網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)應(yīng)用研究

邵湘怡，張?jiān)滦?，李建奇，?浩

（1.湖南文理學(xué)院，湖南 常德 415000；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司湖南省分公司，湖南 長沙 410014）

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，互聯(lián)網(wǎng)流量迅猛增長，應(yīng)用不斷創(chuàng)新，無論企業(yè)用戶還是個(gè)人用戶，都需要新業(yè)務(wù)和更為出色的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。云計(jì)算通過互聯(lián)網(wǎng)將分布的計(jì)算、存儲、服務(wù)、軟件等資源整合起來，以虛擬化資源池的方式向用戶提供更方便、快捷、可伸縮式的按需服務(wù)[1]。消費(fèi)者和企業(yè)將從“購買軟硬件產(chǎn)品”向“購買信息服務(wù)”轉(zhuǎn)變，如同100年前“電”的演變，農(nóng)場和公司逐漸關(guān)閉了自己的發(fā)電機(jī)，從發(fā)電廠購買電力。

云計(jì)算的基本表現(xiàn)形式仍然是數(shù)據(jù)中心，但技術(shù)發(fā)生了革命性的變化：從強(qiáng)調(diào)單機(jī)的性能向“虛擬化、分布式、智能化”方向發(fā)展，用海量低成本服務(wù)器替代傳統(tǒng)專用大/小型機(jī)/高端服務(wù)器；用分布式軟件替代傳統(tǒng)單機(jī)操作系統(tǒng)；用自動管控軟件替代傳統(tǒng)的集中管理，也就是硬件資源池化、軟件分布式化、管理自動化。這種新型運(yùn)營模式能統(tǒng)籌利用城市發(fā)展的物質(zhì)資源、信息資源和智力資源，推動物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展深度融合。在這種背景下，網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

云的本質(zhì)是面向多租戶的服務(wù)化。網(wǎng)咖可將現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)備外包給運(yùn)營商承建和運(yùn)維管理，也就是采用全新的ICT（Information Computer Technology）業(yè)務(wù)集成外包模式，這樣管理更加高效簡化，可以把人力、物力聚焦于業(yè)務(wù)發(fā)展。

1.1 概述

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟硬件高度耦合，網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展困難、設(shè)備更新成本高、靈活性差。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備既要負(fù)責(zé)流量的轉(zhuǎn)發(fā)，又要負(fù)責(zé)規(guī)則的制定，一旦拓?fù)浒l(fā)生變化，需要管理人員手動配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，浪費(fèi)大量的人力物力[2]。軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN[3]（Software Defined Network）將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)層面和控制層面分離，可以實(shí)行集中化的管理和靈活的策略部署，目前運(yùn)營方的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)普遍采用這種新型體系結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)咖把服務(wù)器（云主機(jī)）部署在運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心，接入點(diǎn)采用云桌面方式，中間的傳輸線路由運(yùn)營商負(fù)責(zé)管理維護(hù)，提供服務(wù)。圖1是基于SDN的PaaS（Platform as a Service）框圖。

圖1 基于SDN的PaaS框圖

網(wǎng)咖客戶端把本地的計(jì)算和應(yīng)用遷移到數(shù)據(jù)中心，這些設(shè)備被虛擬成資源池，可以大大提高資源利用率，整合比常為1∶5～1∶10，服務(wù)器利用率可提升到60%以上。運(yùn)營方數(shù)據(jù)中心則綜合IT資源及通信業(yè)務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理、業(yè)務(wù)的統(tǒng)一發(fā)放和集中運(yùn)維。由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)分布比較集中，策略需要頻繁更新，十分適合使用SDN技術(shù)?？刂破骱徒粨Q機(jī)兩種獨(dú)立設(shè)備分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的控制與轉(zhuǎn)發(fā)[4]，數(shù)據(jù)層面的交換機(jī)由控制層面通過Open Flow[5]協(xié)議來實(shí)現(xiàn)控制[6]。這樣可以進(jìn)行更加靈活的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、路由管理和資源分配。API（Application Program Interface）是SDN控制器與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的交互接口，客戶端用瘦終端替代主機(jī)，將用戶桌面與實(shí)際終端分離，通過網(wǎng)絡(luò)方式遠(yuǎn)程使用位于云端的個(gè)人計(jì)算機(jī)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前SDN技術(shù)正處于發(fā)展階段還不夠成熟，這種網(wǎng)絡(luò)模式在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題。為了保證可靠性和用戶體驗(yàn)，現(xiàn)針對服務(wù)和負(fù)載兩方面進(jìn)行分析和討論。

1.2.1 服務(wù)可靠

1.2.1.1 網(wǎng)咖數(shù)據(jù)中心可靠

由于網(wǎng)咖采用云桌面方式接入，運(yùn)營方數(shù)據(jù)中心會大量使用虛擬機(jī)。虛擬機(jī)宕機(jī)時(shí)需要將計(jì)算任務(wù)重新分配至備份虛擬機(jī)，同時(shí)需要為同一個(gè)服務(wù)配置多個(gè)備份來保證服務(wù)的穩(wěn)定性。因此，一旦出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)機(jī)失效、鏈路中斷等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)異常情況，就必須對虛擬機(jī)或服務(wù)進(jìn)行遷移，也就是網(wǎng)絡(luò)重定向，把網(wǎng)絡(luò)中的各種請求重定向到新的位置[2]。如果虛擬機(jī)和遷移的目的主機(jī)處于在同一網(wǎng)段，只需遷移虛擬機(jī)的CPU和內(nèi)存狀態(tài)，不用更改網(wǎng)絡(luò)配置，向外發(fā)送一個(gè)對應(yīng)新MAC地址的ARP應(yīng)答包即可恢復(fù)通信[7]。但如果源虛擬機(jī)和目的主機(jī)不在同一網(wǎng)段，就需要討論新的重定向算法，具體闡述如下。

（1）正式遷移前，網(wǎng)絡(luò)控制端為需要遷移的虛擬機(jī)分配一個(gè)轉(zhuǎn)交地址。注意這個(gè)轉(zhuǎn)交地址不是目的主機(jī)地址，而是和目的主機(jī)處于同一子網(wǎng)的IP地址。同時(shí)，所有運(yùn)行Open Flow協(xié)議的交換機(jī)在連接到控制器時(shí)，控制器需要建立一個(gè)ARP緩存表，以便集中處理ARP請求與應(yīng)答，保證傳輸?shù)目煽啃院瓦w移的透明性。

（2）開始遷移虛擬機(jī)的內(nèi)存和系統(tǒng)狀態(tài)。在這個(gè)過程中，控制器不實(shí)施任何動作，但交換機(jī)會通過流表項(xiàng)記錄遷移的動態(tài)。

（3）狀態(tài)遷移完成后，控制端根據(jù)受控交換機(jī)的對應(yīng)流表項(xiàng)，建立轉(zhuǎn)交地址與虛擬機(jī)地址的映射關(guān)系，然后清除這些條目，修改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，將與虛擬機(jī)之前建立的連接傳到轉(zhuǎn)交地址，響應(yīng)新的通信需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重定向。在Open Flow交換機(jī)內(nèi)部不區(qū)分普通數(shù)據(jù)流量與重定向流量[8]，都是根據(jù)流表項(xiàng)描述的轉(zhuǎn)發(fā)邏輯完成轉(zhuǎn)發(fā)的。

1.2.1.2 運(yùn)營商傳輸可靠

目前，運(yùn)營商城域網(wǎng)采用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常是雙平面組網(wǎng)，以此保證業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。城域網(wǎng)使用的外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議是BGP（Border Gateway Protocol）。當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)由一個(gè)平面自動切換至另外一個(gè)平面，在進(jìn)行業(yè)務(wù)升級、割接等日常運(yùn)維操作時(shí)，運(yùn)營商運(yùn)維人員通常也會主動進(jìn)行流量切換。由于BGP本身設(shè)計(jì)了180秒的收斂時(shí)間，以上情形導(dǎo)致路由需要3分鐘左右才能完成切換，公眾上網(wǎng)業(yè)務(wù)通常對網(wǎng)絡(luò)敏感性較差，但是網(wǎng)咖用戶特別是游戲玩家無法接受，網(wǎng)咖商家通常會以停止?fàn)I業(yè)應(yīng)對以上情形，向運(yùn)營方投訴。運(yùn)營方對此種情形可能采取的解決措施有如下兩種。

方式一：3分鐘內(nèi)無法使用網(wǎng)絡(luò)是由于路由收斂導(dǎo)致，因此考慮壓縮BGP路由收斂時(shí)間。由于BGP本身的設(shè)計(jì)規(guī)則，路由收斂時(shí)間是秒級的，而且收斂時(shí)間太短會出現(xiàn)路由頻繁更新問題，影響運(yùn)營商集團(tuán)公司網(wǎng)內(nèi)路由的穩(wěn)定性，隱患更大。而且網(wǎng)咖用戶對于網(wǎng)絡(luò)收斂的時(shí)間要求是500毫秒以下，顯然這種方式不具備可操作性。

方式二：毫秒級的收斂時(shí)間使人聯(lián)想到萬能BFD（Bidirectional Forwarding Detection），在BGP中部署B(yǎng)FD，當(dāng)鏈路中斷時(shí)鄰居即時(shí)失效，快速收斂路由。該方案交由運(yùn)營商省級分公司及集團(tuán)公司審核時(shí)予以否定，原因?yàn)槌怯蚓W(wǎng)部署B(yǎng)FD會出現(xiàn)極端情況：當(dāng)中間傳輸鏈路頻繁瞬斷時(shí)，會導(dǎo)致路由在兩個(gè)平面頻繁切換，導(dǎo)致集團(tuán)層面的BGP路由保護(hù)機(jī)制會禁用城域網(wǎng)BGP路由，最終引發(fā)整個(gè)城域網(wǎng)路由失效，存在城域網(wǎng)全阻風(fēng)險(xiǎn)。

由于以上方式的局限性，經(jīng)多方研究探討，提出一種多重重定向解決方案，基于地級市的網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)組網(wǎng)模型如圖2所示。圖中城域網(wǎng)核心路由器為華為NE5000E，業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)為華為ME60E。網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)通過地市ME60E接入，業(yè)務(wù)正常情況下數(shù)據(jù)從A平面連入互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)A平面省干線路故障或者升級割接時(shí)，在NE5000E-A上啟用多重自動重定向策略將網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流重定向到國干B方向路由設(shè)備，城域網(wǎng)B方向路由設(shè)備在收到網(wǎng)咖云路由之后無條件往B平面出口方向發(fā)送數(shù)據(jù)。多重重定向首先在NE5000E-A上設(shè)置。具體步驟如下。

圖2 基于地級市網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)組網(wǎng)模型

（1）配置ACL（Access Control List）規(guī)則：匹配網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)所在IP段（源IP）的報(bào)文。

（2）配置流分類：匹配規(guī)則為上述ACL規(guī)則，使設(shè)備可以對報(bào)文進(jìn)行區(qū)分。

（3）配置流行為：配置多重重定向流行為。

（4）配置流策略：將流分類和對應(yīng)的流行為進(jìn)行綁定。

（5）應(yīng)用流策略：將流策略應(yīng)用到相應(yīng)接口上，實(shí)現(xiàn)策略路由。

在NE5000E-A上配置多重重定向流行為，設(shè)備通過監(jiān)測A出口方向端口狀態(tài)，如中斷就觸發(fā)策略從而將流量轉(zhuǎn)發(fā)至城域網(wǎng)互聯(lián)接口C，從而避免因BGP路由收斂導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷。在NE5000E-B上重復(fù)上述配置流程，與A平面配置的區(qū)別在于第3步配置流行為時(shí)不需要監(jiān)測端口狀態(tài)變化，同時(shí)增加一個(gè)步驟：為使回程路由能原路返回，需要及時(shí)設(shè)置BGP路由的cost值，保證路由能從B平面返回。按照這個(gè)策略完成整個(gè)業(yè)務(wù)部署，可確保在鏈路故障或者割接時(shí)實(shí)現(xiàn)毫秒級切換。

1.2.2 負(fù)載均衡

SDN數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用分布式的控制器架構(gòu)，不用改變控制器和交換機(jī)的連接狀態(tài)，就能對控制器負(fù)載進(jìn)行全局優(yōu)化。在這種模式下，每臺交換機(jī)與多個(gè)控制器連接，控制器的角色由控制層動態(tài)分配[9]。當(dāng)某個(gè)交換機(jī)產(chǎn)生突發(fā)流量時(shí)，通過將一部分宏流從高負(fù)載交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至低負(fù)載交換機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)鏈路負(fù)載均衡，這里把具有相同源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的流集合稱為宏流，具體做法如下。

（1）局部控制器收集所管理的網(wǎng)絡(luò)信息，周期性地上報(bào)給全局控制器。

（2）全局控制器匯總?cè)W(wǎng)的流量信息，并根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)情況，預(yù)測下一周期的流量分布。

（3）在掌握了控制鏈路上行負(fù)載情況和下個(gè)周期宏流預(yù)估的基礎(chǔ)上，控制器選擇一部分宏流從較高負(fù)載交換機(jī)重定向至較低負(fù)載交換機(jī)上。

1.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

現(xiàn)針對網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)出網(wǎng)咖云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署圖以供參考，如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用云主機(jī)模式，數(shù)據(jù)中心部署在核心機(jī)房側(cè)，網(wǎng)咖側(cè)使用云桌面，架構(gòu)采用上文中提出的服務(wù)可靠與負(fù)載均衡策略。

圖3 網(wǎng)咖云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）服務(wù)可靠：運(yùn)營方側(cè)部署服務(wù)器，大量使用虛擬機(jī)服務(wù)，提高服務(wù)內(nèi)容的可靠性。核心交換側(cè)部署OpenFlow協(xié)議，保證服務(wù)重定向的實(shí)施。運(yùn)營商根據(jù)路由規(guī)劃部署多重重定向策略，解決運(yùn)營商線路與割接時(shí)服務(wù)不可用問題。

（2）負(fù)載均衡：數(shù)據(jù)中心采用分布式控制器架構(gòu)，對負(fù)載進(jìn)行全局優(yōu)化。

2 網(wǎng)卡云業(yè)務(wù)性能分析

網(wǎng)咖如果采取圖3架構(gòu)，運(yùn)營方能按照不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的路由算法或轉(zhuǎn)發(fā)策略，提高帶寬利用率。通過Open Flow交換機(jī)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重定向的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，運(yùn)行效率比較高[10]。虛擬機(jī)（應(yīng)用）能在多臺物理服務(wù)器之間透明移動，保證業(yè)務(wù)不中斷，實(shí)現(xiàn)跨物理機(jī)的錯(cuò)峰削谷。同時(shí)虛擬機(jī)（應(yīng)用）之間還可以動態(tài)共享資源，實(shí)現(xiàn)物理機(jī)內(nèi)的錯(cuò)峰削谷。由于磁盤空間是動態(tài)伸縮的，改變了原有的應(yīng)用打包/發(fā)布模式，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用對硬件更徹底的解耦。SDN云數(shù)據(jù)中心的操作系統(tǒng)OS（Operating System）專用綠色化，避免了其他軟件的干擾。當(dāng)物理機(jī)或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間可控制在百毫秒內(nèi)。基于以上這些優(yōu)勢，網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)已經(jīng)引起人們的密切關(guān)注并迅速發(fā)展起來。

3 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，用戶應(yīng)用需求也不斷更新增長，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和可擴(kuò)展能力等提出了挑戰(zhàn)。本文針對網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)解決了服務(wù)和傳輸可靠以及負(fù)載均衡等問題，需要進(jìn)一步探討SDN體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的云業(yè)務(wù)，同時(shí)繼續(xù)提升控制器的計(jì)算能力，采取相應(yīng)措施保證云數(shù)據(jù)中心的信息安全，促進(jìn)不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)流動及融合，使其釋放出更大的價(jià)值。■