí)時(shí)配置到網(wǎng)絡(luò)中，開(kāi)通具體業(yè)務(wù)的時(shí)間縮短。

2.2 Overlay技術(shù)

基于以上SDN思想，結(jié)合數(shù)據(jù)中心構(gòu)成特性，Overlay方案被提出。Overlay是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上疊加的虛擬技術(shù)，是在不對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模修改的條件下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)用的承載，分離其他網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，且以基于IP的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主（如圖4所示）。

Overlay網(wǎng)絡(luò)建立在已有網(wǎng)絡(luò)之上，由邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯鏈路構(gòu)成。具有獨(dú)立的控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面，對(duì)于連接在overlay邊緣設(shè)備之外的終端系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，物理網(wǎng)絡(luò)透明。物理網(wǎng)絡(luò)向云和虛擬化延伸，云資源池化擺脫物理網(wǎng)絡(luò)限制，實(shí)現(xiàn)了云網(wǎng)融合。

2.3 Overlay的解決方法

針對(duì)前文傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心的不足，Overlay給出了相應(yīng)的解決方法：

（1） 虛擬機(jī)遷移范圍受網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)限制的解決

Overlay把二層報(bào)文封裝在IP報(bào)文之上，因此，只要網(wǎng)絡(luò)支持IP路由可達(dá)就可以部署Overlay網(wǎng)絡(luò)，而IP路由網(wǎng)絡(luò)本身已經(jīng)非常成熟，且在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上沒(méi)有特殊要求。路由網(wǎng)絡(luò)本身具備良好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力、故障自愈能力、負(fù)載均衡能力。采用Overlay技術(shù)后，不用改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)即可支撐新的云計(jì)算業(yè)務(wù)，方便部署。

（2） 虛擬機(jī)規(guī)模受網(wǎng)絡(luò)規(guī)格限制的解決

虛擬機(jī)數(shù)據(jù)被封裝在IP數(shù)據(jù)包中后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)只表現(xiàn)為具體參數(shù)，即隧道端點(diǎn)的地址。因此，MAC地址規(guī)格需求極大降低，最低時(shí)也就幾十個(gè)。當(dāng)然，對(duì)于核心（網(wǎng)關(guān)）處的設(shè)備表項(xiàng)（MAC/ARP）要求依然較高，當(dāng)前采用分散方式，通過(guò)多核心（網(wǎng)關(guān)）設(shè)備分散表項(xiàng)處理壓力。

（3） 網(wǎng)絡(luò)隔離（分離）能力限制的解決

針對(duì)VLAN只能支持4K以?xún)?nèi)的限制，Overlay擴(kuò)展了隔離標(biāo)識(shí)位數(shù)，可以支持高達(dá)16M的網(wǎng)格，極大擴(kuò)展了隔離數(shù)量。

3 高校云數(shù)據(jù)中心建設(shè)具體方案

Overlay控制平面架構(gòu)可以有多種實(shí)現(xiàn)方案，例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過(guò)協(xié)議分布式交互方式。而基于VCF控制器的集中控制SDN Overlay，以其易于整合計(jì)算資源、方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)一致性、支持全流程動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)部署，逐步成為主流方案。

3.1 DN Overlay組網(wǎng)模型

SDN Overlay同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)Overlay、主機(jī)Overlay和混合Overlay三種組網(wǎng)模型（如圖5所示），都通過(guò)VCF控制器集中控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的下發(fā)和處理，三種Overlay模型都有各自的應(yīng)用場(chǎng)景。用戶(hù)可根據(jù)自己的需求適當(dāng)選擇。

（1） 網(wǎng)絡(luò)Overlay

在這種模型下，所有Overlay設(shè)備都是物理設(shè)備，服務(wù)器無(wú)需支持Overlay，這種模型能夠支持虛擬化服務(wù)器和物理服務(wù)器接入。有多種形態(tài)的服務(wù)器可供選擇，是網(wǎng)絡(luò)性能高、與Hypervisor平臺(tái)無(wú)關(guān)的方案。面向?qū)π阅苊舾卸鴮?duì)虛擬化無(wú)特別要求的客戶(hù)群。網(wǎng)絡(luò)管理團(tuán)隊(duì)和服務(wù)器管理團(tuán)隊(duì)的界限明顯。

（2） 主機(jī)Overlay

所有Overlay設(shè)備都是虛擬設(shè)備，適用服務(wù)器全虛擬化的場(chǎng)景，物理網(wǎng)絡(luò)無(wú)需改動(dòng)。不能接入非虛擬化服務(wù)器，是配合VMware、KVM等主流Hypervisor平臺(tái)的方案。面向選擇了虛擬化平臺(tái)并且希望對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行再利用的客戶(hù)。

（3） 混合Overlay

物理設(shè)備和虛擬設(shè)備都可以作為Overlay邊緣設(shè)備，靈活組網(wǎng)，可接入各種形態(tài)服務(wù)器，可以充分發(fā)揮硬件網(wǎng)關(guān)的高性能和虛擬網(wǎng)關(guān)的靈活性。組網(wǎng)彈性大，既可以支持虛擬化的服務(wù)器，也可以支持未虛擬化的物理服務(wù)器，可以為客戶(hù)提供自主化、多樣化的選擇。面向既要保持虛擬化的靈活性，又要兼顧業(yè)務(wù)需求的高性能，甚至是對(duì)舊服務(wù)器的充分再利用，滿(mǎn)足客戶(hù)從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向SDN的數(shù)據(jù)中心的平滑演進(jìn)。

3.2 SDN Overlay轉(zhuǎn)發(fā)流程描述

（1） 報(bào)文所屬VXLAN識(shí)別

VTEP需要識(shí)別接收到報(bào)文的VXLAN，才能對(duì)其進(jìn)行處理。VXLAN隧道上的報(bào)文，VTEP根據(jù)報(bào)文的VNI進(jìn)行判斷。而本地站點(diǎn)的二層數(shù)據(jù)幀，VTEP通過(guò)以太網(wǎng)服務(wù)實(shí)例完成數(shù)據(jù)幀到對(duì)應(yīng)VSI的映射，即數(shù)據(jù)幀的VXLAN被VSI所創(chuàng)建。

（2） MAC地址學(xué)習(xí)

本地MAC地址通過(guò)動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址，判斷其數(shù)據(jù)幀的VSI，并將數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址添加到該VSI的MAC地址列表中，該MAC地址對(duì)應(yīng)的出接口為接收到數(shù)據(jù)幀的接口。

VTEP從VXLAN隧道接收遠(yuǎn)端VXLAN報(bào)文，根據(jù)VXLAN ID判斷報(bào)文的VXLAN，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解封，還原二層數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址添加到所屬VXLAN對(duì)應(yīng)VSI的MAC地址中，該MAC地址對(duì)應(yīng)的出接口為VXLAN隧道接口。

（3） Overlay網(wǎng)絡(luò)到非Overlay網(wǎng)絡(luò)

Overlay網(wǎng)絡(luò)到非Overlay網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)流程（如圖6所示）：

虛擬機(jī)構(gòu)造并發(fā)送報(bào)文到物理機(jī)，OVS的MAC與物理機(jī)的IP即為目的MAC、IP，報(bào)文從虛擬機(jī)接口發(fā)出。

OVS接收虛擬機(jī)報(bào)文，匹配OVS流表表項(xiàng)，修改報(bào)文目的MAC，并從指定的隧道接口發(fā)送。同時(shí)在報(bào)文中添加VXLAN頭信息，封裝隧道外層報(bào)文。

VXLAN-GW從隧道口接收 VXLAN隧道封裝報(bào)文，隧道自動(dòng)關(guān)閉，得到內(nèi)層報(bào)文。然后按照FIB進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)。

（4） 非Overlay網(wǎng)絡(luò)到Overlay網(wǎng)絡(luò)

非Overlay網(wǎng)絡(luò)到Overlay網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)流程（如圖7所示）：

物理機(jī)構(gòu)造并發(fā)送報(bào)文到虛擬機(jī)，通過(guò)傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文到VXLAN-GW。報(bào)文的目的MAC為VXLAN-GW的MAC，目的IP為虛擬機(jī)的IP，物理機(jī)發(fā)送的報(bào)文為普通報(bào)文。

VXLAN-GW根據(jù)報(bào)文的入口VPN、目的IP和目的MAC地址匹配轉(zhuǎn)發(fā)流表，并從指定的VXLAN隧道口發(fā)送。同時(shí)根據(jù)流表添加VXLAN頭信息，對(duì)報(bào)文進(jìn)行隧道封裝。從GW發(fā)送的報(bào)文為Overlay報(bào)文。

OVS接收到報(bào)文后，隧道終結(jié)。根據(jù)報(bào)文VNI和目的IP匹配轉(zhuǎn)發(fā)流表，并從指定端口發(fā)送。這時(shí)從OVS發(fā)送的報(bào)文為普通報(bào)文，虛擬機(jī)接收物理機(jī)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)物理機(jī)到虛擬機(jī)的訪問(wèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于SDN的高校云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與位置解耦，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無(wú)限彈性擴(kuò)展；網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決了大規(guī)模多租戶(hù)與具體業(yè)務(wù)隔離問(wèn)題；支持多種Overlay模型，滿(mǎn)足了場(chǎng)景化需求；跨多中心網(wǎng)絡(luò)資源池化，統(tǒng)一了隨需分配。 （下轉(zhuǎn)第54頁(yè)）

（上接第48頁(yè)）

當(dāng)然，高校云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)將隨著SDN的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，逐步演進(jìn)到更為簡(jiǎn)單和標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)與部署模式，多控制器的組網(wǎng)機(jī)制將成為今后的重點(diǎn)研究方向。

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