基于SDN的醫療數據中心網絡架構研究

摘要：隨著網絡規模不斷增大，醫療數據中心煩瑣和低效等問題日益凸顯，SDN（Software Defined Network）的網絡架構正好能解決這些問題。其通過核心技術OpenFlow分離控制層和數據層，實現對網絡流量的靈活控制，使數據中心網絡更加高效、便捷和智能。由于SDN的開放性，使得網絡架構無須依賴底層網絡設備，屏蔽了設備差異，用戶也可以自定義網絡規則，讓網絡更加靈活和智能。相比傳統網絡架構，SDN為網絡管理提供了更多的便捷性和可操作性。

關鍵詞：軟件定義網絡（SDN）；OpenFlow；Overlay；VxLAN；數據中心網絡

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.010

中圖分類號：TP 308" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）04-00-03

Research on Network Architecture of Medical Data Center Based on SDN

YU Kai， LAI Zhensong， YAN Wu， LI Jingcheng

（Zhongshan Hospital Affiliated to Xiamen University， Xiamen 361004， China）

Abstract： With the increasing scale of the network， the problems of cumbersome and inefficient medical data centers are increasingly prominent. SDN's Software Defined Networking can just solve these problems. Through the core technology OpenFlow， which separates the control layer and data layer， it realizes the flexible control of network traffic and becomes an efficient， convenient and intelligent network. Due to the openness of SDN， the network architecture does not need to rely on the underlying network equipment， shielding the difference of equipment. Users can also customize the network rules to make the network more flexible and intelligent. Compared with traditional network architecture， SDN provides more convenience and operability for network management.

Key words： software definition network （SDN）; openflow; overlay; VxLAN; data center network

伴隨“互聯網+醫療健康”的興起，健康醫療大數據的應用日益廣泛，傳統的醫療數據中心網絡正在出現明顯的變化。首先，數據中心規模呈幾何級增長，大型數據中心正逐步取代各個中小型醫療機構的小型數據中心。其次，虛擬化技術和超融合技術大量應用，由于虛擬服務器和虛擬網絡都依賴于現有物理基礎網絡，因而，對網絡高效性和靈活性提出了較高的要求。最后，新的業務服務和業務模式不斷出現，傳統數據中心正在從數據轉發模式轉換為基于服務的遞交模式，數據中心變得更趨向于動態化、復雜化。為應對以上的新變化，醫療數據中心網絡應該逐漸向著寬帶化、融合化、智能化和云化的方向發展。SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）是一種新型的網絡架構，可以很好地滿足醫療數據中心網絡演進的需求[1]。

1" SDN的定義及體系架構

SDN起源于斯坦福大學Nick McKeown教授團隊的Clean Slate項目，Clean Slate項目提出了通過OpenFlow協議構建一個可編程的網絡。OpenFlow的核心思想是將網絡設備的控制層與數據轉發層分離開，實現數據轉發的靈活控制，使網絡更為高效、安全和穩定。SDN基本架構如圖1所示。

從圖1可知，具備SDN功能的數據中心網絡應該具備以下特性：①控制和轉發分離。網絡控制實體獨立于網絡轉發和處理實體進行部署。②集中化控制，追求網絡資源的高效利用。③網絡業務可編程，整個業務生命周期可通過控制器改變業務的屬性來滿足客戶不斷變化的需求。④開放的接口，對網絡領域通用功能接口進行標準化。

2" SND架構中的關鍵技術

2.1 OpenFlow

OpenFlow是SDN中實現轉發控制和數據轉發的核心技術。在傳統的網絡中，控制模塊分布在各個網絡設備上，轉發控制和數據轉發都由各個網絡設備自行控制。而OpenFlow將控制模塊從各個網絡設備中剝離出來，網絡管理員在現有網絡拓撲不變的情況下，通過編程的方式重新定義網內數據的流向。

網絡交換設備，無論是交換機還是路由器，其核心信息都保存在流表里面，流表由很多個流表項組成，每個流表項就是一個轉發規則。進入交換機的數據包通過查詢流表來獲得轉發的目的端口。

2.2 Overlay

Overlay是一種網絡虛擬化技術，它在對傳統網絡不做改變的前提下虛擬出一個虛擬網絡形成一個層疊網絡。該虛擬網絡承載所有的實際業務應用。一個Overlay網絡主要由三部分組成：①邊緣設備，是指與虛擬機直接相連的設備。②控制平面，主要負責虛擬隧道的建立、維護以及主機可達性信息的通告。③轉發平面，承載Overlay報文的物理網絡。

當前主流的Overlay技術主要有VxLAN、GRE/NVGRE和STT。由于VxLAN利用了現有通用的UDP傳輸，底層采用IP封裝，技術比較成熟，因此被各主流網絡廠商廣泛采用。

3" SDN在醫療數據中心網絡中的應用

3.1 基于SDN的醫療數據中心網絡架構

基于SDN的醫療數據中心網絡主要由兩部分組成：一個是控制層面，由控制器負責；一個是轉發層面，由網絡設備負責。以目前主流的SDN物理架構（見圖2）為例，由以下幾個組件組成：①APIC（Application Policy Infrastructure Controller），即應用策略基礎架構控制器，就是控制器Controller，負責控制策略下發；②Spine，骨干節點（核心交換機）；③Leaf，葉子節點（接入交換機），負責數據的轉發。葉子節點只和骨干節點互連，葉子節點間不互連，其他所有設備包括服務器、負載均衡和安全設備等均連接至葉子節點。其實，可以將整個數據中心網絡看成一臺模塊化的交換機，控制器Controller就是這臺交換機的引擎，核心節點Spine是交換矩陣，葉子節點Leaf相當于交換板卡[2]。

3.2 基于SDN的醫療數據中心網絡的特性

（1）可擴展性?；赟DN的醫療數據中心網絡能夠支撐不斷增加業務需求而產生的網絡負載。當帶寬不足時，可以通過增加核心節點Spine來實現；如果是接入端口不足，只要擴容葉子節點Leaf即可。從設備角度出發，基于SDN的醫療數據中心網絡能夠支持多廠商SDN設備兼容。

（2）自動化運維。一方面，基于SDN的醫療數據中心網絡通過醫療云管平臺實時監測網內業務運行情況，感知醫療數據中心內業務對網絡資源的需求，自動設計部署業務網絡優化方案，從而在業務需求發生變化時，能能夠動態地調整網絡設計方案，提供足夠的業務流量處理能力，在業務量下降或終止后及時回收分配的網絡資源。另一方面，其具備一定的網絡自運維和自愈能力，當故障出現時能夠自動定位故障點，并進行自動恢復，從而減少管理者工作量，縮短故障處理時間，將故障損失降到最低。

（3）資源靈活調度?；赟DN的醫療數據中心網絡，應能夠對虛擬網絡資源進行實時調度，以滿足不同用戶群體、不同時段和不同業務類型對網絡資源的需求。SDN控制器應能夠實時維護數據中心的全局資源視圖，并根據實時的鏈路帶寬，結合業務需求對設備的轉發邏輯進行實時的調整。SDN數據層即網絡設備根據控制層下發策略對網絡資源進行實時調整。同時，一旦業務數據流向發生改變，能快速靈活地引導業務流量經過相應服務節點。

4" 基于SDN的醫療數據中心網絡部署方案

由于醫療數據中心的相關云服務需要為不同層級的醫療機構服務，其接入規模和業務類型都比一般行業的云服務具有更大的復雜性，因而，部署基于SDN技術的醫療數據中心網絡，能夠實現網絡資源的自動化管理，讓數據中心網絡得以合理、靈活和高效地運行。以下將結合國際某知名網絡廠商的成熟的SDN技術標準，從三個方面簡要介紹SDN在醫療數據中心網絡中的部署思路。

4.1 醫療數據中心網絡總體架構

如圖3所示，基于SDN的ACI網絡搭建采用最新的Spine/Leaf架構，為數據中心提供了資源云化的服務器資源池分區。該架構按照安全因素劃分為生產ACI網絡、外聯ACI網絡、管理ACI網絡、測試ACI網絡。各個ACI網絡通過三層連接到交換核心，交換核心通過三層連接到廣域網區；各個ACI網絡采用SDN技術進行網絡資源統一管理，提供快速、敏捷的網絡服務。

4.2 基于Overlay網絡的三層結構設計

ACI網絡內部分為三層結構，上層為邊界接入層，部署邊界葉子接入交換機，主要負責同數據中心核心交換機間的互連。出于安全性和穩定性考慮，往往邊界葉子接入交換機會通過全連接方式串聯防火墻，并且可按需接入負載均衡等服務設備。中間層是核心層，部署多臺交換機作為骨干交換機。下層是接入層，按需部署相應數量的葉子交換機作為服務接入交換機；骨干交換機與葉子交換機全互連，骨干交換機之間不進行互連。服務器通過綜合布線，由2個萬兆/千兆網卡雙上連到葉子交換機。ACI網絡中的全部交換機通過SDN控制器進行集中管理和統一配置。

同一套物理ACI網絡（Underlay Network）可以劃分為不同的租戶（Tenant）網絡（Overlay Network）。醫療云業務相關服務器劃分為一個租戶網絡，各個醫療機構分別劃分為一個租戶網絡；本租戶網絡內根據服務器功能劃分為不同的終端組（VLAN子網）；不同租戶之間的終端組不能互訪，如果需要互訪，需要繞經數據中心的交換核心；同一個租戶內的終端組之間的互訪可以通過定義互訪策略開通。

4.3 基于服務鏈的出口網絡設計

傳統數據中心網絡出口部署一般采用兩種部署方式。一種是串聯部署。這種部署方式存在單點故障、網絡割接不便、性能瓶頸、資源利用率低、功能伸縮性差、運維復雜等問題。另一種是通過策略路由旁掛部署。這種部署方式存在策略復雜、功能伸縮性差、運維復雜等問題。因此，可以通過SDN技術采用服務鏈方式部署數據中心外連網絡，即所有安全設備旁掛部署，部署外連SDN控制器集群通過下發流表的方式按需引流。如圖4所示，通過該方式可以解決以下幾個問題：一是單點故障問題，一旦安全池中有安全設備發生故障宕機，SDN控制器可使業務流量bypass過這臺設備；二是主備自動切換機制，即在安全設備雙機情況下通過外部引流的方式實現主備切換；三是負載均衡，即把業務流量承載到多臺安全設備上。

5" 結束語

當SDN技術逐步廣泛應用于包括醫療在內的各個大型云數據中心網絡時，它的數控分離、集中管理和可編程的特性的確給網絡帶來了巨大的變革，但是它也存在著諸多問題，例如，在醫療行業中沒有形成統一的建設規范問題、同傳統網絡共存的問題和設備可兼容性問題，不過這些問題并不會阻礙SDN技術在醫療數據中心網絡中的發展?！?/p>

參考文獻

[1] 黃韜，劉江，魏亮，等．軟件定義網絡核心原理與應用實踐[M]．北京：人民郵電出版社，2015.

[2] 傅小寧，張振文，劉亞，等．SDN技術在數據中心網絡中的應用研究[J]．郵電設計技術，2016（10）：56-61.