淺談云計算下的網絡技術

高強 韓青

摘要：文章首先介紹了SDN的技術是基于OpenFlow的體系結構和關鍵技術，然后從SDN體系結構的設計方面、OpenFlow協議標準的持續演進以及控制器設計問題三個方面分析了SDN的研究現狀，最后分析了SDN面臨的挑戰以及發展趨勢。

關鍵詞：云計算;網絡技術;SDN;OpenFlow;控制器文獻標識碼：A

中圖分類號：TP301文章編號：1009-2374（2016）04-0051-02DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.026

近年來，關于云計算的研究頗多。隨著云計算的興起，傳統的網絡技術越來越不適應按需提供網絡質量的要求，并且錯綜復雜的網絡環境變化過快，網絡管理要求的工作量也日益增多，不能很好地支持以云計算、大數據為代表的新型應用。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的提出改變了這個現狀。SDN技術是以分離網絡的控制平面和數據平面為核心，通過從網絡設備中分離出來的網絡控制功能，使網絡應用具有可編程接口，進而控制網絡資源，從而使現有的網絡架構翻開嶄新的一頁。

1 SDN體系架構

1.1 SDN架構及特征

ONF在2012的白皮書中提出了三層架構。它具有三層：第一層是應用層;第二層是控制層;第三層是基礎設施層。并且具有南、北兩向接口，其中北向接口是連接控制層和應用層的;南向接口是連接控制層和基礎設施層的。OpenFlow標準開放于ONF的南向接口，而北向接口標準尚未統一。應用層通過控制層操作的API和網絡視圖，為使得用戶可以較為方便地通過相關軟件在邏輯上操作網絡控制和網絡服務，因此第一層應用層為API和網絡藍圖，但要通過控制層操作;第二層控制層以處理數據平面的資源、維護整個網絡藍圖為主，由控制器和網絡操作系統（Network Operating System，NOS）組成;第三層基礎設施層則是數據處理、轉發和收集的集中處。

業界普遍認可的SDN應具有的三大基本特點：

1.1.1 集中控制：首先，在邏輯上通過集中控制能獲得整個網絡資源信息;其次，這些信息能根據業務大體趨勢進行統一調配和優化。流量工程、負載均衡便是典型的例子。在此基礎上，集中控制使得網絡處理快捷方便，因為它能使全局網絡在邏輯上成為一臺形象的設備，運行、維護都相對簡單，更省去了物理設備需要現用現配的麻煩。

1.1.2 開放接口：南、北向接口均為開放模式，因此實現了應用和網絡的無縫集成，應用高速網絡最好的運行方式，使其能以最佳方式更好地滿足自己的需求。

1.1.3 網絡虛擬化：南向接口的統一和開放，消除了在最下一層物理轉發設備的不同，從而透明化底層網絡對上層應用。邏輯網絡、物理網絡一經隔離，邏輯網絡便脫離了實際設備放置場所的羈絆，能依據業務延伸而配置、轉移。更多的，邏輯網絡也為多個用戶共同通信及其特定的需要提供了支撐。

1.2 OpenFlow交換機

OpenFlow的交換機由單個組表、單個或數個流表來執行分組查找和轉發，并有一個外部控制器OpenFlow的信道。控制器在OpenFlow協議作用下牽制交換機與其進行數據的交換。OpenFlow協議使控制器能主動或者被動響應網路中的數據包，即能隨意添加、更新和刪除流表中的條例。在交換機中的每個流表中包含的一組流表項;每個流表項包含匹配字段、計數器和一組指令，用來匹配數據包。匹配開始于第一個流程表，并可能會繼續額外的流表。流表項匹配數據包按照優先級的順序，從每個表的第一個匹配表項開始。如果找到匹配的項，那么具體流表項按照指令去執行。如果在流表中未找到匹配項，結果取決于找到匹配的流表項配置（例如，數據包可被轉發到OpenFlow的信道控制器、丟棄或者可以繼續到下一個的流表）。一般情況下，Order與流表項相聯系，流表項則是任何具有Action或修改流水線的數據。Action體現了數據包轉發、數據包修改和組表處理。流水線處理的Order批準information以元數據的方式在表之間進行交換，也批準數據包在被轉發至下一層的表進行加工處理。如果數據包被修改和轉發，則因為其和單個配對的流表項相關聯的Order集意外與下一個表錯位，表流水線中止操作。

通常情況下，OpenFlow交換機會與控制器進行消息的交換，控制層的控制器監聽某個固定端口，等待OpenFlow交換機的連接。啟動OpenFlow交換機，設置遠端控制器的IP地址和端口號，此時OpenFlow交換機會向控制器發送Hello消息，Hello消息包含了OpenFlow交換機支持OpenFlow協議的版本。控制器收到Hello消息，會回復一個Hello消息。OpenFlow交換機收到了控制器的Hello消息，通信就建立起來了。接著，控制器會向OpenFlow交換機發送Feature request消息，詢問OpenFlow交換機所支持的特性。OpenFlow收到Feature request消息會回復一個Feature reply消息，告知控制器自己所支持的特性。接著控制器會向OpenFlow交換機發送get config request消息，獲得OpenFlow交換機的配置信息，OpenFlow交換機收到消息會回復一個get config reply消息。此時控制器再向OpenFlow交換機發送配置消息，配置OpenFlow交換機在special situation的default行為。在OpenFlow交換機與控制器通信中，echo消息每隔一定時間就會發送，此消息用來確定控制器和OpenFlow當前是否可用，如果沒有收到對方回復的消息，就表明對方不能正常工作。在這些通信消息中，packet in消息是控制器獲得網絡狀態的消息來源，一般情況下，只有在OpenFlow交換機不知道如何處理收到的包的時候，就向控制器發送packet in消息。控制器收到packet in消息可能會下發Flow mod消息也有可能發送packet out消息。Flow mod消息會告訴交換機如何處理這個數據包，而packet out消息告訴交換機你自己處理這個消息，怎么處理看交換機的配置情況。

1.3 控制器

控制器是SDN的中心，統一控制最下層網絡設備，和support最高層業務應用的網絡能力支配。南向接口是SDN控制器控制網絡的途徑，南向接口不僅支持OpenFlow，也支持BGP-LS、OF CONFIG、SNMP、XMPP及其多種private接口。控制器通過其上行通道統一監測和統計最下層交換設備上報的信息，以找到鏈路和管理其拓撲。控制器利用其下行通道制定策略和下發表項，以統一控制網絡設備。而控制器擁有的北向接口，則是面向用戶應用的編程接口，由于其要求尚未約定，因此開發網絡應用的工程師可以自行編程來支配網絡資源，另外北向接口也是最高層的應用程序整體掌握和統一支配網絡資源的途徑。

2 OpenFlow協議

OpenFlow是全新的網絡協議，源自Stanford大學的Clean Slate研究組。OpenFlow這種全新的網絡創造性思維是基于目前的網絡設備無法支持創造性網絡架構與協議的探究與實驗，只能于真實的網絡條件下驗證而出世。Stanford大學研發的控制轉發分離架構，使網絡業務的部署相對靈便，即從網絡設備中分離控制邏輯，使中央控制器統籌控制。同時將OpenFlow協議設定為控制器與交換機交換數據的標準接口。這幾年OpenFlow因為其可以通過軟件來闡述網絡，將網絡視為一個整體集中控制，避免了此前網絡為相互獨立并且分散的多個設備的弊端，顯著提升了網絡可用性和控制效率，從而引起了業界的廣泛關注。

3 控制器的設計

控制器是SDN的核心，統一控制最下層網絡設備、support最高層業務應用的網絡能力支配，是它的首要任務，因此控制器的設計決定此控制器控制的網絡的功能和能力。SDN的控制平面與數據平面相分離的結構，決定控制器必須掌握整個網絡的狀況。目前，市面上開源的控制器可以分成兩大類：一類是推出商用級產品的廠商;另一類是較大開源社區中打算開發SDN控制器軟件的開源項目/組織。許多商用級的控制器都基于開源代碼，特別是由LinuxFoundation旗下OpenDaylight開發的代碼。所有的控制器必須要實現的功能包括鏈路發現管理、設備管理、交換機管理、進程池、存儲、拓撲、統計管理。鏈路發現管理就是通過控制器向交換機發送LLDP數據包，交換機收到之后以packet in消息發送給控制器，這樣控制器就知道網絡的鏈路狀況;存儲是將拓撲結構、端口狀態、VLAN信息等存儲起來;進程池為控制器的一些工作提供便利，例如交換機和控制器每隔一段時間都要發送echo消息，這可以通過進程池提供的進程來實現;設備管理和交換機管理是用來記錄網絡里面設備和交換機的信息，包括IP地址、mac地址、VLAN信息等;拓撲是用來收集網絡的拓撲情況，由于OpenFlow交換機只負責轉發，所以控制器必須知道整個網絡的拓撲。包管理是負責發送消息給OpenFlow交換機，里面有一個隊列結構，控制器發送的消息先進入到這個隊列中，然后統一由包管理發送出去。

參考文獻

[1] 鄭毅，華一強，何曉峰.SDN的特征、發展現狀及趨勢[J].電信科學，2013，29（9）.

（責任編輯：陳 潔）