SDN技术目前在交换机集群技术上有应用吗?

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SDN技术在传送网中的引入及应用研究
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sdn的简单总结
一、SDN交换机
SDN交换机基本具有普通交换机的所有功能。SDN交换机特别的功能在于支持OpenFlow协议(有些只支持OpenFlow1.0,有些强点支持1.0和1.3)。不过你要连接交换机再手动将所需的端口改成支持OpenFlow的端口,并且将控制器的IP地址输入。
然后你打开控制器(我用floodlight)就可以发现这台SDN交换机(端口只显示你设定的那些支持持OpenFlow的端口)。
关键的区别来了~~~~~~~~~~~
然后你在控制品上输入流表,下发规则至SDN交换机。那么经过SDN交换机的数据包就根据这些流表规则转发。而传统的交换机(无论3层还是2层)都是收到数据包之后自己决定怎么转发。举个例子:比如你(172.16.1.88)发一个数据包到172.16.1.89,传统(普通)交换机收到了,直接查下自己内部的流表,看看89在哪,然后发出去;SDN交换机是首先也找自己内部的流表(但这个表是控制器给的,不像普通交换机一样是自己生成的!!),如果有,那么就按流表去做(能实现的功能很强大,比如给你换个源地址,或者不知不觉将数据包复制一份发给谁之类的);如果没就发给控制一个信息和这个数据包的一些信息,问控制器怎么处理这个数据包。
软件定义网络(SDN)是一种新型的网络架构,它使用一个集中控制器来控制数据层面的数据流。这种新方案使网络管理更容易,并能够节约成本。云计算技术的进步促进了云管理工具的发展,OpenStack就是云管理工具的代表。它使用网络组件Neutron(原来是Quantum)提供网络虚拟化服务,允许租户创建和管理虚拟网络,并且提供标准化的插件架构,便于连接SDN控制器。但是Neutron的扩展性不好,不能满足虚拟化环境的动态特性,并且对网络资源的控制是有限的。SDN可以为Neutron提供附加功能,如集中控制、无缝网络、多租户和网络可伸缩性。在本文中,我们将测试SDN控制器和OpenStack集成的功能和可用性;调查分析业界对SDN与OpenStack集成的看法;利用商业调查结果和测试用例来突出SDN使用的障碍、预算分配、OpenStack分布和SDN控制器等主题。这将帮助我们评估SDN和OpenStack是否能够作为一个IaaS解决方案。1 研究的问题SDN和OpenStack可以一起推动IaaS的发展吗?我们将研究的问题划分成3个子问题。
1)SDN和OpenStack集成的最佳方案是什么?
2)行业和社区对SDN和OpenStack的观点是什么?
3)SDN和OpenStack集成后的性能和功能可以满足行业需求吗?2 集成SDN与OpenStack2.1 OpenStack2010年7月,Rackspace和NASA启动开源的云管理软件OpenStack。这是创新软件项目的集合,为快速供应、创造和管理公有云和私有云中的虚拟设备提供了一个架构,本质上是作为基础设施即服务(IaaS)。所有服务协同使用API来提供灵活和可扩展的云解决方案。它也有许多项目在孵化阶段,并在社区分阶段开发并发布。图1显示了OpenStack9个主要的模块。图1 OpenStack架构2.2 Neutron的功能Neutron添加了一层虚拟的网络服务让租户(用户)构建自己的虚拟网络。Neutron是对网络的虚拟化,该网络可以从一个地方移动到另一个地方,而不会影响现有的连接。它可以进一步解释为一个网络管理服务,为创建和管理虚拟网络公开了一组可扩展的API(通过创建虚拟网络为OpenStack Compute节点上的虚拟机提供网络服务)。Neutron的插件架构为开源社区或第三方服务提供API。Neutron还允许供应商研究和添加新的插件,提供先进的网络功能。目前,Neutron的虚拟网络服务没有传统网络成熟。下图描述了与Neutron组件交互的代理。组成Neutron的元素如下:图2 Neutron和SDN集成代理在大规模、高密度、多租户云环境中,Neutron的性能会下降。Neutron的低扩展能力还不能紧跟云环境的动态特性,但它提供了插件将SDN控制器集成到OpenStack,达到将应用程序从IP地址、VLAN和端口等网络环境中分离的目的,并且能够节省时间和降低运营成本。2.3 SDN及其与OpenStack的集成引入SDN主要是克服Neutron的缺陷,SDN是一种网络技术,通过集中的可编程控制平面来管理整个数据平面。这样网络运营商和供应商可以控制和管理自己的虚拟化资源和网络。SDN是一种新型的网络模式,允许硬件和操作系统之间以及物理/虚拟网元和操作系统之间通过开放API通信。SDN模型中的网络操作系统(NOS),例如OpenDaylight、RYU、Floodlight和POX,负责提供网络和其当前状态的一个完整视图。同时NOS也负责管理网络变化,并将这些变化通知到网络硬件和物理/虚拟网络应用程序中。底层网络的变化来自于运行在NOS上的网络应用程序(Neutron API, REST/JSON, Java RPC),NOS通过北向API与应用程序通信,通过南向API管理和控制底层物理和虚拟硬件,使用的南向协议包括OpenFlow、OVSDB&、OF-config和XMPP等。SDN控制器以插件方式集成到Neutron中并提供集中式管理,有利于OpenStack网络通过API提高网络的可编程性。SDN控制器,像OpenDaylight、Ryu和Floodlight等使用各自的插件让Neutron和SDN控制器交互。下图给出了SDN集成到OpenStack的大体思路。图3 SDN集成到OpenStackOpenDaylight使用北向Rest API通过网络节点的二层插件与Neutron通信。RYU通过北向REST API将Neutron节点的RYU插件和RYU控制器连接,使用Compute节点的RYU代理和RYU插件交互。OpenDaylight和RYU都使用Open vSwitch数据库(OVSDB)和南向OpenFlow协议与计算(nova)节点的虚拟交换机交互。3 研究方法通过回答三个子问题来回答主要研究的问题,如下分两步解决子问题。首先分别评估独立部署OpenStack和其集成SDN控制器的性能和功能,这将解答子问题1和3。其次,组织开展一次商业调查,参与者是OpenStack和SDN社区的成员,这将帮助了解行业内对这两种技术的观点。以下是测试床的主要组件
1)OpenStack分布
2)SDN控制器
3)硬件(服务器,交换机)为本次研究选择一种OpenStack分布,测试参数主要包括如下:易于安装、可扩展性、开放性、社区支持、文档、成本因素。选择好合适的OpenStack分布后,我们部署了一个多节点的OpenStack,其中一台服务器上部署计算节点,另一台服务器部署控制器、Neutron、nova组件和glance。我们根据节点的功能分配资源(RAM、Storage,CPU)。选择与OpenStack集成的SDN控制器需要研究的参数如下:开源、实现的语言、GUI、支持平台、OpenFlow版本、OpenStack Neutron组件、行业支持。基于以上的结论,我们选择如表1所示规格开发测试床。表1 测试环境的参数我们基于VMware ESXi在控制器和Compute节点部署Havana版本的OpenStack。图4 SDN和OpenStack集成(测试床)为了回答第二个子问题,我们通过商业调查来了解SDN和OpenStack在行业内的状态。 通过使用“SoGo Survey”调查工具在社会媒体网站(Facebook和LinkedIn)粘贴调查链接,并访问业内专家。我们还采访了研究SDN和OpenStack 的专家了解目前情况和未来的趋势,用数据分析工具得出调查结果。回答第三个子问题,验证SDN控制器和OpenStack集成的性能和功能是否满足行业内的需求。我们用一系列的测试用例验证和评估SDN控制器和OpenStack的集成。测试用例如下:表2 数据平面测试用例表3 功能测试用例4 研究结果图5的调查结果显示,73.68%的受访者相信OpenStack和SDN会一起推动未来的基础设施及服务(IaaS)。图5 SDN与OpenStack集成的未来(商业调查)为了确定第一个子问题的答案,我们比较了基于预定义参数的不同的OpenStack分布,表4显示了不同OpenStack分布的评估结果。表4 不同OpenStack的比较图6的调查结果显示,OpenStack开源安装和DevStack是最受欢迎的版本。图6 被调查者对OpenStack分布的选择(商业调查)根据表2和图6的调查结果,我们选择DevStack作为本次调研的OpenStack分布。为了选择SDN控制器,我们调研当前流行的几种开源SDN控制器,并且根据预定义参数比较其性能。表5显示了比较结果,之后我们会继续采用商业调查方式来肯定该调研结果。表5 SDN控制器比较商业调查的受访者首选OpenDaylight、其次是Floodlight来提高Neutron的功能。综合图7和表5,我们选择OpenDaylight和RYU控制器集成到DevStack环境。图7 受访者对SDN控制器的选择为了确定第二子问题的答案,我们分析了商业调查结果。结果表明,45%的受访者认为SDN和Neutron满足他们组织的IaaS需要(图8)。图8 受访者对SDN和Neutron前景的观点当被问及OpenStack集成SDN后,SDN的哪些特性可以提高时(如图9),大约50%的参与者支持多租户、网络可扩展性、网络可视性和无缝网络等功能。图9 OpenStack集成SDN后可以提高的性能当被问及目前采用SDN遇到的障碍,52%的参与者认为“当前产品不成熟”是一个主要的障碍。39%参与者认为“缺乏适当的资源评估SDN”(图10)。图10 采用SDN的障碍(商业调查)当被问及是否愿意将SDN(图11)添加到到他们的实际网络,42%的参与者是“非常愿意”或“完全愿意”,同时其他42%比较愿意对他们的产品做出显著的改变来支持SDN。图11 SDN在生产网络中的接受度当被问及对SDN的预算分配,60%的受访者愿意将他们主要的经费用于SDN部署(图12)。图12 部署SDN的预算分配(商业调查)为了评估集成SDN和OpenStack的性能和功能,我们使用第一个研究子问题的结果(OpenDaylight和RYU控制器与DevStack结合)进行数据平面和功能测试。测试用例的结果如表6和7所示:表6 数据平面测试表7 功能测试从上面的测试用例结果可以帮助我们确定当前OpenDaylight和RYU控制器集成到OpenStack的程度。5 结果讨论根据研究结果,我们选择DevStack作为OpenStack的搭建方式。DevStack由于提供了高度可扩展的和灵活的测试环境,所以可以根据我们的要求迅速重建。而较多人选择的OpenStack开源分布安装是一个复杂的安装过程,很难扩展。其他的选择如Mirantis和RDO不满足研究需求。接下来我们对四个流行的开源SDN控制器进行比较,我们首选OpenDaylight和RYU而不是POX和 Floodlight。因为POX不支持与OpenStack的集成,并且Floodlight和DevStack(OpenStack)集成会出现各种问题阻碍我们进行进一步的测试。我们根据商业调查结果分析该行业对SDN和OpenStack的看法。我们的被调查者相信SDN和Neutron一起可以满足他们的IaaS需求。参与者觉得SDN给OpenStack带来了一些特性,如网络可视性、无缝的网络和网络可扩展性,这些从我们的测试结果得以验证。但受访者担心SDN控制器是不成熟的,评估起来也相当困难。SDN控制器集成OpenStack还不成熟,我们在测试阶段验证了这个结果。调查的结果还显示在未来几年,受访者有意愿改变他们的生产网络并分配大部分的预算支持SDN。从我们的商业调查结果显示参与者对SDN集成OpenStack有很高的接受度。分析数据平面测试结果时,我们观察到在吞吐量、流量延迟和单向的TCP传输等参数上,OpenDaylight落后RYU,但OpenDaylight在功能和可用性上比RYU更好。这两个控制器通过了第三层的功能测试,VM迁移测试和容错测试。然而,随着虚拟机数量的增加,控制器无法执行,我们在测试部署遇到意想不到的失败,证明这是一个不稳定的解决方案。从我们的测试、研究发现,SDN控制器目前每秒可以处理大约1000条流。另一方面,一个数据中心每秒处理大约100000条流。这清楚地表明当前SDN控制器的功能和数据中心的需求差距很大。此外,在集成SDN和OpenStack的过程中若出现了问题,我们可以参考的文档资源很有限。尽管SDN和OpenStack集成是一个进化的IaaS解决方案,但目前在高利用率的环境下不可靠,所以不能用于生产环境。不过即使当前OpenStack和SDN有很多约束,但我们坚信,这两种技术将推动IaaS的未来发展,因为它们的功能正迅速发展,行业的接受度也很高。根据我们的调查结果推断产业愿意投资他们主要的IT预算来部署这些技术。所有这些特性将有助于推动控制器和OpenStack性能开发的快速发展,有助于推动IaaS的未来。6 结论基于已有的技术和商业调查结果,我们知道SDN集成OpenStack仍没有完全成功,还有很多需要改进。这主要是因为集成解决方案还欠完备,特性集不完整,编排不可靠和相关文档匮乏。行业内认为SDN在性能和功能上仍滞后于传统的网络基础设施,同时OpenStack目前还没有能力与市面上的商业产品竞争,像亚马逊网络服务(AWS)、微软Azure、VMWare云等。然而SDN和OpenStack有大量的开发者基础和行业支持,我们相信在大约两年的开发和测试后,OpenStack和SDN集成将达到生产准备的要求并被广泛采用。我们相信,匹配行业需求的性能和功能将成为OpenStack和SDN一起推动IaaS未来的关键因素。SDN和OpenStack中网络功能的虚拟化的引入将扩大IaaS的接受度。
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(最多只允许输入30个字)编者按:每每提到SDN应用第一反应就是数据中心,可见SDN在数据中心方面的应用得到了很大认可。SDN确实可以帮助数据中心挣脱目前的困境,但是SDN技术尚未成熟,还有一系列问题亟待解决。前途是光明的,道路是曲折的。
SDN是近年来继云计算后,学术界和产业界最关注的热点,被国际研究机构Gartner列为未来五年内IT领域十大关键技术之一。2012年,谷歌宣布已在数据中心内部骨干网络上成功使用SDN技术,标志着SDN进入到商用化阶段。据国际著名咨询机构IDC估计,2013年SDN的收入将达到3.6亿美元,到2016年这一数值将上升至37亿美元。谷歌的成功经验,也使得数据中心成为业界各方推广SDN技术的首选场景。
一、数据中心的发展趋势及需求
近年来,伴随着互联网的高速发展,越来越多的应用及数据被集中到云数据中心处理。思科在其全球云计算产业分析与预测报告中指出:到2016年全球云计算服务流量将为2011年的12倍,平均每年复合增长30%。全球近三分之二的总工作负荷将在云端处理,数据中心将成为大部分互联网流量的源头或终点。而在数据中心产生的所有流量中,内部流量占数据中心总流量的76%,主要是存储和虚拟机之间的数据交换等活动。因此,未来的互联网流量将以云计算数据中心为核心,未来的互联网将是以云计算数据中心为核心的网络。
在这一趋势下,数据中心进入了发展高峰。统计数据显示2012年,全球IDC整体市场规模达到255.2亿美元,增速为14.6%。其中主要拉动力来源于IT企业、互联网企业和电信企业从自身业务支撑和拓展强烈需求。此外,预计年大数据市场将出现迅猛的发展势头,复合年增长率将达31.7%,2016年收入将达238亿美元。大数据市场的发展将会保证数据中心在未来几年持续高速增长。在中国,年间,IDC市场规模增长了6倍,年均增长率超过30%,远超世界平均水平。预计到2015年,中国IDC服务市场规模占全球市场的比例将由2012年的6.4%增至10%。
在整体市场不断扩大的同时,数据中心单站点规模也在急剧增长。谷歌、微软、腾讯等互联网公司新建的数据中心站点都拥有上万台物理服务器。国内调研数据显示,2012年被调查IDC服务商机房拥有服务器数量在5000台以上所占比例与2011年没有多大变化;被调查IDC服务商机房拥有服务器数量在台的所占比例下降到23%,说明这两年行业进行重组整合,较小的IDC服务商已经被重组或者淘汰。
2012年中国IDC公司的机房服务器数量
在这一形势下,传统数据中心网络架构已越来越难以满足市场发展的需求。下图是传统数据中心网络的逻辑架构:
图2传统数据中心网络架构
在传统数据中心中,各业务之间相互独立占用资源且没有资源移动性要求,数据中心内部流量基本以南北向为主。因此各业务网络采用物理方式隔离、自成一体、无法复用。这种方式构建的网络扩展性有限,只能纵向替换,而不能横向添加扩展。系统性能存在瓶颈,往往为了满足1%峰值时刻的流量需求,导致99%的时间单点效率低于20%。为了解决资源利用率低的问题,产生了虚拟化技术。数据中心主要由三类资源构成:计算、存储、网络。以VMware、微软为代表的IT厂商通过虚拟机技术实现了计算资源的虚拟化。SAN技术的出现解决了存储资源的虚拟化。目前,只有网络资源尚未实现虚拟化,成为制约数据中心效率提升的瓶颈。
根据通信主体的不同,数据中心网络可以划分为五层。不同主体间通信对网络的需求也不相同。
图3 数据中心网络分层
根据上表可将当前数据中心网络的使用需求归纳如下:
(1)无阻塞网络,并具备近似无限的高扩展性。
(2)能够感知虚拟机,并支持虚机在单数据中心内部和多数据中心之间的漂移,并保证相关网络策略随之迁移。
(3)支持多业务、多租户。能在同一物理网络上,根据业务需求自由构建业务网络并保证网络安全性。
(4)网络统一运维,高度自动化、智能化管理。
这些使用需求是评判各种网络技术能否适用于数据中心网络的关键。
二、SDN技术在数据中心网络的应用
SDN(Software DefinedNetwork)即软件定义网络,它起源于美国斯坦福大学。2008年,斯坦福大学教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM发表了题为openflow: EnablingInnovation in Campus Networks的论文。文中首次详细地介绍SDN的概念,即将传统网络设备的数据平面和控制平面两个功能模块相分离,通过集中式的控制器(controller)以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置。这种架构为网络带来的可编程的特性,使得网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性,从而更容易推动网络的革新与发展。因此,控制转发分离、逻辑集中控制、开放网络编程API被视为SDN区别于传统网络技术的三个主要特征。正是这些特征使得SDN能够良好的满足数据中心网络的使用需求:
(1)高扩展性和网络资源利用率:通过对转发表的集中管理,Controller能够实时控制网络各链路中流量的大小和走向,进而能够实现对网络带宽资源和网络功能元件虚拟化管理。计算、存储、网络全部实现虚拟化管控,使得网络扩展不再依赖于网络架构。从粗放的网络模块增加转变为细颗粒度的资源池扩充,网络扩展性和资源利用率都得以大幅提升。
(2)支持虚机迁移和统一运维:由于Controller可以控制网络中的流量流向,因此虚机迁移对其而言仅仅是修改下发到交换机的转发表项,易于实现。同时由于SDN与VM服务管理器(VCenter)以及IDC网管平台都采用集中式管理架构,便于整合,实现高度自动化的统一管理。其中SDN Controller主要用于实现对网络设备(包括驻留在服务器的vSwitch)的集中管理和控制;VM服务管理器主要用于实现VM的管理,包括了VM的创建、部署和迁移等;IDC管理平台主要用于实现整体的协同和控制,完成VM服务管理器与SDN控制器的协同,实现数据中心计算资源、存储资源、网络资源的统一协调和控制。
(3)支持多业务、多租户:SDN实现了网络资源虚拟化和流量可编程,因此可以很灵活的在固定物理网络上构建多张相互独立的业务承载网(如下图),满足多业务、多租户需求。
图4 利用SDN技术构建逻辑网络
除了能满足数据中心的使用需求外,SDN还具有下列优点:
(1)网络设计更简单:流量可控使得逻辑网络与物理网络脱离了必然联系,提供了物理网络架构更多的选择性,网络配置也全部集中在Controller处。
(2)业务部署更快捷:业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。
(3)网络设备更通用:控制集中化和网络可编程,促使硬件标准化、通用化发展。提高设备利用率、降低设备投资。
总之,SDN将网络的智能从硬件转移到软件,用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样做简化和整合了控制功能,让网络硬件设备变得更可靠,还有助于降低设备购买和运营成本。
三、SDN面临的挑战
虽然SDN具有上述优点,但其仍处于发展的起步阶段,还存在一系列尚待解决的问题。
(1)程序复杂度高、运算压力大
软件的高灵活性往往意味着程序的高复杂度。SDN架构下,系统需要同时维持多张逻辑网络,保证各应用程序共享资源的同时彼此功能不相互影响。而从计算机程序的发展历史来看,为了协调各程序的运行,提高资源利用效率,往往会导致资源分配算法的复杂度和运算量呈指数级上升,进而存在成为系统瓶颈的可能。同时,Controller需要为每一条流制定优化的路由策略,其运算压力之大可想而知,且这一压力会随控制网元数量的增加呈几何级上升,很容易导致系统崩溃。因此,如何在软件复杂度和运算效率之间取得平衡是SDN面临的一大挑战。
(2)标准化进程尚未完成
目前,ONF仅定义了Controller连接交换机的南向接口,而Controller之间的接口以及Controller开放给应用程序的北向接口尚未被标准化。这无疑增加了各厂商设备间互通的难度。同时,由于SDN尚处于发展的初级阶段,且各参与方有着不同的利益和目的,其SDN解决方案之间也是千差万别,市场上已经呈现出一些厂商各行其是的现象,一定程度上延缓了SDN的商用化进程。业界要做到统一SDN标准,实现各厂家产品相互兼容,还需要一个长期的过程。
(3)产业链尚不完善、性能存在瓶颈
产业的形成需要依靠整个生态圈的推动。SDN采用全新的openflow协议,需要重新设计专用交换芯片。但由于目前依靠商用芯片的设备厂商在整个网络设备市场的份额仅有10%,90%的市场被思科、华为、Juniper这些有自主研发、生产芯片的能力的设备厂商所占。在产业前景不明朗的情况下,商用芯片厂商也很难有动力去开发支持OpenFlow的芯片。专有芯片的缺乏导致目前大部分厂商的SDN设备性能较实际使用需要尚有一定差距。
虽然SDN存在的上述问题还需要不断的发展与完善,但由于SDN的本质特点符合了数据中心的发展需要,其诞生对于未来数据中心网络发展而言,是非常重要的。不论是对于网络架构的改变、简化还是对二、三层网络的控制,都具有非常大的意义,彻底打破原有网络架构的理念。因此,SDN技术作为数据中心网络发展方向已成为业界共识。随着相关产业链的不断成熟,SDN将被逐步应用于构建各种规模的数据中心网络,用于提供高效的网络管理,降低维护成本同时提高运营效率。
转载自:SDN产业联盟
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