OpenStack Neutron結(jié)合SDN的架構(gòu)分析
OpenStack 開源社區(qū)為云計算提供了最大平臺，有多個組件分別實現(xiàn)計算(Nova)、存儲(Cinder/Swift)、監(jiān)控(Ceilometer)和網(wǎng)絡(luò)(Neutron)等服務(wù)。隨著Neutron逐漸成熟，越來越多的云計算廠家開始選用Neutron組件，并且有大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和云計算方案廠商為 Neutron提供硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)方案，使得Neutron的發(fā)展倍受關(guān)注。
Neutron的華麗
云計算改變了用戶的業(yè)務(wù)部署方式，從而幫助用戶節(jié)省設(shè)備和運營成本。例如，類似12306 的火車票業(yè)務(wù)，它具有非常明顯的時節(jié)性，平常的業(yè)務(wù)流量并不是特別大，但到了節(jié)假日業(yè)務(wù)量會猛增。如果采用傳統(tǒng)的方式部署硬件設(shè)備，勢必會在業(yè)務(wù)流量少時造成硬件設(shè)備資源的浪費，而在業(yè)務(wù)流量猛增時又不能及時擴展硬件資源。但如果在云上運營，則可以在業(yè)務(wù)流量少時減少云主機和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源，在業(yè)務(wù)流量猛增時快速部署大量虛擬機，為新業(yè)務(wù)量提供服務(wù)。理想的方式是通過SDS(Software Defined Storatge)和 SDN(Software Defined Network)等方式，讓業(yè)務(wù)(相當于SDN中的App，即Software)在激增時，自動調(diào)用相關(guān)接口，申請并使用滿足其需求的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源。其中SDN是目前網(wǎng)絡(luò)和云計算領(lǐng)域中非?；馃岬木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它結(jié)合 NFV(Network Function Virtualization)等相關(guān)技術(shù)，掀起了一場顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的革命。圖1是Neutron的拓撲示意圖。
圖1 Neutron拓撲示意圖
Neutron自身無法克服的難題
Neutron中提供了使用虛擬路由器實現(xiàn)租戶網(wǎng)絡(luò)的互通和隔離、安全組(Security Group)、防火墻(FWaas)、負載均衡(LBaas)和虛擬專用網(wǎng)(VPNaas)等服務(wù)。在Neutron網(wǎng)絡(luò)中還可以采用VMaas(VM as a Service)的方式提供一些極易創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括Neutron中不支持的接入VPN等功能。雖然Neutron 的功能已經(jīng)相對比較完備，但還存在一些不足之處，這也是為何Neutron需要SDN架構(gòu)的部分原因。
有很多的網(wǎng)絡(luò)功能無法滿足部署需求，例如基于VM網(wǎng)卡或IP的限速、基于路由的限速以及基于租戶的限速等網(wǎng)絡(luò)需求，至今仍沒有完善的解決方案，而這些在實際物理網(wǎng)絡(luò)中部署都是極其常見的功能。曾經(jīng)有人提出用Libvirt對虛擬機網(wǎng)卡的inbound average和outbound average做出入方向的限速，但我認為這個方案非常不妥。部署該方案時是通過設(shè)置flavor的quota:vif_inbound_average和 quota:vif_outbound_average來實現(xiàn)的，會導(dǎo)致對VM的所有網(wǎng)卡都做限制。而且該方案不僅限制了南北流量，還限制了東西流量，是不可用的方案。Qos功能不只是限速，還有很多諸如隊列調(diào)度、流控等方面的Qos需求，當有業(yè)務(wù)需要時，Neutron卻無從提供滿足需求的支持。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存在的單點故障問題至今依然沒有完善的解決方案，DVR(Distributed Virtual Routing，分布式路由)對虛擬路由器的 HA方案也存在很大的缺陷。而與傳統(tǒng)交換機(甚至與路由器)相比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的帶寬能力還存在一定差距，尤其是對單路由帶寬沒有分流方案，一旦帶寬超過虛擬路由器的帶寬能力則無能為力。
對Neutron網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，雖然可以通過Ceilometer組件使用Neutron的neutron-meter-agent進行采集，但除了Ceilometer組件存儲采集數(shù)據(jù)持久化性能方面的問題，還存在很多監(jiān)控項無法采集到的問題。
在Neutron中經(jīng)常使用Open vSwitch虛擬交換機，而其在計算節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的虛擬交換機都有穩(wěn)定性和性能方面的限制，尤其是使用VXLAN等隔離方式時，報文的封裝和解封裝很可能成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。
SDN讓Neutron更強大
除了上述問題，Neutron還有很多實際部署難題需要處理。而如果采用SDN架構(gòu)的話，這些問題將會有相當一部分得到解決。假設(shè)SDN控制器南向采用了OpenFlow協(xié)議，那么就能很容易控制流量轉(zhuǎn)發(fā)以實現(xiàn)不同虛擬路由器的流量分擔，通過goto tables(或者“goto entry”)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流按照OpenFlow規(guī)則進行的基于IP、虛擬路由器甚至租戶的限速功能。那么Neutron在SDN架構(gòu)中是如何部署的呢?大概有三種方式部署(這里說的Neutron多指neutron-server)。
Neutron as App：將Neutron作為SDN中申請網(wǎng)絡(luò)資源的App，與使用網(wǎng)絡(luò)資源的VM上部署的用戶業(yè)務(wù)聯(lián)動，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的控制。這種方式需要替換Neutron 的底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，繼而Neutron通過SDN控制器控制網(wǎng)絡(luò)資源。如果該方案只用Neutron的API，那么Neutron之外的功能還是無法使用，只能再額外調(diào)用SDN控制器的API，這樣就需要維護兩套API在兼容條件下配合使用。這樣，讓網(wǎng)絡(luò)資源的申請者neutron-server與網(wǎng)絡(luò)資源的使用者VM里的App進行聯(lián)動。
Neutron as Controller：將Neutron作為SDN控制器的一部分，VM上部署的用戶業(yè)務(wù)直接或間接調(diào)用Neutron的接口，來申請和使用底層網(wǎng)絡(luò)資源。這種方案里用戶的業(yè)務(wù)只需要調(diào)用SDN控制器的API，沒有API兼容性問題，底層網(wǎng)絡(luò)可以替換也可以不替換，但部署時需要考慮Neutron和SDN控制器的對等關(guān)系。
Neutron as Underlay：將 Neutron作為底層承載網(wǎng)絡(luò)，為SDN控制器提供南向接口，VM上部署的用戶業(yè)務(wù)直接或間接使用SDN控制器來申請和使用網(wǎng)絡(luò)資源，然后SDN控制器再調(diào)用Neutron接口來做底層網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度與分配。這種方案部署容易，但僅用Neutron原來的底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和API，需要對Neutron做開發(fā)才能提供所需求的新功能。
三種方式各有優(yōu)缺點，需要結(jié)合自身的業(yè)務(wù)和廠家自身的技術(shù)積累進行選擇，因為SDN本身是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如果結(jié)合NFV的理念，使用白牌交換機等方式，那么就更能解除對設(shè)備商家的綁定。
結(jié)束語
云計算是將來數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)的新模式，也是IT技術(shù)變革的趨勢之一。據(jù)估計網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的工作量會占有云計算研發(fā)工作量的一半以上，這也是云計算技術(shù)難點的突破之處。目前比較有名的SDN控制器OpenDaylight(圖2)、OpenContrail和Ryu等，都支持Neutron與SDN架構(gòu)結(jié)合。希望SDN技術(shù)能讓云計算的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更優(yōu)雅地提供難題的解決方案，在將來的云計算網(wǎng)絡(luò)之路上，大放光彩。
