SDN技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

文杰斌

摘要

本文對軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)行研究分析，彌補(bǔ)了云計算在虛擬化上的不足，讓數(shù)據(jù)存儲、虛擬網(wǎng)絡(luò)得到整合，真正意義上實(shí)現(xiàn)了資源的自動化分配，快速排出網(wǎng)絡(luò)故障，降低維護(hù)成本。

【關(guān)鍵詞】SDN技術(shù) 數(shù)據(jù)中心 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建

大量的計算、信息等通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)往數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)中心向客戶提供多樣化的數(shù)據(jù)和不同的服務(wù)，為了增強(qiáng)處理能力，需要更加靈活的網(wǎng)絡(luò)控制。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新興技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)控制同轉(zhuǎn)發(fā)分離，通過控制功能遷移、轉(zhuǎn)發(fā)平面同控制平面相分離，網(wǎng)絡(luò)成為一個虛擬實(shí)體，可以被看作是類似邏輯設(shè)備的基礎(chǔ)架構(gòu)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)可以將轉(zhuǎn)發(fā)抽象化，為網(wǎng)絡(luò)控制提供開放性的接口，使控制平面調(diào)用控制接口實(shí)現(xiàn)更加靈活的資源調(diào)度。

云數(shù)據(jù)中心對資源的管理和交付是非常關(guān)注的，在實(shí)現(xiàn)規(guī)模化管理和資本集約化的同時，也存在著多種問題。對大型網(wǎng)絡(luò)的管理容易出現(xiàn)紕漏。大型數(shù)據(jù)中心中管理的設(shè)備較多，往往是成千上萬臺，很容易因?yàn)橐粋€小故障而影響到對數(shù)據(jù)的管控。很多大型數(shù)據(jù)中心50%～80%的出錯都是因?yàn)槿藶椴僮魇д`所引起。因此，需要做好對數(shù)據(jù)中心自主配置和管理的要求。硬件限制比較嚴(yán)重。由于服務(wù)器同資源綁定，資源管理時會受到硬件資源的限制，也給資源的管理增添了復(fù)雜性。當(dāng)虛擬技術(shù)使用后，能夠輕松對虛擬機(jī)的位置進(jìn)行部署，還可以在運(yùn)行時遷移?，F(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)對資源的利用率較低，虛擬機(jī)也無法快速同網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)同?；谲浖x網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，可以彌補(bǔ)云計算在虛擬化方面的不足，讓整個網(wǎng)絡(luò)、存儲等得到整合，讓資源得到快速調(diào)度，有效解決網(wǎng)絡(luò)故障，為用戶提供新的體驗(yàn)。

1 SDN技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的作用

在網(wǎng)絡(luò)中采用云計算，能夠讓資源得到集中分配，需要網(wǎng)絡(luò)有更強(qiáng)的計算、存儲、調(diào)度功能。虛擬化技術(shù)可以讓物理設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源池，資源被虛擬化，實(shí)現(xiàn)按需求分配，資源的調(diào)度更加靈活、方便。其中存儲虛擬化比較成熟，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)提供成熟的平臺，讓資源部署和調(diào)度更加合理。只是數(shù)據(jù)中心需要網(wǎng)絡(luò)的支持，將虛擬機(jī)連入到網(wǎng)絡(luò)中，相互之間也不會出現(xiàn)干擾。數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過隔離，形成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，這些虛擬網(wǎng)絡(luò)可以讓用戶獨(dú)自使用，給網(wǎng)絡(luò)的使用提高安全?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們可以使用在交換機(jī)上配置的VLAN強(qiáng)力技術(shù)，能夠更加安全。但這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的容量受限，不能超過4096個。對于虛擬機(jī)的申請和遷移都存在動態(tài)性，讓虛擬機(jī)的的網(wǎng)絡(luò)配置也存在著動態(tài)性，如果需要頻繁修改網(wǎng)絡(luò)配置，這將影響網(wǎng)絡(luò)管理的可靠性。對于數(shù)據(jù)的管理，希望能夠讓虛擬機(jī)、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)三者形成無縫集成，虛擬機(jī)的構(gòu)建符合網(wǎng)絡(luò)配置，也能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行遷移。而理想的數(shù)據(jù)中心應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑尵W(wǎng)絡(luò)得到最優(yōu)化使用。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，讓資源的調(diào)度擺脫網(wǎng)絡(luò)的束縛。軟件定義網(wǎng)絡(luò)利用數(shù)據(jù)抽象轉(zhuǎn)發(fā)模式，將轉(zhuǎn)發(fā)過程抽象為流表，控制面的設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，利用Open Flow或其他協(xié)議對SDN轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行控制。SDN的主要關(guān)注點(diǎn)不是交換機(jī)體系結(jié)構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)控制器。通過構(gòu)建集中式的網(wǎng)絡(luò)控制器，可以對全網(wǎng)絡(luò)視圖，信息也更加豐富，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心下分布式網(wǎng)絡(luò)控制的一些新功能。網(wǎng)絡(luò)控制器可以實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的控制，能直接讀取交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)表。網(wǎng)絡(luò)控制器并不能直接控制SDN轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上的功能模塊，只能通過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表來控制交換機(jī)，這是SDN采取數(shù)據(jù)抽象的主要因素。由于SDN轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備本身并不具備智能，需要根據(jù)流表進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)，流表中含有相應(yīng)的規(guī)則和行為，指揮轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備也能夠?qū)⒁恍]有配備的數(shù)據(jù)分組、端口激活等轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，讓網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行決策。在數(shù)據(jù)中心中引入SDN，可以讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可編程性，為虛擬機(jī)遷移、流量優(yōu)化、增加用戶提供了可能性。

2 SDN技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中使用SDN技術(shù)，可以讓網(wǎng)絡(luò)中的計算和存儲資源的到合理分配和調(diào)度，同時為上層應(yīng)用提供相應(yīng)的接口，開發(fā)出新的業(yè)務(wù)。

2.1 SDN技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)

基于SDN技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)包含三個部分，分別是VDC Manager、VMManager、SDN NOS。架構(gòu)如圖1所示。

VDC Manager是虛擬數(shù)據(jù)中心管理器，主要功能是實(shí)現(xiàn)對多租戶數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)邏輯的整合。在控制計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源時，VDC Manager同VM Manager和SDN NOS接口相統(tǒng)一，可以讓資源得到同步調(diào)度。VDCManager中保存著用戶虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相匹配的信息，讓用戶能夠看到自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)，同時按照自己的意愿對虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，各用戶間不會發(fā)生干擾。用戶對虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)的操作在VDC Manager中被轉(zhuǎn)化為對VMManager和SDN NOS的調(diào)用。VM Manager是虛擬機(jī)管理器，主要對計算資源和存儲資源進(jìn)行管理，對于虛擬機(jī)的創(chuàng)建和遷移上報給VDC Manager。在VM Manager中，含有高可用性、資源調(diào)度、虛擬機(jī)遷移等模塊，同時也有VDC Manager的相關(guān)接口。SDN NOS是SDN的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，利用相關(guān)協(xié)議對數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)構(gòu)建全網(wǎng)視圖，管理者網(wǎng)絡(luò)上的資源。SDN NOS包含網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)核心，可以為上層應(yīng)用提供相應(yīng)的服務(wù)和運(yùn)行環(huán)境。

2.2 SDN構(gòu)建架構(gòu)抽象服務(wù)的功能

SDN是基于可編程思想的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面所組成，二者相互分離，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中化控制。SDN能夠支持網(wǎng)絡(luò)層的多種功能，為網(wǎng)絡(luò)提供抽象服務(wù)管理，抽象服務(wù)含有不同的功能。

SDN可以將虛擬機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中分離出來，實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)建和管理。在對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的不同LAN對虛擬機(jī)進(jìn)行遷移時，依然可以確保虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)中心的通信?；赟DN的網(wǎng)絡(luò)利用多種方式提升網(wǎng)絡(luò)安全性，有具有動態(tài)可擴(kuò)展優(yōu)點(diǎn)的創(chuàng)建虛擬化安全性設(shè)備，也有將安全策略和控制集中到控制平臺的管理方式。SDN控制器可以利用虛擬插線面板向交換機(jī)流表寫入流表項，讓不同的交換機(jī)端口形成級聯(lián)。通過SDN特有的可編程性，讓插線面板實(shí)現(xiàn)動態(tài)性，也能及時對交換機(jī)流表進(jìn)行修改。在基礎(chǔ)層級，通過保持SDN的負(fù)載均衡，讓服務(wù)器分布在多個數(shù)據(jù)中心，讓服務(wù)等級得到提高。

2.3 對SDN架構(gòu)控制平面技術(shù)的探究

在基于SDN技術(shù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，連接底層交換設(shè)備同上層應(yīng)用的是控制平面設(shè)備?？刂破魍ㄟ^協(xié)議實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理、監(jiān)測、轉(zhuǎn)發(fā)決策、數(shù)據(jù)調(diào)度等，還向上層開發(fā)相應(yīng)的可編程能力，根據(jù)相應(yīng)的場景制定適宜的策略。具有基本模塊的控制器為通用控制器，功能層面分為基本功能層和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層。

基本功能層為通用控制器提供最基本的功能，可以為通用控制器提供協(xié)議適配功能，方便接口協(xié)議的添加，同時還為上層應(yīng)用提供開發(fā)功能。協(xié)議適配功能是通用控制器具備的基本功能之一，可以方便添加接口協(xié)議，讓SDN更好地部署網(wǎng)絡(luò)動態(tài)。接口協(xié)議一部分用于同地層交換設(shè)備進(jìn)行信息交換，一部分用于對控制平面進(jìn)行分布式部署。上層應(yīng)用開發(fā)功能應(yīng)用于模塊管理、事件機(jī)制、任務(wù)日志、資源數(shù)據(jù)庫等的開發(fā)。模塊管理是對控制器中多個模塊進(jìn)行管理，能夠在不停止控制器運(yùn)行的情況下加載新的模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下業(yè)務(wù)的無縫切換。事件機(jī)制定義了事件創(chuàng)建、事件觸發(fā)、事件處理等相關(guān)操作。任務(wù)日志可以提供日志功能，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用程序的調(diào)試，讓SDN網(wǎng)絡(luò)更方便維護(hù)。資源數(shù)據(jù)庫包含網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時信息，以供開發(fā)人員隨時查詢。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層為控制器提供了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能，以提高開發(fā)效率，調(diào)用基本功能層實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的管理和監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層包含交換機(jī)管理、主機(jī)管理、拓?fù)涔芾?、轉(zhuǎn)發(fā)策略、虛網(wǎng)劃分等模塊。控制器從數(shù)據(jù)庫中直接獲取交換機(jī)信息，并將信息以直觀方式提供給用戶，也可以直接提取網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的信息，通過獲取這些信息后，形成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，完成對網(wǎng)絡(luò)的管理。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略，根據(jù)相應(yīng)的IP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，實(shí)行虛網(wǎng)劃分，同時根據(jù)集中控制、自動配置方式將虛擬網(wǎng)絡(luò)安全隔離。

2.4 對SDN架構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)平面技術(shù)的探究

Open Flow是SDN中的一種接口協(xié)議，利用基于安全連接的協(xié)議同控制器實(shí)現(xiàn)信息傳遞。在SDN的轉(zhuǎn)發(fā)平面上，Open Flow交換機(jī)是基礎(chǔ)設(shè)備。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備是由控制平面和數(shù)據(jù)平面耦合組成，控制平面利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)設(shè)備流表的生成和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的管理，數(shù)據(jù)平面則對數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)發(fā)。SDN中轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的控制平面和數(shù)據(jù)平面并不耦合，由遠(yuǎn)端控制器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)資源也有控制器進(jìn)行配置管理，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備只實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)

數(shù)據(jù)平面對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時，基本功能有轉(zhuǎn)發(fā)決策、背板轉(zhuǎn)發(fā)、輸出鏈路調(diào)度。Open Flow協(xié)議利用流表代替了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)表，可以更快地完成數(shù)據(jù)的處理動作。數(shù)據(jù)進(jìn)入交換機(jī)后，向從流表中進(jìn)行匹配查找，成功后就執(zhí)行相應(yīng)的處理，如果不匹配則由控制器處理決策。SDN應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心中，對交換機(jī)數(shù)據(jù)的交換速率有著非常高的要求，而設(shè)備的速率瓶頸在交換芯片上，能夠滿足交換速率的要求。正常情況下，交換機(jī)的一個端口向外發(fā)送數(shù)據(jù)包需要在隊列中等待處理。而支持服務(wù)質(zhì)量的交換機(jī)會對會對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類實(shí)現(xiàn)優(yōu)先排列，讓整個輸出鏈路處于有機(jī)處理流程中。

3 SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢

在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)，這使得網(wǎng)絡(luò)變得開放了，同時也為上層應(yīng)用提供了開放接口，讓網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度更加方便。

3.1 支持虛擬機(jī)的遷移

虛擬機(jī)進(jìn)行遷移時，虛擬機(jī)管理器通過相關(guān)接口向虛擬數(shù)據(jù)中心管理器發(fā)出遷移事件，虛擬數(shù)據(jù)中心管理器調(diào)用相關(guān)的應(yīng)用程序編程接口，實(shí)現(xiàn)對虛擬機(jī)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的遷移，讓虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)在遷移時可同步使用。

3.2 網(wǎng)絡(luò)流量得到優(yōu)化

SDN網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)利用Open Flow協(xié)議，對整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问竭M(jìn)行探測，明確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓诳刂泼嫘纬删W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D。操作系統(tǒng)根據(jù)虛擬機(jī)相應(yīng)的位置計算出兩個虛擬機(jī)的最佳路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的最佳轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)也支持等價多路徑轉(zhuǎn)發(fā)、有約束的最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)廣播抑制，讓帶寬得到節(jié)約。SDN架構(gòu)對設(shè)備流表進(jìn)行修改，讓轉(zhuǎn)發(fā)路徑得到有效改變，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化應(yīng)用，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3.3 租戶數(shù)量得到提高

SDN有著一定的可編程能力，SDN網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以加載模塊對不同組合的流量進(jìn)行識別，控制流表，讓同一租戶的流量在自己的虛擬機(jī)間轉(zhuǎn)發(fā)。原有的VLAN個數(shù)受到限制，不能超過4096個，租戶數(shù)目受限。SDN技術(shù)的應(yīng)用將解決租戶受限的問題，讓VLAN的個數(shù)突破限制，實(shí)現(xiàn)大量隔離租戶對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。由于對不同租戶分配虛擬數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)資源相互隔離，分配獨(dú)立的IP地址和網(wǎng)絡(luò)策略，讓網(wǎng)絡(luò)資源按照需求劃分，實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用。

3.4 自主化網(wǎng)絡(luò)功能

虛擬數(shù)據(jù)中心管理器對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行綁定，當(dāng)用戶部署虛擬機(jī)時，管理器會自動查詢到虛擬機(jī)的位置、網(wǎng)絡(luò)特性等，可以直接在交換機(jī)上對虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行部署，讓虛擬網(wǎng)絡(luò)的部署沒有了人工干擾。轉(zhuǎn)發(fā)面按照流表的指令對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不參與控制，讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)脫離了網(wǎng)絡(luò)硬件的限制，解放了軟件的創(chuàng)造性。SDN網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)施對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行探測，一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的鏈路中斷或交換機(jī)失效，就可以快速發(fā)出告警信息，通知維護(hù)人員及時修復(fù)，也可以重新設(shè)定路徑，讓失效的節(jié)點(diǎn)被排出在路徑之外，保證鏈路的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

SDN技術(shù)是一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，運(yùn)用虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制和存儲?；赟DN的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，能夠讓數(shù)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)相分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置。SDN網(wǎng)絡(luò)的虛擬化和開放化讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)智能部署和遷移，提供了眾多的虛擬租戶，讓網(wǎng)絡(luò)流量得到優(yōu)化，最大程度地提升網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳琳，吳強(qiáng).基于SDN技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心虛擬網(wǎng)絡(luò)[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2013（01）：40-44.

[2]梁琦.SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中心的應(yīng)用分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（02）：105-106.

[3]傅小寧，張振文，劉亞，陳穎霞.SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2016（10）：56-61.