—— 面向云計(jì)算虛擬化與自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)

在云計(jì)算時(shí)代，數(shù)據(jù)中心將成為我們應(yīng)用和數(shù)據(jù)交付關(guān)鍵中心，用戶從園區(qū)、遠(yuǎn)程分支點(diǎn)、無(wú)線和互聯(lián)網(wǎng)不同位置訪問(wèn)數(shù)據(jù)與服務(wù)，連接這些服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)比以往來(lái)得更重要一些。云計(jì)算需要可靠的、橫向擴(kuò)展和高性能網(wǎng)絡(luò)，從用戶接入、互聯(lián)網(wǎng)到數(shù)據(jù)中心。大規(guī)模部署虛擬化與云計(jì)算催生了以工作負(fù)載為中心的下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)需要為工作負(fù)載提供端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)資源響應(yīng)。如何應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)快速響應(yīng)需求是下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)人員不得不面對(duì)的挑戰(zhàn)。以新觀點(diǎn)來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)在新應(yīng)用下的挑戰(zhàn)，控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，軟件定義網(wǎng)絡(luò)為人們提供了新思路和新方法。筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，與大量用戶交流與反饋，閱讀了國(guó)內(nèi)外一些書(shū)籍、互聯(lián)網(wǎng)資料，在本文就近十網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)和商業(yè)應(yīng)用等方面給出了業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和解決方案，希望對(duì)讀者有所啟發(fā)。

云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展挑戰(zhàn)

云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)方便、快速、簡(jiǎn)單、按需訪問(wèn)可配置計(jì)算資源的管理模型 (部分定義來(lái)自nist)，云計(jì)算是企業(yè)IT資源管理的高級(jí)階段，隨業(yè)務(wù)變化而變化，而不僅僅是IT技術(shù)簡(jiǎn)單合并與應(yīng)用。云計(jì)算所包含內(nèi)容非常廣泛，分成不同層次，從最接近用戶的上層到最下面的物理層，包含有業(yè)務(wù)接口層、應(yīng)用平臺(tái)層、分布式操作系統(tǒng)層、虛擬化層、硬件架構(gòu)層和數(shù)據(jù)中心設(shè)施層、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)層，同時(shí)有支撐不同層次之間管理和平臺(tái)，技術(shù)之外就作為商業(yè)模式出現(xiàn)的云服務(wù)交付體系和互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)等。而架構(gòu)即服務(wù)云計(jì)算是什么呢，很簡(jiǎn)單，就是根據(jù)用戶需求，在虛擬化層、硬件層和數(shù)據(jù)中心設(shè)施基礎(chǔ)等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源管理與調(diào)配的云計(jì)算服務(wù)，具備了這些特征計(jì)算模式就可以稱之為架構(gòu)即服務(wù)云。

云計(jì)算高級(jí)智能模式將使每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)化成獨(dú)立反應(yīng)單元，計(jì)算節(jié)點(diǎn)無(wú)條件反射處理由本身獨(dú)立處理完成，而高級(jí)條件反射和智能分析則通過(guò)云計(jì)算高級(jí)神經(jīng)中樞完成。與生物進(jìn)化過(guò)程相比較，云計(jì)算進(jìn)化過(guò)程類似于生物從低等到高等進(jìn)化過(guò)程。目前計(jì)算資源對(duì)業(yè)務(wù)反應(yīng)模式還只是處于無(wú)脊椎動(dòng)物十分有限能力階段，非常不靈活，而隨著芯片技術(shù)和軟件能力進(jìn)階，慢慢地計(jì)算資源調(diào)度模式就會(huì)進(jìn)化到有脊椎動(dòng)物高級(jí)復(fù)雜階段。在進(jìn)化過(guò)程中，計(jì)算單元單位體積內(nèi)的芯片處理能力和密度每一年半翻倍提升，與此同時(shí)，起著傳輸神經(jīng)信息的網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑數(shù)目與計(jì)算細(xì)胞單元是幾何平方匹配。

用戶需求不斷變化，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜

十年以來(lái)，用戶數(shù)量指數(shù)增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、流量和管理發(fā)展使得用戶和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不堪重負(fù)。Cisco交換機(jī)固件文件大小從原來(lái)的300K到現(xiàn)在的幾十兆，路由器IOS軟件從1998的8兆左右到現(xiàn)在幾百兆到幾個(gè)G都是常見(jiàn)的的事。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)源代碼行數(shù)也增長(zhǎng)到幾百萬(wàn)條，越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議被加入到網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，廠家的研發(fā)難度不斷加大，用戶的學(xué)習(xí)成本不斷增加。尤其是控制平面的功能特性，從基本的OSPF、BGP、多播和查分服務(wù)質(zhì)量保證到多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）、流量工程Traffic Engineering（又分為基于路由協(xié)議的流量工程如OSPF-TE和基于4層應(yīng)用的流量工程如RSVP-TE）、大規(guī)模地址轉(zhuǎn)換（NAT）、智能分析處理防火墻、不同形式2/3層虛擬專用網(wǎng)VPN、IPv6與IPv4互相混搭、移動(dòng) IP網(wǎng)絡(luò)、用戶管理認(rèn)證授權(quán)和訪問(wèn)、記錄功能等等，無(wú)數(shù)越來(lái)越多的用戶要求被加入到網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)里面來(lái)，以致領(lǐng)先網(wǎng)絡(luò)公司都宣稱自己是軟件公司而不是硬件公司了。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變成了恐龍一樣的怪物，讓人見(jiàn)而生畏。雖然在第一時(shí)間解決用戶痛點(diǎn)和滿足市場(chǎng)要求是我們網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商的責(zé)任和期望，不夠遺憾的是由于網(wǎng)絡(luò)軟件控制特性與硬件集成度高，從初期協(xié)議想法到協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化大一般需要十年，而從標(biāo)準(zhǔn)化到規(guī)模部署又需要三到五年，導(dǎo)致用戶需求總是被嚴(yán)重地推遲滿足。另一方面，由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與廠家硬件系統(tǒng)架構(gòu)高度集成，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)都是封閉（盡管廠家可能使用通用商業(yè)化產(chǎn)品作為收發(fā)芯片），所以與之配套的軟件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證只能由網(wǎng)絡(luò)廠家根據(jù)商業(yè)利益最大化決定推動(dòng)，用戶不得不忍受被鎖定的痛苦。而用戶被鎖定后，基于用戶最大利益創(chuàng)新愿望對(duì)廠家來(lái)講就沒(méi)有那么強(qiáng)烈了，形成了需求與研發(fā)的負(fù)反饋效應(yīng)。

云計(jì)算虛擬化移動(dòng)性，需要更加靈活敏捷的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)

根據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)（圖6），到2013年底虛擬機(jī)部署數(shù)量將是物理機(jī)的2.5倍，達(dá)到8千2百萬(wàn)臺(tái)，虛擬機(jī)節(jié)省了大量的物理購(gòu)買成本，但在管理復(fù)雜度上面造成運(yùn)營(yíng)成本增加也非常顯著，比如虛擬資源脫離了物理設(shè)備相對(duì)靜態(tài)信息，排錯(cuò)難度大大增加。虛擬交換機(jī)既要與現(xiàn)有虛擬管理平臺(tái)兼容，又要應(yīng)對(duì)高度動(dòng)態(tài)變化端設(shè)備，維護(hù)虛擬邏輯抽象鏈接，集成與交換硬件設(shè)備功能，從移動(dòng)性、機(jī)動(dòng)性、維護(hù)性和集成性分類如下：

• 跟蹤設(shè)備移動(dòng)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)實(shí)體（比如虛擬機(jī)）的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)需要簡(jiǎn)單確定，不同主機(jī)之間可相互遷移節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

• 響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化。虛擬化環(huán)境最大特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)高度狀態(tài)變化，跟蹤虛擬機(jī)加入和離開(kāi)，虛擬機(jī)往前或往后即時(shí)移動(dòng)，邏輯網(wǎng)絡(luò)環(huán)境快速變化，開(kāi)放式控制平面控制流量和全局網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)管理。

• 維護(hù)虛擬化邏輯標(biāo)記。分布式虛擬交換機(jī)通常通過(guò)增加或管理虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，來(lái)維護(hù)虛擬網(wǎng)絡(luò)或邏輯區(qū)域上下文，這是容易理解的簡(jiǎn)單方式，需要正確和高效管理這些虛擬化標(biāo)記。

• 集成操作系統(tǒng)和硬件。把虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑設(shè)計(jì)成“卸載”模式，數(shù)據(jù)包處理由硬件芯片完成，以獨(dú)立軟件或硬件芯片方式實(shí)現(xiàn)靈活控制，增加虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能。

云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)管理方式改變——面向工作負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度

要全面實(shí)現(xiàn)新一代數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)管理移動(dòng)性，就需要虛擬協(xié)調(diào)角色，統(tǒng)一規(guī)劃和部署IT智能基礎(chǔ)架構(gòu)，于是催生了工作負(fù)載為中心的IT管理模式，傳統(tǒng)分離IT管理模式不再合適，傳統(tǒng)IT資源分配的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式也不再合適。

工作負(fù)載是計(jì)算機(jī)所執(zhí)行工作的邏輯分類，它包括誰(shuí)在做工作（Who）、做什么工作（What）和如何做工作（How），它以業(yè)務(wù)觀點(diǎn)來(lái)看工作分類，非IT技術(shù)特征。工作內(nèi)容包括部分系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用、用戶應(yīng)用連接和應(yīng)用交互。工作績(jī)效指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間和吞吐量，也就是服務(wù)響應(yīng)水平。響應(yīng)時(shí)間是用戶發(fā)出請(qǐng)求與系統(tǒng)響應(yīng)之間的時(shí)間差。吞吐量是在一定時(shí)間內(nèi)完成了多少工作。工作負(fù)載工作內(nèi)容不一樣，IT資源消耗重點(diǎn)就不一樣，可以分為四類，CPU計(jì)算型、內(nèi)存緩沖型、存儲(chǔ)IOPS型或存儲(chǔ)帶寬型、網(wǎng)絡(luò)IOPS型或網(wǎng)絡(luò)帶寬型。保證服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一視圖，決定了以工作負(fù)載為中心的資源調(diào)度模式不但需要統(tǒng)一虛擬角色負(fù)責(zé)，還需要技術(shù)上對(duì)應(yīng)角色平臺(tái)保證。

#p#

軟件定義網(wǎng)絡(luò)介紹

一方面是控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面集成，越來(lái)越復(fù)雜，創(chuàng)新緩慢；另一方面是虛擬化資源移動(dòng)性要求更加強(qiáng)大靈活、簡(jiǎn)單的控制平面，兩者之間的差距越來(lái)越大，用戶為使用網(wǎng)絡(luò)所付出的總擁有成本越來(lái)越大。難道對(duì)于解決這兩個(gè)問(wèn)題用戶就永遙遙無(wú)期了嗎？非也，答案其實(shí)很簡(jiǎn)單，一方面，既然軟、硬件綁定導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用緩慢，那么我們就把它們分開(kāi)來(lái)，各自相對(duì)靈活獨(dú)立發(fā)展，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)的靈活簡(jiǎn)單的控制平面。另一方面，云計(jì)算和虛擬化需要極大的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性要求，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面都需要橫向擴(kuò)展和極大性能增強(qiáng)，大家平行分離，而擴(kuò)展模式下控制平面的控制信息本身流量有限并可預(yù)計(jì)，所以人們就不需要昂貴的專門高性能轉(zhuǎn)發(fā)芯片處理控制信息，那么經(jīng)濟(jì)性解決方案就是控制平面由獨(dú)立可擴(kuò)展軟件實(shí)現(xiàn)。同樣一個(gè)方法，解決兩個(gè)大問(wèn)題！于是一群先行者就開(kāi)始軟件控制獨(dú)立與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面之旅，我們稱之為軟件定義網(wǎng)絡(luò)。

什么是軟件定義網(wǎng)絡(luò)？

軟件定義網(wǎng)絡(luò)，又有人稱為可編程網(wǎng)絡(luò)，就是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置平面從嵌入式節(jié)點(diǎn)獨(dú)立出來(lái)到軟件平臺(tái)，由軟件驅(qū)動(dòng)的中央控制節(jié)點(diǎn)自動(dòng)化控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)以開(kāi)放軟件模式替代傳統(tǒng)基于嵌入系統(tǒng)的、不夠靈活的控制平面。軟件定義網(wǎng)絡(luò)是新的網(wǎng)絡(luò)控制平面實(shí)現(xiàn)方法，它適應(yīng)了降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、虛擬化和云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)需求。它的發(fā)展是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)廠家封閉專有控制平面技術(shù)產(chǎn)生了的破壞性創(chuàng)新，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)廠家變革導(dǎo)致巨大推力和影響?？刂破矫婧娃D(zhuǎn)發(fā)平面分離，轉(zhuǎn)發(fā)平面特性減少，專注而簡(jiǎn)單，減少了設(shè)備硬件從而減少了資本性支出（Capex），運(yùn)營(yíng)性支出 Opex減少原因是集中的、橫向擴(kuò)展和自動(dòng)化簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理，減少人工支出。
 

圖1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)示意圖

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上核心技術(shù)本身并沒(méi)有什么創(chuàng)新，傳統(tǒng)交換或路由設(shè)備也都有獨(dú)立轉(zhuǎn)發(fā)平面或強(qiáng)大控制平面，只不過(guò)傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)發(fā)平面是通過(guò)在同一個(gè)機(jī)箱的不同接口模塊去完成，控制平面由機(jī)箱的路由交換控制模塊完成，缺點(diǎn)當(dāng)然是開(kāi)放性不夠、及時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化能力有限，原因是比如設(shè)備無(wú)法做到第三方編程自動(dòng)化集成，每個(gè)設(shè)備需要單獨(dú)維護(hù)自己的地址表，有限CPU和內(nèi)存卻需要全網(wǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)處理。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)設(shè)備有點(diǎn)智能，但是非常有限，它們只能根據(jù)本節(jié)點(diǎn)進(jìn)出數(shù)據(jù)流做出被動(dòng)響應(yīng)，無(wú)法知道其他節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)狀況。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)離散式自我控制，只見(jiàn)個(gè)別樹(shù)木或樹(shù)葉，沒(méi)有大家統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制平面，不見(jiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)森林，所以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，盡管實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，其架構(gòu)基本是靜態(tài)的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所謂動(dòng)態(tài)調(diào)度實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)也就是二層和三層的實(shí)現(xiàn)鏈路資源動(dòng)態(tài)分配，而對(duì)于四到七層與二三層是否匹配和諧而調(diào)度，則心有余而力不足。即便有折中解決方案，也只是需要處在固定位置的昂貴負(fù)載均衡或安全設(shè)備協(xié)助完成。

理想的軟件定義網(wǎng)絡(luò)模式下，獨(dú)立的離散式智能從分支節(jié)點(diǎn)上收到中央控制節(jié)點(diǎn)，中央樞紐保持全網(wǎng)流量監(jiān)視和控制，從OSI 2層到7層實(shí)時(shí)把握網(wǎng)絡(luò)整體狀況，即時(shí)控制和調(diào)度，建立強(qiáng)大中央智能，對(duì)全網(wǎng)和100%垂直完整做出有效反應(yīng)。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，中央控制節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)相應(yīng)算法、邏輯、分析和規(guī)則，以軟件定義規(guī)范方式將配置信息推到交換和路由節(jié)點(diǎn)，完成路由或交換從中央控制節(jié)點(diǎn)接受特定格式指令規(guī)則過(guò)程，交換和路由節(jié)點(diǎn)更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面落地規(guī)則，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。中央控制節(jié)點(diǎn)針對(duì)每個(gè)細(xì)分的網(wǎng)絡(luò)路徑，按照一條條“信息流”細(xì)分，每個(gè)“信息流”數(shù)據(jù)落地轉(zhuǎn)發(fā)由每個(gè)特定交換或路由節(jié)點(diǎn)完成。當(dāng)計(jì)算或存儲(chǔ)資源變化時(shí)，中央控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)分析結(jié)果重新調(diào)整節(jié)點(diǎn)配置規(guī)則，這樣就實(shí)現(xiàn)虛擬化和云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)所需要的自動(dòng)化和精細(xì)化動(dòng)態(tài)配置管理。

#p#

常見(jiàn)專有軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)——vSphere之VNetwork體系架構(gòu)

VMware vShpere可以通過(guò)虛擬化交換機(jī)控制平面管理VLAN、QoS策略和ACL，vNetwork API提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，網(wǎng)絡(luò)廠家根據(jù)接口開(kāi)發(fā)與專有固件互動(dòng)功能。網(wǎng)絡(luò)廠家在虛擬化控制臺(tái)安裝控制插件，當(dāng)虛擬機(jī)移動(dòng)或變化時(shí)，對(duì)應(yīng)指令從vSphere API上層發(fā)出，插件被調(diào)用，指揮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度物理交換資源，自然而然vShpere成為了虛擬化交換網(wǎng)絡(luò)的控制平面代理。Cisco Nexus 1000v就是一種基于VMware體系架構(gòu)的專用實(shí)現(xiàn)，它不但兼容了VSphere標(biāo)準(zhǔn)API，而且提供了標(biāo)準(zhǔn)Cisco IOS命令行方式。
 

圖2 vSphere的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Dell Force10新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)支持虛擬化感知軟件定義網(wǎng)絡(luò)。Dell Force10邊緣交換機(jī)FTOS可以安裝虛擬管理器插件到虛擬操作系統(tǒng)包括VMware和Citrix，當(dāng)虛擬控制平臺(tái)移動(dòng)虛擬機(jī)時(shí)，通知插件以Hyperlink方式在目的交換機(jī)FTOS上運(yùn)行配置腳本，自動(dòng)配置與虛擬機(jī)所匹配的網(wǎng)絡(luò)資源，而后移動(dòng)虛擬機(jī)。
 

圖3 Dell Force10 集成自動(dòng)化及虛擬感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 來(lái)源：www.force10networks.com

軟件定義網(wǎng)絡(luò)——無(wú)線局域網(wǎng)

其實(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器與無(wú)線接入點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)某種程度上也算軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。以戴爾公司PowerConnect-W無(wú)線解決方案為例，無(wú)線接入點(diǎn)AP92/93系列提供無(wú)線接入轉(zhuǎn)發(fā)平面，無(wú)線控制器W650系列實(shí)現(xiàn)同一用戶認(rèn)證，基于用戶服務(wù)質(zhì)量服務(wù)定義，集中管理加密信息，控制器分發(fā)控制策略到轉(zhuǎn)發(fā)平面接入點(diǎn)，控制器與接入點(diǎn)之間信息加密傳輸，組成完整、安全和可定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
 

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件定義架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)——Juniper QFabric

Juniper定義了專有的下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)QFabric。QFabric是全新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面交換體系架構(gòu)，從邊緣交換到核心交換都采用了新型交換架構(gòu)，支持大規(guī)模節(jié)點(diǎn)接入。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面有QF/Interconnect核心節(jié)點(diǎn)、QF/Node作為邊緣節(jié)點(diǎn)，控制平面由QF/Director組成。控制平面QF/Director由冗余x86物理服務(wù)器集群組成，通過(guò)雙千兆鏈接控制每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，控制鏈路獨(dú)立于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面鏈路，控制平面節(jié)點(diǎn)就是我們說(shuō)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的中央控制節(jié)點(diǎn)。 

圖5 瞻博QFabric系統(tǒng)架構(gòu)圖 來(lái)源：www.juniper.com

#p#

OpenFlow軟件定義網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用

開(kāi)源軟件定義網(wǎng)絡(luò)OpenFlow架構(gòu)

Open Networking Foundation （ONF）開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)今年成立以來(lái)，OpenFlow規(guī)范得到主流網(wǎng)絡(luò)廠家追捧，尤其是最近在Las Vegas Interop 2011舉行網(wǎng)絡(luò)大會(huì)，OpenFlow大出風(fēng)頭。究其原因，其背后基本理念是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Network）。OpenFlow規(guī)范實(shí)際上是一整套軟件應(yīng)用程序接口，控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)發(fā)，可基于硬件實(shí)現(xiàn)，OpenFlow增加了定制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的控制程度，減少了支撐復(fù)雜控制所需的硬件成本。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)規(guī)范與支持OpenFlow的交換節(jié)點(diǎn)溝通配置信息，決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的轉(zhuǎn)發(fā)表，控制器與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)SSL加密傳輸。OpenFlow支持定義的“信息流”主要是從1層到4層的關(guān)鍵信息包括端口號(hào)、VLAN、MAC、以太網(wǎng)包頭、IP地址、 IP協(xié)議號(hào)、TCP端口號(hào)等。配置信息通常包括“信息流”和與之對(duì)于的動(dòng)作。每個(gè)“信息流”有符合某種特征的數(shù)據(jù)包及動(dòng)作組成，比如源IP/源Port，目的IP/目的Port，5種不同轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。 

圖6 OpenFLow的架構(gòu)圖

圖7 OpenFlow“信息流”定義

用戶可以通過(guò)OpenFlow預(yù)設(shè)通用規(guī)則，每種不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)更新轉(zhuǎn)發(fā)平面規(guī)則，比如轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)更新MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表、VLAN端口轉(zhuǎn)發(fā)表、1到4層轉(zhuǎn)發(fā)表，路由器修改訪問(wèn)控制IP列表，防火墻修改進(jìn)出端口規(guī)則等。

圖8 不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用不同網(wǎng)絡(luò)“信息流”規(guī)則

OpenFlow它增加了網(wǎng)絡(luò)靈活控制能力，分布式節(jié)點(diǎn)智能通過(guò)OpenFlow指令得以實(shí)現(xiàn)，外部OpenFlow控制管理節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制，集中統(tǒng)一中央智能。OpenFlow根據(jù)運(yùn)行實(shí)況實(shí)時(shí)控制分布式節(jié)點(diǎn)，分布式節(jié)點(diǎn)生成快速轉(zhuǎn)發(fā)表，無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜智能分析計(jì)算，只要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面功能。當(dāng)新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)加入到OpenFlow網(wǎng)絡(luò)時(shí)，自動(dòng)從中央控制節(jié)點(diǎn)得的最新網(wǎng)絡(luò)配置信息，完成網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化感知。而中央控制節(jié)點(diǎn)基于x86標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器架構(gòu)，強(qiáng)大計(jì)算能力和橫向擴(kuò)展特性保證了控制平面擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。

OpenFlow獨(dú)立控制平面出現(xiàn)，TRILL或Shortest Path Bridging協(xié)議變得不是那么重要，因?yàn)镺penFlow控制器可以擁有有全網(wǎng)視圖，所以動(dòng)態(tài)防止環(huán)路發(fā)生。OpenFlow不但增加了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)平面的效率，在提供高級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面還可以展現(xiàn)獨(dú)特價(jià)值，比如多對(duì)一的網(wǎng)絡(luò)虛擬化，分布式負(fù)載均衡和分布式防火墻或入侵檢測(cè)，非常不同于傳統(tǒng)模式的一對(duì)多網(wǎng)絡(luò)虛擬化模式。每一類分布式網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)與單獨(dú)云租戶對(duì)應(yīng)，每個(gè)云租戶都有獨(dú)立的跨物理節(jié)點(diǎn)的虛擬化網(wǎng)絡(luò)，比如不同虛擬端口交換機(jī)，對(duì)租戶管理員來(lái)物理網(wǎng)絡(luò)端口透明，邏輯化網(wǎng)絡(luò)派生于在物理網(wǎng)絡(luò)資源上抽象出的網(wǎng)絡(luò)虛擬資源池。虛擬機(jī)移動(dòng)后，當(dāng)虛擬機(jī)相應(yīng)“信息流”的第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)移動(dòng)后的本地交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，如果本地交換機(jī)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)匹配的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)被送到中央管理節(jié)點(diǎn)，中央管理節(jié)點(diǎn)根據(jù)定義規(guī)則邏輯設(shè)定本地規(guī)則，并應(yīng)用到本地交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表建立新的匹配項(xiàng)，之后的“信息流”不再通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)，由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)直接完成。

OpenFlow在虛擬化軟件交換機(jī)Open vSwitch應(yīng)用

Open vSwitch是多層虛擬化軟件交換機(jī)，它遵循Apache 2.0開(kāi)源代碼版權(quán)協(xié)議，可用于生產(chǎn)環(huán)境，支持跨物理服務(wù)器分布式管理、擴(kuò)展編程、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)了和大多數(shù)商業(yè)閉源交換機(jī)功能類似的軟件交換機(jī)。 OpenSwitch分離快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，OpenFlow作為新型控制平面，不同物理主機(jī)的虛擬化交換機(jī)通過(guò)OpenFlow控制，集群組成分布式虛擬化交換機(jī)，還可以實(shí)現(xiàn)不同租戶虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)隔離。正是由于Open vSwitch對(duì)OpenFlow支持，推動(dòng)了OpenFlow在開(kāi)源虛擬化領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

#p#

軟件定義網(wǎng)絡(luò)商業(yè)價(jià)值應(yīng)用展望

軟件定義網(wǎng)絡(luò)OpenFlow在超大規(guī)模Web 2.0 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

Web 2.0用戶如Google、Facebook的服務(wù)器臺(tái)數(shù)近百萬(wàn)臺(tái)，單數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)目也超過(guò)十萬(wàn)臺(tái)，國(guó)內(nèi)公司如Tencent、Aliababa和Baidu安裝服務(wù)器數(shù)估計(jì)也超過(guò)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)。在這些超大規(guī)模服務(wù)器群的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)尤為重要，穩(wěn)定、可靠和高性能的網(wǎng)絡(luò)是Web 2.0業(yè)務(wù)的生命線。一方面在核心層實(shí)現(xiàn)高可靠性和高性能，另一方面是大量的服務(wù)器接入需要內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和管理網(wǎng)接口，3倍以上端口數(shù)目，大量接入層設(shè)備成本成為是基礎(chǔ)架構(gòu)成本的重要組成。為了進(jìn)一步降低服務(wù)器成本，集中、整合與開(kāi)源虛擬化是下一代Web 2.0架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，單一數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)數(shù)目將部署到上十萬(wàn)臺(tái)，這種環(huán)境下的公共云虛擬化移動(dòng)性比我們之前說(shuō)私有云移動(dòng)性來(lái)得技術(shù)更加復(fù)雜、管理更加困難，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)廠家設(shè)備非常難以滿足超大規(guī)模的“信息流”要求。

從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遷移到軟件定義網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)艱難的旅程。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用演變過(guò)程有兩種方式，一種是先邊緣后核心，另外一種是先中心后邊緣，不過(guò)從客戶心理學(xué)來(lái)看，先邊緣后核心是更容易接受的應(yīng)用方式，所以我們可以預(yù)計(jì)OpenFlow應(yīng)用過(guò)程也將是從邊緣到核心的應(yīng)用過(guò)程。具體方式是用戶在接入層采用支持OpenFlow交換機(jī)，建立獨(dú)立管理網(wǎng)，安裝獨(dú)立開(kāi)發(fā)的或商用控制平臺(tái)軟件，測(cè)試和完善控制平臺(tái)軟件，從類OpenFlow交換機(jī)采集數(shù)據(jù)流量模式和優(yōu)化定義規(guī)則，并同時(shí)至頂向下從應(yīng)用角度分析，兩種分析方式結(jié)合抽象出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型，這就是軟件定義網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則基礎(chǔ)，從是什么推進(jìn)到應(yīng)該是什么，再到如何是什么。

目前主流交換機(jī)廠家都還沒(méi)有推出OpenFlow交換機(jī)，NEC公司是第一個(gè)推出支持OpenFlow交換機(jī)的公司，產(chǎn)品型號(hào)是PF5240，帶有48個(gè)千兆和4個(gè)萬(wàn)兆上聯(lián)端口，NEC還開(kāi)發(fā)了OpenFlow控制器軟件支持PF5240或其它第三方OpenFlow兼容交換機(jī)。

圖9 OpenFlow基于3層網(wǎng)絡(luò)建立2層虛擬化轉(zhuǎn)發(fā)路徑

如上圖所示，OpenFlow在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)里建立從一臺(tái)虛擬機(jī)到另外一臺(tái)虛擬機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，虛擬機(jī)與虛擬機(jī)之間的三層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立了二層廣播域——虛擬以太網(wǎng)交換機(jī)，OpenFlow擴(kuò)展了三層相對(duì)靜態(tài)功能，根據(jù)數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)建立負(fù)載均衡決策路徑，并依據(jù)虛擬化交換網(wǎng)絡(luò)配置改變最優(yōu)化的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而簡(jiǎn)化了大型數(shù)據(jù)中心3層網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)2層虛擬機(jī)移動(dòng)性要求。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)OpenFlow在電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)里，IP層網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立分離的，它們分別單獨(dú)管理，IP網(wǎng)和傳輸網(wǎng)之間沒(méi)有交互，IP鏈路靜態(tài)配置，傳輸層電路或放大器也是靜態(tài)的，導(dǎo)致不同層次功能和資源重復(fù)，增加用戶采購(gòu)成本和運(yùn)營(yíng)成本負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電路交換更無(wú)法自動(dòng)感知報(bào)文交換要求，自動(dòng)化控制平面操作，只是被動(dòng)地依賴網(wǎng)管平臺(tái)手工操作，服務(wù)交付時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾天，運(yùn)營(yíng)商只能是成為網(wǎng)絡(luò)帶寬銷售者。尤其在云計(jì)算環(huán)境下，需要跨越數(shù)據(jù)中心的資源管理，需要上層資源與物理鏈路層調(diào)度的匹配與自動(dòng)化，每個(gè)租戶在數(shù)據(jù)中心之外需要建立虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和實(shí)現(xiàn)自助管理。這樣用戶趨勢(shì)就是報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)與電路交換網(wǎng)絡(luò)融合，在同一平臺(tái)下管理和運(yùn)維，報(bào)文交換和電路交換之間互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同層次間動(dòng)態(tài)調(diào)度。但是問(wèn)題是報(bào)文和電路融合非常困難，因?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常不一樣，整合運(yùn)維非常困難，傳輸網(wǎng)絡(luò)保持不變，結(jié)果會(huì)造成融合更加膨脹，最后導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用，所以有專家說(shuō)了架構(gòu)融合才是真正融合。哪什么才是最佳控制和管理方式呢？可不可以基于1層到4層建立 “信息流”的控制方式呢？可以，解決思路是按光纖、放大器、時(shí)隙和報(bào)文內(nèi)容細(xì)分，從電路交換和報(bào)文交換抽象映射到2到4層信息流交換層，實(shí)現(xiàn)基于廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化。斯坦福大學(xué)的有關(guān)專家正在積極研究將報(bào)文交換和電路交換集成,，合并起來(lái)統(tǒng)一抽象并管理和控制，實(shí)現(xiàn)基于“信息流”網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)，基于不同流量和應(yīng)用模型建立端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)虛擬化，這些研究為OpenFlow在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供無(wú)限的可能性。

圖10 運(yùn)營(yíng)商基于”流”統(tǒng)一控制管理網(wǎng)絡(luò)

#p#

軟件定義網(wǎng)絡(luò)發(fā)展挑戰(zhàn)

盡管軟件定義網(wǎng)絡(luò)發(fā)展可以幫助我們解決云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的管理和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，前途是非常光明的，但從目前發(fā)展階段來(lái)看還是需要較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和普及過(guò)程，從技術(shù)本身到管理和市場(chǎng)方面都有不少的挑戰(zhàn)。

第一點(diǎn)，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)大量“信息流”表，控制節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存及其他資源需要相應(yīng)提高，大量突發(fā)的第一次“信息流”建立可能會(huì)導(dǎo)致新的“信息流”瓶頸問(wèn)題。而且如果控制點(diǎn)故障，大量“信息流”需要在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)重建，突發(fā)“信息流”配置對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和魯棒性都會(huì)有潛在的巨大影響。

第二點(diǎn)，OpenFlow成熟度問(wèn)題，目前OpenFlow還只應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和校園內(nèi)部網(wǎng)。沒(méi)有大規(guī)模產(chǎn)品化，量產(chǎn)之前的成本優(yōu)勢(shì)還是很大疑問(wèn)。網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商選擇不多，沒(méi)有供應(yīng)商與供應(yīng)商橫向比較，企業(yè)難以通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方式獲取新技術(shù)并最優(yōu)成本的產(chǎn)品。除了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)成熟度問(wèn)題外，因?yàn)槟壳安](méi)有商業(yè)化的控制平臺(tái)，如何實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)軟件開(kāi)發(fā)、如何維護(hù)升級(jí)也是大問(wèn)題。OpenFlow產(chǎn)業(yè)的先行者還需要對(duì)企業(yè)用戶進(jìn)行更多初期普及、培育、培訓(xùn)工作，幫助他們了解、測(cè)試和小規(guī)模測(cè)試軟件定義網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)產(chǎn)品。

第三點(diǎn)，和大多數(shù)開(kāi)源項(xiàng)目一樣，目前OpenFlow等項(xiàng)目無(wú)法像商業(yè)解決方案一樣有獨(dú)立的商業(yè)機(jī)構(gòu)為客戶提供專業(yè)從咨詢、、分析、設(shè)計(jì)、部署和運(yùn)維管理服務(wù)，保證客戶網(wǎng)絡(luò)與IT系統(tǒng)運(yùn)行。用戶需要更多更高水平的有經(jīng)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，非一站式解決方案將導(dǎo)致學(xué)習(xí)成本比較高昂。盡管很多大公司參與OpenFlow項(xiàng)目，但是開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)力和技術(shù)支持主要來(lái)自社區(qū)自由軟件編程人員。所以成熟的閉源軟件定義網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)在普通企業(yè)應(yīng)用尤其是私有云起主導(dǎo)作用。

第四點(diǎn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)天生的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。集中智能雖然可以給運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)全網(wǎng)視圖和優(yōu)化，以簡(jiǎn)化管理提高效率的好處，但是也帶來(lái)而外的管理風(fēng)險(xiǎn)，中央中樞如果損壞或被黑客侵入怎么辦？（基于x86軟件系統(tǒng)顯然比私有嵌入架構(gòu)容易受到黑客攻擊，尤其是開(kāi)源社區(qū)提供豐富源代碼），結(jié)果會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓或變成僵尸網(wǎng)絡(luò)，變成又聾又啞或失去控制的龐大網(wǎng)絡(luò)怪物？網(wǎng)絡(luò)攻擊將從單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接上升為集中網(wǎng)絡(luò)控制器，后果將更加嚴(yán)重。

作者簡(jiǎn)介

李海平，郵件：haipingli@139.co，新浪微博”行云流水萬(wàn)泉河”，近20年IT行業(yè)市場(chǎng)和管理經(jīng)驗(yàn)，清華大學(xué)畢業(yè)，香港科技大學(xué)MBA，CCIE#4435 (R&S、SNA/IP)，熱衷研究應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)、商業(yè)管理和IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在IT商業(yè)分析、IT與業(yè)務(wù)整合、云計(jì)算、應(yīng)用架構(gòu)、虛擬化、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)業(yè)務(wù)拓展及管理等方面有多年經(jīng)驗(yàn)。擔(dān)任國(guó)際分布式管理任務(wù)工程組會(huì)員(DMTF)、國(guó)際存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員(SNIA)、外設(shè)組件互聯(lián)組織會(huì)員(PCI-SIG)和串行ATA國(guó)際組織會(huì)員(SATA)。目前負(fù)責(zé)Dell大中華區(qū)下一代數(shù)據(jù)中心刀片服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，積極推動(dòng)中國(guó)客戶發(fā)展新興技術(shù)，應(yīng)用戴爾全球客戶最佳實(shí)踐。