SDN在行業(yè)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

王曉聞

摘 要：隨著4G時代的到來，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量每天都在以驚人的速度增長，數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)難以處理海量數(shù)據(jù)，不斷出現(xiàn)數(shù)據(jù)流量擁堵，降低了數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)效率。運用SDN技術(shù)，可以提升數(shù)據(jù)中心的性能，降低數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)的管理難度，緩解數(shù)據(jù)流量擁堵，并節(jié)約大量運營管理成本。文章對SDN在行業(yè)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用展開研究。

關(guān)鍵詞：SDN；行業(yè)數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)架構(gòu)

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與SDN

1.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實行分布式控制，依賴路由器與交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)流量并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)面和控制面高度耦合，控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)集中在一起。在這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，集成了各廠商各自設(shè)計、開發(fā)的操作系統(tǒng)與專用硬件，它們與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特性高度耦合（包括BGP，OSPF，MPLS，NAT等許多種復(fù)雜業(yè)務(wù)），廠商事先定義轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的策略，用戶不能進行自定義修改。

1.2 SDN

SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，它通過OpenFlow分離網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面，由一個獨立的集中式控制器單獨運行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面，通過它驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)運行并管理、控制網(wǎng)絡(luò)；通過這個集中式控制器上的軟件平臺還可以對基礎(chǔ)硬件實現(xiàn)可編程化控制。SDN的核心理念是對網(wǎng)絡(luò)進行軟件編程，利用網(wǎng)絡(luò)的可編程性實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，根據(jù)實際需要暨實際情況的變化，靈活調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源[1]。

1.3 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺陷

目前，國內(nèi)主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商大約有20家（著名的有中興、華為、思科），他們生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型眾多，標(biāo)準(zhǔn)不一，互不兼容，用這些不同廠家的路由器和交換機統(tǒng)一配置網(wǎng)絡(luò)非常困難，管理就更麻煩[2]。

傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用路由協(xié)議互交路由信息，無法對整個網(wǎng)絡(luò)進行實時流量控制，只能對帶寬進行靜態(tài)分配。

路由器工作方式是事先設(shè)計好的，不能修改源IP地址與目的IP地址。用戶也不能通過軟件增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。

1.4 SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的比較優(yōu)勢

SDN只需路由器通過最小的數(shù)據(jù)通路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，降低了硬件的復(fù)雜性；SDN讓用戶可以根據(jù)需要修改路由器協(xié)議，提升了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的敏捷性與靈活性。

1.5 SDN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，Openflow協(xié)議已經(jīng)推出1.5版，但從整體上來看，SDN的部署規(guī)模并不大，只有少數(shù)用戶部署SDN超過了2年。OpenDaylight，ONOS和OPNFV等開源項目各自提出不同的SDN控制器方案；SDN控制器北向接口尚未形成業(yè)界公認(rèn)的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，南向接口協(xié)議也沒有形成相對穩(wěn)定的版本，不同廠商的硬件交換機和SDN控制器很難實現(xiàn)互通。業(yè)內(nèi)預(yù)計至少還得再過3年SDN技術(shù)才可能出現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。

2 傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)據(jù)中心面臨發(fā)展瓶頸

2.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是提供各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)儲存）的服務(wù)中心。它由計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)暨電氣、制冷設(shè)備、管理設(shè)備組成。采用INTERNET與無線移動方式接入互聯(lián)網(wǎng)，要求機房溫度、溫度每天都必須保持在一定范圍之內(nèi)。2017年，我國數(shù)據(jù)中心總數(shù)已經(jīng)接近100萬座，以小型數(shù)據(jù)中心居多，主要分布在東部一線城市。

數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)的一部分，不能脫離互聯(lián)網(wǎng)單獨存在，所以，我們可以將數(shù)據(jù)中心視為互聯(lián)網(wǎng)分工（細(xì)分化、專業(yè)化）的新發(fā)展。反過來，數(shù)據(jù)中心又打破了不同企業(yè)間的信息壁壘，擴展了互聯(lián)網(wǎng)的高度、深度和廣度，促進了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

2.2 傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)據(jù)中心發(fā)展面臨數(shù)據(jù)架構(gòu)瓶頸

自互聯(lián)網(wǎng)于20世紀(jì)90年代興起以來，人類創(chuàng)造信息的數(shù)量便在呈幾何級數(shù)爆炸式增長。目前，國內(nèi)所有的數(shù)據(jù)中心都面臨著信息爆炸的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)據(jù)中心設(shè)計負(fù)載的上限），不得不投入更多的硬件存儲數(shù)據(jù)，投入更多的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并千方百計提高現(xiàn)有系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)能力，加大每天的數(shù)據(jù)吞吐量。隨之帶來的是耗能巨大、資金緊張、空間有限、管理困難、人才短缺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不兼容、軟件升級困難、運維難度大等一系列問題[3]。

當(dāng)前，行業(yè)數(shù)據(jù)中心普遍沿用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，路由器、交換機、應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件高度集成耦合，數(shù)據(jù)面與控制面統(tǒng)一，形成封閉式結(jié)構(gòu)，進行分布式控制。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以適應(yīng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展，已經(jīng)成為束縛數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸。

首先，由于數(shù)據(jù)流量總在變化之中，而網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)卻是固定不變的，所以各臺服務(wù)器之間難以實現(xiàn)流量均衡，經(jīng)常發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵，甚至吞吐量崩潰；由于控制面與數(shù)據(jù)面集中在一起，服務(wù)器的內(nèi)存利用率接近飽和，而CPU利用率在10%以下（甚至3%），且不能均衡配置數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層的負(fù)載；由于實行分布式控制，鏈路資源利用率一般只有30%。

其次，目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換能力最高只能達(dá)到GB級，而數(shù)據(jù)中心每天數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到了TB級（這還沒有包括暫時沒有接入數(shù)據(jù)中心的移動無線通信的海量數(shù)據(jù)），已經(jīng)難以適應(yīng)4G時代。而在城市土地價格年年惡性上漲的情況下，繼續(xù)買下更多的場地，更多的路由器、服務(wù)器、交換機來擴大數(shù)據(jù)中心規(guī)模的粗放式發(fā)展模式已經(jīng)不可取。于是只好求助越來越復(fù)雜的智能算法分配數(shù)據(jù)流量，結(jié)果就是數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與靈活性。

最后，數(shù)據(jù)中心擁有的網(wǎng)絡(luò)資源在不斷增長，而分布式設(shè)計決定了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不可能及時跟上并全方位覆蓋這些新的網(wǎng)絡(luò)資源；分布式設(shè)計更造成了數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)控制面不能統(tǒng)一，不同執(zhí)行架構(gòu)、安全架構(gòu)、運維架構(gòu)疊床架屋，增大了系統(tǒng)的脆弱性。由于缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)控制面，也就不能對整個網(wǎng)絡(luò)實行實時、動態(tài)的全面流量控制，不能靈活修改路由協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，造成了大量系統(tǒng)資源與帶寬資源的閑置與浪費，同時，另一些服務(wù)器卻出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞、吞吐量崩潰。

3 在行業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用SDN

目前，對于是否應(yīng)在行業(yè)數(shù)據(jù)中心引入、應(yīng)用SDN，業(yè)內(nèi)爭議非常大。反對者認(rèn)為：在數(shù)據(jù)中心部署SDN，需要設(shè)計、更新專用交換芯片，進行全面的系統(tǒng)升級，成本過高；SDN同時維持多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，路由分配算法的程度復(fù)雜度與運算量呈幾何指數(shù)增長，國內(nèi)中小企業(yè)用戶尚不具備如此高的編程能力；此外，國內(nèi)中小企業(yè)大多沒有1 000臺以上的服務(wù)器，部署SDN毫無意義；SDN北向接口與南向接口協(xié)議都缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，各主流廠商之間的SDN解決方案各行其是，數(shù)據(jù)中心很難從中進行選擇；SDN實行集中式控制，一旦遭到攻擊就會單點失效，造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)崩塌；我國數(shù)據(jù)中心平均規(guī)模較小，大多未接入云計算，難以充分發(fā)揮SDN的作用。

但我們認(rèn)為，在大型、超大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用SDN，還是很有必要的。

首先，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)證明，網(wǎng)企一直在不斷地自我更新、自我提高、自我淘汰、自我升級之中，淘汰率極高。因此，我們可以預(yù)見國內(nèi)現(xiàn)有的100萬家數(shù)據(jù)中心很快將經(jīng)歷一次徹底的大洗牌（5G時代即將到來，且數(shù)據(jù)中心面臨著從IPv4協(xié)議向IPv6協(xié)議的升級）。如果數(shù)據(jù)中心想在激烈的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)競爭中活下去，就必須敢于改革，敢于升級，敢于冒險引進新技術(shù)。

其次，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用OpenFlow技術(shù)（已有成功的案例），分離控制面與數(shù)據(jù)面，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的實時控制，變粗放式網(wǎng)絡(luò)控制為精細(xì)式網(wǎng)絡(luò)控制，提高鏈路資源利用率（實踐證實：可提高3倍），解決網(wǎng)絡(luò)流量長短流競爭，且大大降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計的難度，減少數(shù)據(jù)中心擴容成本，并向高端用戶暨外商提供個性化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，延伸數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)業(yè)鏈。

盡管SDN目前仍然不成熟，不完善，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但反對在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心部署SDN的理由，卻主要是為了保護國內(nèi)數(shù)據(jù)中心落后的軟硬件，保護既得利益，而忽視了當(dāng)前我國數(shù)據(jù)中心亟待大規(guī)模全面升級，忽視了國內(nèi)中小企業(yè)存活率不高，它們或早或晚或主動或被動必將進行全面技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，忽視了中國將全面融入全球化，迎接國際網(wǎng)企的競爭。我們可以展望，在數(shù)據(jù)中心中部署、應(yīng)用SDN，將極大地節(jié)約數(shù)據(jù)中心運營成本，降低電能消耗，方便用戶快捷訪問云端數(shù)據(jù)，方便用戶自主分析、處理數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)云計算，增強數(shù)據(jù)中心的生命力。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲與計算機系統(tǒng)的分離，SDN的出現(xiàn)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)面與網(wǎng)絡(luò)控制面的分離；而SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，最終必將實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心智能化管控：人與網(wǎng)絡(luò)控制的分離。

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