劉漢江,歐亮,陳文華,唐宏
(中國電信股份有限公司廣州研究院,廣東 廣州 510630)
基于SDN的跨數(shù)據中心承載技術
劉漢江,歐亮,陳文華,唐宏
(中國電信股份有限公司廣州研究院,廣東 廣州 510630)
互聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展和云計算的興起催生了跨數(shù)據中心互聯(lián)的需求,而軟件定義網絡技術為解決數(shù)據中心互聯(lián)的網絡瓶頸提供了重要途徑。首先介紹了幾種常用的數(shù)據中心互聯(lián)技術,分析了SDN的技術優(yōu)勢,然后提出了一種基于SDN的運營商數(shù)據中心互聯(lián)承載技術方案,并闡述其實現(xiàn)思路。該方案可實現(xiàn)DC間的網絡虛擬化,能夠提供用戶業(yè)務定制、網絡自動開通、任意虛擬機間的策略隔離、流量調度、用戶就近訪問、DC間的容災備份等業(yè)務功能。
數(shù)據中心互聯(lián);云數(shù)據中心;網絡虛擬化;SDN
隨著互聯(lián)網產業(yè)的快速發(fā)展和數(shù)據中心業(yè)務的不斷深化,IDC(internet data center,互聯(lián)網數(shù)據中心)逐漸發(fā)展成為體現(xiàn)電信運營商核心競爭力的關鍵點。據全球權威咨詢公司Gartner預測,2016年全球公共云服務市場規(guī)模將達到2 040億美元,并將保持高速發(fā)展的態(tài)勢,未來幾年至少50%的企業(yè)需要將其IT資源轉移至云端[1]??梢姡瑪?shù)據中心的云化將成為近期運營商網絡建設關注的重點,而靈活的網絡架構、高效的數(shù)據處理能力、自動化的運維管理、快速的業(yè)務部署能力不僅是云計算時代對新一代數(shù)據中心的要求,也是體現(xiàn)數(shù)據中心核心競爭力的基礎。
目前,云計算和云存儲的發(fā)展已經非常成熟,通過在數(shù)據中心的服務器上安裝虛擬化軟件及其管理工具即可實現(xiàn)計算和存儲資源的池化和管理。但是,云服務的快速部署還需要計算、存儲、網絡資源的協(xié)同部署能力,網絡資源需隨業(yè)務申請自動按需發(fā)放,顯然當前的數(shù)據中心網絡難以滿足以上要求。并且,在數(shù)據中心大規(guī)模部署虛擬化計算和存儲以后,傳統(tǒng)數(shù)據中心的網絡問題愈加突出,逐漸成為限制其發(fā)展的瓶頸:首先,網絡與業(yè)務分離,DC間的網絡配置復雜,業(yè)務開通周期長;其次,4 096個VLAN限制了租戶隔離資源,難以滿足云計算時代多租戶規(guī)模擴展的需求;再次,不同地理位置的數(shù)據中心之間三層互訪,業(yè)務和資源擴展受限于單個物理DC;最后,跨DC業(yè)務需要租戶租用光纖/傳輸資源,資源利用率低,費用高。
因此,促進跨數(shù)據中心網絡互聯(lián),實現(xiàn)其資源的整合、池化和調度,構建一個邏輯上統(tǒng)一的云數(shù)據中心已經迫在眉睫。而軟件定義網絡(software defined networking,SDN)具有控制與轉發(fā)分離、集中控制、開放可編程、網絡虛擬化等技術特征,很好地契合了新一代數(shù)據中心的要求,為解決數(shù)據中心互聯(lián)的網絡瓶頸提供了重要途徑[2]。
本文首先介紹和分析幾種常用的數(shù)據中心互聯(lián)技術,然后提出一種基于SDN的運營商數(shù)據中心互聯(lián)承載技術方案,并詳細闡述該方案原型系統(tǒng)的實現(xiàn)架構和相應功能模塊。
業(yè)界的DC互聯(lián)技術較為豐富,大體可以分為兩類:一類是基于MAC地址的二層網絡互聯(lián)技術,另一類是基于IP地址的三層網絡互聯(lián)技術。而云計算時代的跨數(shù)據中心服務器集群、虛擬機跨DC動態(tài)遷移等業(yè)務向數(shù)據中心提出了二層網絡互聯(lián)需求,而解決三層網絡互聯(lián)相對比較簡單,通常可通過L3 VPN實現(xiàn)。因此,接下來主要討論跨數(shù)據中心二層互聯(lián)技術。
基于裸光纖或DWDM (dense wavelength division multiplexing,密集型光波復用)線路的二層互聯(lián)方案是通過光纖或傳輸資源將不同物理位置的數(shù)據中心直接互聯(lián),這種方案雖然帶寬資源非常充足,網絡性能比較突出,但是價格昂貴,難于擴展,主要應用于同城數(shù)據中心之間的互聯(lián)。由于成本較高,對于運營商而言,該技術主要適用于高價值、對安全高度敏感的租戶。
該方案主要有兩種組網方式:Hub-Spoke組網和RRPP環(huán)路組網。其中,Hub-Spoke組網模型將某個數(shù)據中心的核心節(jié)點與多個數(shù)據中心的匯聚層節(jié)點互聯(lián),在邏輯上構成一個星型拓撲,這種組網方式基于最短路徑轉發(fā),數(shù)據轉發(fā)效率較高;RRPP環(huán)路組網模型將多個數(shù)據中心的匯聚層節(jié)點對等互聯(lián),所有節(jié)點之間均存在備份路徑,結構頑健,HA(high available)性能較優(yōu)。因此,企業(yè)在選擇組網方式時,應結合這兩種組網模型的特點,根據應用需求 進 行 設 計[3]。
通過MPLS L2VPN技術,用戶可以通過MPLS網絡在不同站點之間透傳二層數(shù)據信息。因此,可以利用該技術實現(xiàn)跨數(shù)據中心二層網絡的延伸。目前,MPLS L2VPN技術主要有三種實現(xiàn)形式:VPLS(virtual private LAN service,虛擬專用局域網業(yè)務)、VLL(virtual leased line,虛擬租用線路)和 E-VPN(BGP MPLS based Ethernet VPNs,以太網VPN),下面將結合DC互聯(lián)的應用場景展開分析。
VPLS是目前最常見的二層互聯(lián)技術,它是一種點到多點的MPLS L2VPN實現(xiàn)方案,多個不同地理位置的站點之間通過隧道廣播學習MAC地址,對客戶形成一個仿真LAN。VPLS的相關標準提出較早,成熟度高,在很多行業(yè)都廣泛部署,但其組網技術復雜,存在廣播域泛洪的問題,部署和運維難度高。另外,在雙歸屬組網時主備保護負荷分擔實現(xiàn)較為困難。
VLL是一種點到點的二層互聯(lián)方式,通過IP/MPLS網絡提供的VLL虛擬專線將不同物理位置的機房設備直接互聯(lián)[4]。這種互聯(lián)方式路由結構清晰,但如果需要互聯(lián)的數(shù)據中心節(jié)點設備較多,將存在“N的平方”問題。另外,VLL與IP網絡上其他業(yè)務共享帶寬資源,時延要求較高的業(yè)務可能受到不同程度的影響。
EVPN是一種用于L2域間互聯(lián)的新協(xié)議,通過BGP擴展,實現(xiàn)遠端MAC地址學習、多歸屬組網自動發(fā)現(xiàn)/冗余保護/負荷分擔[5]。該協(xié)議可減少BUM流量的泛洪,有效提高網絡效率,非常適合用于數(shù)據中心互聯(lián),將成為下一代替代VPLS的L2VPN技術。但是這種技術較為復雜,配置比較復雜,各廠商支持程度低、可用性和互通性缺少驗證。
overlay網絡方案的提出在一定程度上推動了數(shù)據中心網絡的發(fā)展。該方案將數(shù)據中心網絡改造為一個無阻塞的矩陣網,并通過隧道技術實現(xiàn)網絡虛擬化和軟件的集中控制,其邏輯平面與物理平面完全分離,用戶在設計和部署網絡時無需了解底層物理網絡架構。目前主流的overlay技術有VxLAN(virtual extensible LAN,虛擬可擴展局域網)、NVGRE (network virtualization using generic routing encapsulation,通 用 路 由 封 裝 )、STT (stateless transport tunneling,無狀態(tài)傳輸隧道)技術等,VxLAN是當前業(yè)界的主流選擇?;赩xLAN的overlay網絡可以實現(xiàn)多個數(shù)據中心之間異構網絡的二層互聯(lián),不需要考慮數(shù)據中心之間的網絡類型,配置簡單,是DC互聯(lián)場景中的主推技術。
在多數(shù)據中心互聯(lián)場景中,VxLAN通常與其他技術結合使用,如VxLAN與EVPN結合使用,EVPN作為控制面協(xié)議,而VxLAN作為數(shù)據面協(xié)議。
軟件定義網絡是一種新型的網絡架構和技術,其核心設計理念是將傳統(tǒng)IP網絡的數(shù)據轉發(fā)和路由控制進行分離,實現(xiàn)集中控制、分布轉發(fā),通過軟件可編程的方式來簡化和優(yōu)化網絡。這種控制與轉發(fā)分離的網絡架構使得網絡不再成為制約業(yè)務快速上線和云服務效率的瓶頸,而集中控制的理念也為數(shù)據中心之間網絡資源的整合、優(yōu)化和靈活調度提供了重要手段。
隨著SDN技術的發(fā)展,基于SDN實現(xiàn)數(shù)據中心互聯(lián)已經成為業(yè)界認可的重要思路,集中的SDN控制平臺也逐漸成為實現(xiàn)數(shù)據中心之間流量調度和網絡資源自動化管理的關鍵部件。
在DC互聯(lián)場景中,SDN技術應用的主流思路有兩種:一種是“SDN+VxLAN”的overlay網絡解決方案,另一種是“SDN+openFlow”的underlay網絡解決方案。前者以VxLAN作為數(shù)據面協(xié)議,標識租戶,并透明傳輸租戶信息,SDN控制器集中管理和控制各個數(shù)據中心的VxLAN隧道端點設備,并根據業(yè)務需求向相應設備下發(fā)指令,對進出數(shù)據中心或服務器的報文進行VxLAN封裝轉換;后者需要數(shù)據中心的網絡設備支持OpenFlow,SDN控制器根據業(yè)務策略集中生成流表,并通過標準化的OpenFlow協(xié)議下發(fā)給數(shù)據中心的OpenFlow設備,OpenFlow設備只需根據流表對匹配到的數(shù)據分組執(zhí)行相應的轉發(fā)指令即可。
在這兩種思路中,基于VxLAN的SDN方案相對較為成熟,廠商支持程度較高,可作為近期實現(xiàn)數(shù)據中心互聯(lián)的過渡技術。但由于基于overlay的DCI(data center interconnection,DC互聯(lián))虛擬網絡可能跨廣域網,而VxLAN對網絡狀況并無感知,因此難以規(guī)避擁塞,無法提供有效的流量調度和QoS保障。而基于OpenFlow的SDN方案可以從中央控制節(jié)點獲取網絡配置信息,感知虛擬網絡內跨DC的流量訪問,根據業(yè)務類型對某些時效性要求高的流量進行保障傳送,是未來數(shù)據中心網絡演進的重要方向。
目前,基于SDN技術實現(xiàn)跨數(shù)據中心網絡的互聯(lián)已經成為目前DC互聯(lián)的主流思路。在這種背景下,本文提出一種SDN+MPLS的解決方案,實現(xiàn)運營商跨數(shù)據中心網絡的多租戶互聯(lián)。
為應對云計算時代業(yè)務彈性擴展、就近接入、跨地域容災備份、DC間數(shù)據同步、資源動態(tài)調度、虛擬機遷移等業(yè)務需求,未來的DC互聯(lián)網絡存在3個發(fā)展目標。
·資源虛擬化:實現(xiàn)DC間的網絡虛擬化,對用戶呈現(xiàn)邏輯上統(tǒng)一的云數(shù)據中心,實現(xiàn)數(shù)據中心之間資源的整合、池化和調度,如圖1所示。
圖1 虛擬化數(shù)據中心示意
·業(yè)務自動化:實現(xiàn)網絡自動配置,業(yè)務靈活部署。
·流量可調度:提供多條DC間的業(yè)務路徑,用戶可根據需要靈活選擇和調整業(yè)務流的路徑。
為滿足云服務的網絡需求,運營商DC互聯(lián)承載技術方案的總體功能簡述如下。
·實現(xiàn)靈活的二層虛擬網絡和跨DC虛擬化網絡的延伸。
·面向用戶提供定制界面,完成虛擬網絡配置服務,實現(xiàn)網絡的自動開通。
·實現(xiàn)任意虛擬機的策略隔離。
·提供多種業(yè)務路徑,用戶可根據實際需要動態(tài)調整業(yè)務流的路徑。
·實現(xiàn)用戶跨DC虛擬網絡的分布部署,如Web靠近用戶前置部署,使用戶可就近訪問,縮短用戶訪問的不穩(wěn)定性。
根據上述功能要求,本節(jié)提出一種“SDN+MPLS”的DC互聯(lián)方案,其組網架構如圖2所示,整個系統(tǒng)可分為3層:承載層、控制層和協(xié)同管理層,下面將對該架構進行說明。
承載層由數(shù)據中心和骨干網的網絡設備組成,包括DC內的OpenFlow交換機 (接入和匯聚交換機均采用OpenFlow交換機)和服務器、骨干網的路由器等。數(shù)據中心的服務器可以安裝商用或開源虛擬化軟件,這里假設采用VMware的虛擬化方案,其hypervisor為ESXI,虛擬機之間通過虛擬交換機VDS相連。
控制層由DC控制器和vCenter組成。其中,DC控制器負責根據協(xié)同器下發(fā)的策略進行流表映射,并下發(fā)流表表項,實現(xiàn)對OpenFlow交換機的控制:對于出入接入交換機的數(shù)據分組彈出/壓入VLAN標簽,實現(xiàn)物理主機內不同租戶的隔離;并壓入/彈出所選LSP的MPLS標簽棧,實現(xiàn)路徑選擇,內層標簽表示目的DC內的LSP路徑,中層標簽表示DC間骨干網的LSP路徑,外層標簽表示源DC內的LSP路徑。在整個DC互聯(lián)網絡,只根據MAC地址全局判定租戶虛擬網絡。
協(xié)同管理層由協(xié)同器和DCI云管理平臺組成。DCI云管理平臺負責DCI的網絡管理和控制功能,并面向用戶提供虛擬網絡配置服務。協(xié)同器接收云管理平臺的指令,負責協(xié)調和管理各DC的控制器,并向各DC內的控制器下發(fā)業(yè)務策略。
考慮采用圖3所示功能架構,各層次間的相關處理流程簡述如下。
·用戶通過DCI云管理平臺定制其虛擬網絡,包括創(chuàng)建業(yè)務主機、選擇路徑策略等。
·DCI云管理平臺通過vCenter將業(yè)務主機實例化,vCenter將業(yè)務主機的部署信息反饋給DCI云管理平臺。
·DCI云管理平臺將業(yè)務主機的部署信息與物理網絡拓撲的相關信息存儲至用戶信息數(shù)據庫,并透傳給協(xié)同器。
·協(xié)同器根據用戶定義的網絡關系和路徑策略進行路徑計算,基于當前的網絡資源狀況選擇LSP路徑,并將相應的策略模板下發(fā)給對應的DC控制器。
·DC控制器將路徑策略映射為流表,下發(fā)給對應的OpenFlow交換機。
圖2 運營商DC互聯(lián)承載技術方案組網架構
圖3 系統(tǒng)功能架構
·OpenFlow交換機接收并匹配到指定業(yè)務報文,則按照指定策略,執(zhí)行相應的轉發(fā)處理同時,交換機將端口流量的統(tǒng)計數(shù)據上報給DC控制器,并由后者通過RESTful接口上報給協(xié)同器。
·vCenter將DC計算資源的運行狀況上報給DCI云管理平臺。
下面介紹主要功能模塊。
3.3.1 DCI云管理平臺功能
DCI云管理平臺上具備面向運營商、企業(yè)、租戶的portal,提供業(yè)務靈活定制的圖形化界面,并負責DCI的資源管理,具體功能如下。
·租戶邏輯視圖:保存和維護租戶所定義的邏輯網絡視圖。
·租戶資源管理:管理租戶需要使用的資源,包括租戶可用DC、計算資源、VLAN、IP地址、MAC地址、賬號和密碼等。
·虛擬機管理:創(chuàng)建、刪除虛擬機,并管理虛擬機模板(業(yè)務邏輯)。
·IP地址映射管理:主要管理公網IP地址和租戶私網IP地址之間的映射關系。
·DC資源管理:與各DC vCenter聯(lián)動獲取DC的計算資源情況并進行管理。
·系統(tǒng)管理:包括用戶、管理員的權限管理,操作日志管理等。
3.3.2 協(xié)同器功能
協(xié)同器又稱為DCI網絡協(xié)同管理模塊,負責總體的業(yè)務編排及多廠商DC控制器的協(xié)同,具體功能如下。
·拓撲管理與呈現(xiàn):網絡物理拓撲的管理與維護,并將拓撲透傳給DCI云管理平臺,在圖形化界面上展示。
·租戶隔離:實現(xiàn)物理主機內的租戶隔離。本方案全局使用MAC地址池實現(xiàn)租戶隔離,在物理主機內使用VLAN隔離租戶。VLAN在同一個物理主機內有效,不同物理主機VLAN可復用,成功解決DC隔離資源受限的問題。同租戶不同物理主機間的VLAN轉換通過租戶標識、VM MAC地址、VLAN和物理主機ID等信息表實現(xiàn)。
·DCI路徑計算:根據用戶在云管理平臺上指定的路徑策略進行LSP路徑計算。
·LSP管理:管理和維護LSP,包括MPLS標簽、跳點、LSP策略模板等。
· 流量調度:負責實現(xiàn)DC間的交換機/租戶/VM之間的流量調度。
·網絡資源管理:管理、分配、回收租戶使用的網絡資源,包括交換機的管理IP地址、路由器的MAC地址、端口和連接關系等。
3.3.3 控制器功能
DC控制器負責網絡建模和網絡實例化,將協(xié)同器下發(fā)的策略進行流表映射,并下發(fā)給OpenFlow交換機,將底層資源狀況反饋給協(xié)同層,主要基于OpenDaylight開源控制器實現(xiàn),具體功能如下。
·拓撲管理:負責DC內物理拓撲的管理與維護,并將數(shù)據中心的物理拓撲發(fā)送給協(xié)同器。
·路徑計算:根據協(xié)同器的路徑計算模塊下發(fā)的路徑策略模板生成流表。
·流表管理:負責流表的下發(fā)、刪除、修改、查詢,與OpenFlow交換機的流表同步。
· 狀態(tài)管理:管理OpenFlow交換機之間、OpenFlow交換機與DC控制器之間的連接狀態(tài)。
·租戶隔離:負責維護本數(shù)據中心內租戶標識,如虛擬機MAC地址、VLAN和物理主機ID等信息,實現(xiàn)不同租戶之間的隔離。
·MD-SAL:OpenDaylight提供的基于模型驅動的服務抽象層,為上層的功能模塊提供一致性服務。
·OpenFlow 1.3驅動與接口:支持與OpenFlow 1.3交換機通信。
3.3.4 業(yè)務流程
通過上述功能開發(fā),該方案可實現(xiàn)DC間的網絡虛擬化,能夠提供用戶業(yè)務定制、網絡自動開通、任意虛擬機策略隔離、DC間流量調度、用戶就近訪問、DC間的容災備份等業(yè)務功能。由于系統(tǒng)功能較多,這里不一一贅述,僅以兩個重要功能為例來說明其實現(xiàn)原理。
(1)網絡自動開通
首先,租戶在DCI云管理平臺上的GUI上創(chuàng)建業(yè)務主機并通過vCenter將其實例化,vCenter將業(yè)務主機的部署信息反饋給DCI云管理平臺(包括部署DC和所屬物理主機ID)。DCI云管理平臺將業(yè)務主機部署信息與物理網絡信息進行整理,存儲至用戶信息數(shù)據庫,如圖4所示。
圖4 用戶信息數(shù)據庫
用戶完成業(yè)務主機的創(chuàng)建工作之后,需要為其定義網絡關系,包括子網間的互通關系,主機之間互訪關系等,并選擇DC內、DC間虛擬機互通的路徑選擇策略。DCI云管理平臺將相關網絡策略和用戶信息數(shù)據庫一起透傳給協(xié)同器。協(xié)同器根據租戶定制網絡和當前的網絡資源狀況進行路徑計算,選擇LSP,并向對應的DC控制器下發(fā)策略。DC控制器根據路徑策略集中生成流表表項,下發(fā)給對應的OpenFlow交換機。OpenFlow交換機根據流表轉發(fā)數(shù)據分組。
至此,便實現(xiàn)了租戶網絡的自動開通。云管理平臺、協(xié)同器、DC控制器、OpenFlow交換機之間的關系如圖5所示。
(2)DC 間流量調度
網絡管理員預先靜態(tài)配置多條DC間的LSP路徑,包括默認路徑、高帶寬VIP通道、其他帶寬路徑等。
租戶可以根據業(yè)務需求調整DC間的路徑,實現(xiàn)業(yè)務流的動態(tài)路徑優(yōu)化。
租戶在GUI上重新選擇DC間的業(yè)務路徑后,DCI云管理平臺向協(xié)同器下發(fā)變更DC間LSP的請求,協(xié)同器收到請求后分別向源DC和目的DC下發(fā)路徑變更策略??刂破鲃h除原有Openlow交換機中相應的流表組,并根據新的DC間路徑重新生成和下發(fā)新的流表組。
圖5 網絡自動開通業(yè)務流程示意
促進跨數(shù)據中心的網絡互聯(lián),整合全網的DC資源是云計算時代數(shù)據中心的發(fā)展趨勢。文中對光纖互聯(lián)、L2 VPN、overlay和SDN等多種主流DC互聯(lián)技術進行了分析。其中,基于SDN技術實現(xiàn)跨數(shù)據中心網絡的互聯(lián)已經成為業(yè)界認可的重要思路,集中的SDN控制平臺也成為了實現(xiàn)業(yè)務全網管控和網絡資源自動化管理的關鍵部件。
在這種背景下,本文闡述了一種運營商DC互聯(lián)承載技術方案及其實現(xiàn)方法。該方案可實現(xiàn)DC間的網絡虛擬化,能夠提供用戶業(yè)務定制、網絡自動開通、任意虛擬機策略隔離、流量調度、用戶就近訪問、DC間的容災備份等業(yè)務功能。
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Bearing technology across the data center based on SDN
LIU Hanjiang,OU Liang,CHEN Wenhua,TANG Hong
Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China
The development of the internet industry and the rise of cloud computing have created requirements on interconnectivity across data center,and software defined network technology provides important means to solve the network bottleneck problem of data center interconnectivity.Firstly,several commonly used interconnectivity technologies across data center were introduced,and advantages of SDN technology were analyzed.Then,the operator solution of data center interconnectivity bearing technologies based on SDN was put forward,and implementation ideas of this solution were explained.It is a solution which can realize network virtualization across data center,and provide kinds of business functions,such as service customization of user,automatic accessing of network,isolation strategy between different virtual machine,traffic scheduling,the nearest access of user,disaster recovery and backup across data center.
data center interconnectivity,cloud data center,network virtualization,SDN
TP393
A
10.11959/j.issn.1000-0801.2016114
2016-02-20;
2016-03-15
劉漢江(1988-),女,現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司廣州研究院,主要研究方向為IP承載網絡技術、SDN/NFV技術。
歐亮(1968-),男,博士,中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師,主要研究方向為電信網絡規(guī)劃設計、互聯(lián)網新技術研究與應用。
陳文華(1967-),男,中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師,主要研究方向為數(shù)據通信網絡。
唐宏(1974-),男,中國電信股份有限公司廣州研究院數(shù)據通信研究所所長,主要研究方向為IP承載網、下一代互聯(lián)網和網絡新技術方面的研發(fā)與管理。