OpenDaylight在跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的應用

孫祥安，朱泓藝

（上海寬帶技術(shù)及應用工程研究中心，上海 200436）

0 引 言

科學技術(shù)的發(fā)展加快了社會的節(jié)奏，人們期望著即刻響應的服務、即日抵達的物流以及隨時隨地能夠訪問與交互信息。從企業(yè)角度來看，這一趨勢反映在對大數(shù)據(jù)的高速處理、緩存以及分發(fā)的需求等方面，從而帶動邊緣數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。為了降低總成本，建設邊緣數(shù)據(jù)中心的第一步是將大量現(xiàn)有的傳統(tǒng)計算基礎(chǔ)設施改造為邊緣云數(shù)據(jù)中心，形成分布式跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡。這樣不僅能夠提高計算存儲效率，還能有效地提高業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性能[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心存在部署效率低、交付時間長以及部分設備利用率不足等問題，難以滿足建設大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的需求。

目前，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡主要為了實現(xiàn)廣泛使用的分布式計算，承載著協(xié)同與交互功能，使得數(shù)據(jù)中心的東西向流量占據(jù)著大部分數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡資源。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）技術(shù)通過分離網(wǎng)絡設備的控制面與數(shù)據(jù)面，在控制層實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的標準化與可編程，從而更有效地分配東西向網(wǎng)絡資源。因此，采用SDN技術(shù)可以有效配置、監(jiān)控與管理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡[2-4]。在通信協(xié)議方面，OpenFlow擬定了SDN控制器與網(wǎng)絡設備之間信息交互的標準。它創(chuàng)新的網(wǎng)絡架構(gòu)受到了廣泛關(guān)注與支持，但由于OpenFlow的SDN對于網(wǎng)絡架構(gòu)的改造過于激進，主要僅運用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部。在跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡以及變更影響較大的場景中，傳統(tǒng)的多協(xié)議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技術(shù)更受企業(yè)的青睞，是跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡升級的主要手段。分段路由（Segment Routing，SR）以MPLS為基礎(chǔ)，在SDN網(wǎng)絡架構(gòu)中更進一步地為上層應用提供可編程能力。OpenDaylight控制器是一款支持SR技術(shù)的開源SDN控制器，可以提供全方位的網(wǎng)絡管理功能。它分為南向協(xié)議層、控制層以及北向接口層[5]3層。本文主要介紹OpenDaylight中的幾種重要控制層插件，通過這些插件對MPLS網(wǎng)絡進行配置和監(jiān)控。此外，研究OpenDaylight連接兩種主流廠商華為與思科網(wǎng)絡的設備。其中：使用的華為設備軟件版本號為NE20E V800R010C10SPC500，與之連接的OpenDaylight版本為0.11.1；思科模擬器為IOS XR 6.0.1，與之連接的OpenDaylight版本為0.8.4。

1 控制器南向接口應用

南向接口用于控制器與設備的通信。隨著網(wǎng)絡運維自動化的普及，網(wǎng)絡設備不再局限于傳統(tǒng)命令行的配置方式。設備廠商會比較關(guān)心控制器南向接口的開發(fā)，因為南向接口對應著設備的北向接口，即設備的配置管理方式。設備廠商開發(fā)了很多更為方便的管理通道，更適合設備的自動化管理。其中，控制器南向插件就是利用設備的各類通道連接設備，對設備進行監(jiān)控和管理。常見的南向協(xié)議有網(wǎng)絡配置協(xié) 議（Network Configuration Protocol，NETCONF）[6]、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Border Gateway Protocol，BGP）[7]以及路徑計算單元通信協(xié)議（Path Computation Element Protocol，PCEP）[8]等。

1.1 配置管理協(xié)議及其接口應用

配置管理用于設備配置信息的管理，用于替換傳統(tǒng)的命令行界面（Command-Line Interface，CLI）的命令行。NETCONF是新一代網(wǎng)管協(xié)議，相較與CLI和簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP），更利于自動化運維，也更安全。它提供了一套全新的網(wǎng)絡管理機制，協(xié)議號為RFC 6241（是一系列以編號排定的文件）。該標準中定義了它基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）進行網(wǎng)絡配置，而后在RFC 6242中規(guī)定了NETCONF使用SSH通道進行信息交互。NETCONF協(xié)議使用遠程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）的方式與網(wǎng)絡設備通信，是連接OpenDaylight和設備的重要通道。整體架構(gòu)包含安全傳輸層、消息層、操作層以及內(nèi)容層4個層級。安全傳輸層用來和設備建立安全通信通道，NETCONF協(xié)議允許用戶使用任意的傳輸層協(xié)議，默認使用SSH協(xié)議作為數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)傳輸機制；消息層采用RPC機制，提供一種與傳輸無關(guān)的消息封裝格式；操作層提供對數(shù)據(jù)庫信息的獲取、配置及刪除等9種基本操作功能；內(nèi)容層定義RPC調(diào)用的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即配置數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)管人員重點關(guān)注的是內(nèi)容層的定義。內(nèi)容層是整個NETCONF的核心所在。網(wǎng)管對網(wǎng)絡設備進行操作管理時，主要工作也是關(guān)于內(nèi)容層。NETCONF本身并沒有對內(nèi)容層作限定，其規(guī)范表現(xiàn)為YANG模型的建模，其中YANG是NETCONF訪問設備的數(shù)據(jù)建模語言。RFC 6020中規(guī)定了YANG模型的各種元素和使用方法，NETCONF用它對各種操作、數(shù)據(jù)以及通知進行建模。YANG模型具有良好的可讀性和可擴展性。客戶端與設備之間使用NETCONF剛建立連接時會相互發(fā)送消息，設備發(fā)送的消息中會攜帶設備自身的capabilities。capabilities包含設備所支持的配置能力，規(guī)定了具體的配置該如何使用，可進一步獲取YANG模型，并通過RFC 6022定義的方法獲取YANG文件內(nèi)容。

OpenDaylight中使用NETCONF協(xié)議連接網(wǎng)絡設備的插件是odl-netconf-connector-all，這里并不關(guān)注該插件的內(nèi)部實現(xiàn)，重點在于如何安裝使用。在不對控制層插件做任何修改的情況下進行網(wǎng)絡設備管理，有利于管理人員集中精力于業(yè)務功能的維護。設備與控制器可以通過CallHome由設備發(fā)起連接，也可以配置設備掛載信息由控制器發(fā)起連接，其中通過控制器發(fā)起連接的方式適用性更廣。通過控制器發(fā)起連接需要配置設備IP、設備port、用戶名以及密碼等信息，通過put方式增加設備掛載點。掛載點增加后通過控制器提供的接口查看連接狀態(tài)，如圖1所示，其中與上文中NETCONF的報文中的capabilities相對應。

圖1 通過OpenDaylight查看設備狀態(tài)

1.2 網(wǎng)絡信息搜集及其接口應用

控制器對網(wǎng)絡信息的搜集主要由BGP協(xié)議完成。BGP是自治系統(tǒng)之間傳輸路由的動態(tài)路由協(xié)議，當前使用BGP-4版本，協(xié)議標準為RFC 4271。BGP協(xié)議設計之初主要用來傳輸自治域間的路由信息，具有非常友好的擴展機制。BGP自身不具備在不同自治系統(tǒng)之間提供節(jié)點、鏈路狀態(tài)的功能，也沒有提供與應用流量工程相關(guān)的信息。若要使用PCE等協(xié)議作為不同自治域中節(jié)點之間的路徑計算機制，需要掌握所有自治域網(wǎng)絡拓撲。到目前為止，PCE還不能計算出通過另一個自治系統(tǒng)的網(wǎng)絡全局最優(yōu)路徑。為了搜集各個自治域的流量工程信息，研究人員提出了一種BGP擴展方案，即BGP-LS（RFC 7752）。在BGP-LS中，路由器維護一個或多個數(shù)據(jù)庫，用以存儲來自給定區(qū)域的鏈路狀態(tài)信息。這些信息包括本地/遠端IP地址、本地/遠端接口ID、鏈路metric、TE metric、鏈路吞吐量、可用鏈路吞吐量、每個服務等級的資源預留以及搶占共享風險鏈路組。BGP進程可以從數(shù)據(jù)庫中檢索共享信息，并通過另一個BGP路由器直接或間接地將其傳遞給控制器接收者。在TLV（Type/Length/Value）字段中包含有關(guān)鏈路狀態(tài)和流量工程的信息，主要包含NLRI（Network Layer Reachability Information）和BGP-LS屬性兩種格式。其中，NLRI描述從域間路由協(xié)議獲得的鏈路、節(jié)點以及前綴，BGP-LS屬性則攜帶有關(guān)鏈路、節(jié)點以及屬性（如鏈路或前綴metric、router ID）的信息。

OpenDaylight中 的BGP-LS插 件 為odl-bgpcepbgp。為了方便使用，控制器還提供了一個示例插件odl-bgpcep-bgp-config-example，只需對提供的實例做簡單修改即可。首先需要配置控制器的BGP屬性，修改控制器的BGP端口為179。其次，在控制提供的示例基礎(chǔ)上加以修改，將BGP的本地地址、AS號以及遠端地址修改為自身的配置，示例文件的路徑為“etc/opendaylight/bgpcep/protocols-config.xml”。最后，控制器配置完成后，在設備上配置對應的BGP功能即可。網(wǎng)絡設備將路由信息同步反饋到控制器，控制器可以通過API獲取的BGP-LS信息還原出拓撲、網(wǎng)絡流量等特征。圖2為通過控制器獲取的BGP-LS信息。

1.3 動態(tài)隧道管理及其接口應用

目前使用最廣的動態(tài)隧道管理協(xié)議為PCEP。PCEP負責PCE服務器與客戶端或位于不同域中服務端之間的通信，標準為RFC 5440。PCE可分為有狀態(tài)和無狀態(tài)兩種模式。在有狀態(tài)PCE中，PCE模塊與網(wǎng)絡保持完全同步，從而了解網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、鏈路容量、已建立的LSP和資源預留（帶寬）；而無狀態(tài)PCE不知活動的LSP，每個路徑發(fā)送請求都是獨立處理的。在有狀態(tài)模式中，PCE能充分了解和高效優(yōu)化網(wǎng)絡過程并獲得其結(jié)果，因此可以作為使用所有可用資源的最佳解決方案。

圖2 通過BGP-LS獲取網(wǎng)絡狀態(tài)

OpenDaylight實現(xiàn)PCEP功能的插件為odlbgpcep-pcep。控制器中PCEP的初始化配置文件為“etc/opendaylight/bgpcep/network-topology-pcep-config.xml”，默認不需要修改。完成控制器配置后，設備作為PCC端配置并連接控制器上的PCEP服務端，連接狀態(tài)以及上報信息在控制器上查看，還可以進行隧道信息的增、刪、改等操作，如圖3所示。

2 控制器北向接口應用

圖3 查看PCEP連接狀態(tài)

北向接口用于網(wǎng)管人員與OpenDaylight交互。控制器開放北向接口用以向外部各種應用程序提供設備信息獲取和配置下發(fā)等功能[9]。RESTCONF是一種重要的控制器北向接口技術(shù)，而OpenDaylight采用的MD-SAL使得設備資源可以通過YANG模型直接轉(zhuǎn)換為RESTCONF API。

2.1 RESTCONF協(xié)議介紹

RESTCONF（RFC 8040）是基于HTTP的協(xié)議。該協(xié)議基于NETCONF定義的數(shù)據(jù)存儲概念，為訪問YANG中定義的數(shù)據(jù)提供編程接口。RESTCONF協(xié)議使用HTTP方法標識特定資源請求的增、刪、改、查操作。表1顯示了RESTCONF操作如何與NETCONF協(xié)議操作相關(guān)聯(lián)。

表1 RESTCONF與NETCONF操作的對應關(guān)系

RESTCONF協(xié)議使用HTTP協(xié)議，單個HTTP協(xié)議對應單個協(xié)議方法。大多數(shù)協(xié)議可以在單個資源上執(zhí)行單個任務，如檢索資源或編輯資源。PATCH方法例外，它允許在單個消息中進行多個數(shù)據(jù)存儲區(qū)的編輯。RESTCONF協(xié)議與其他REST協(xié)議類似，一個RESTCONF操作是由HTTP方法和被請求資源的URI構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 URL結(jié)構(gòu)

（1）method：客戶端發(fā)送HTTP請求時，標識RESTCONF操作，請求操作作用于被請求URI指定的目標資源之上，可選操作有GET、PUT、DELETE、PATCH以及OPTIONS。

（2）entry：HTTP服務器端配置的RESTCONF API的根。

（3）resource：標識RESTCONF操作正在訪問的資源路徑表達式，若不存在該字段，則目標資源就是API本身。

（4）query：與RESTCONF消息相關(guān)聯(lián)的參數(shù)集合，以鍵值對的形式存在。

2.2 基于北向接口的應用層編程

OpenDaylight中實現(xiàn)RESTCONF的插件為odlrestconf，需結(jié)合之前的南向插件執(zhí)行配置管理。如圖5所示，掛載NETCONF設備后獲取隧道接口配置，需要注意url中鍵值的寫法，且鍵值的順序需正確。可以在YANG文件中查看鍵值的定義和定義順序。

圖5 通過OpenDaylight獲取配置

在1.2節(jié)中已經(jīng)展示了使用BGP-LS獲取網(wǎng)絡拓撲，這里主要介紹拓撲還原方法。獲取的拓撲可以有多種還原方法，可以自己寫也可以使用一些現(xiàn)有的工具。這里使用思科提供的一個開源小程序?qū)ν負溥M行還原，如圖6所示。

網(wǎng)絡設備的PCC端通過PCEP通道將隧道信息上報控制器的有狀態(tài)PCE端，因此隧道的每條LSP信息都可以通過RESTCONF獲取并還原以進行可視化展示。圖7為獲取上報的SR隧道信息以及可視化展示，LSP路徑為R1-R3-R4-R2。

3 結(jié) 論

OpenDaylight控制器支持SR與MPLS技術(shù)，通過銜接RESTCONF/HTTP和NETCONF/SSH，實現(xiàn)跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡設備的多層多域編排、多供應商部署以及流量工程等功能。本文重點講述了OpenDaylight控制器南北向接口的功能與應用，可以更好地了解OpenDaylight的網(wǎng)絡架構(gòu)與關(guān)鍵部件的功能。模型驅(qū)動的服務抽象層MD-SAL統(tǒng)一了南北向接口以及所有模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，YANG模型起到了協(xié)調(diào)接口調(diào)用的關(guān)鍵作用。RESTCONF實現(xiàn)了外部應用程序與內(nèi)部模塊的交互功能。基于OpenDaylight研發(fā)成果進行網(wǎng)絡應用層面的編排管理，可以大幅提升多數(shù)據(jù)中心部署運維的效率。

圖6 通過BGP-LS進行拓撲還原

圖7 PCEP獲取的隧道路徑展示