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        基于SDN架構(gòu)的VXLAN網(wǎng)絡(luò)探索與實(shí)驗(yàn)研究

        2022-04-21 21:13:20王飛
        時代金融 2022年4期
        關(guān)鍵詞:流表租戶交換機(jī)

        王飛

        摘要:近年來,隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心計(jì)算和存儲資源的虛擬化和按需分配,但網(wǎng)絡(luò)虛擬化一直受各種因素的限制,SDN技術(shù)的出現(xiàn),為有效整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源提供很好的解決方式。本文通過軟件仿真,對數(shù)據(jù)中心VXLAN的構(gòu)建、openflow流表的下發(fā)機(jī)制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了SDN網(wǎng)絡(luò)集中規(guī)劃管理、控制面和數(shù)據(jù)面分離、網(wǎng)絡(luò)軟件化和網(wǎng)絡(luò)可編程等特性,為省級數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級轉(zhuǎn)型提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

        如今,數(shù)據(jù)中心計(jì)算和存儲資源的虛擬化和按需分配,已基本滿足各種軟硬件資源池化和信息系統(tǒng)整合重構(gòu)的要求,充分保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性。但隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展壯大,網(wǎng)絡(luò)資源的有效整合利用一直被各種因素制約和限制,值得關(guān)注。

        一、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源利用存在的問題

        (一)虛擬化環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜度極大提升

        隨著數(shù)據(jù)中心計(jì)算及存儲資源不斷虛擬化,形成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)共享底層物理網(wǎng)絡(luò)資源的情況;一方面物理層的故障將會影響虛擬網(wǎng)絡(luò)的可用性,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷;另一方面不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間虛擬網(wǎng)絡(luò)的增加,安全策略的不同,也進(jìn)一步增加了網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜度,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維極其困難。

        (二)虛擬化環(huán)境下大二層網(wǎng)絡(luò)不斷膨脹

        在虛擬化環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)通過bridge方式接入,使得大二層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不斷增加;同時,為了實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)在不同物理服務(wù)器的自由遷移,將使得VLAN無法隔離廣播域、大二層網(wǎng)絡(luò)的不斷膨脹。以上兩種情況,導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)中心被分割成相互獨(dú)立的多個業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò),極大限制了虛擬機(jī)遷移的范圍和用戶網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性;同時不斷的網(wǎng)絡(luò)冗余將帶來廣播包過多、交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表溢出、生成樹算法導(dǎo)致帶寬利用率低等問題。

        (三)多租戶網(wǎng)絡(luò)隔離難以很好的實(shí)現(xiàn)

        在目前云計(jì)算環(huán)境下,由于各業(yè)務(wù)系統(tǒng)共用一套核心交換機(jī)、路由器、防火墻等設(shè)備,數(shù)據(jù)中心存在大二層互通的需求, 為了讓大二層可以連通且區(qū)分不同租戶,通常采用VLAN技術(shù),其4k的理論數(shù)值遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前用戶的需求。同時,在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,很難既滿足云數(shù)據(jù)中心對IP地址、VLAN、安全等網(wǎng)絡(luò)策略統(tǒng)一規(guī)劃,又實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的有效隔離,并支持其個性化要求。

        二、SDN技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)虛擬化

        SDN(Software Defined Network)軟件定義網(wǎng)絡(luò),是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式。SDN技術(shù)的核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離,從而實(shí)現(xiàn)集中管控和開放可編程,可實(shí)現(xiàn)靈活、快速、高效網(wǎng)絡(luò)配置。

        網(wǎng)絡(luò)虛擬化則是云計(jì)算和SDN發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)虛擬化簡單來講是指把邏輯網(wǎng)絡(luò)從底層的物理網(wǎng)絡(luò)分離開來。當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要基于Overlay技術(shù)實(shí)現(xiàn),Overlay是一種將(業(yè)務(wù)的)二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在(傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的)三層/四層報(bào)文中進(jìn)行傳遞的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)實(shí)際上是一種隧道封裝技術(shù),主要有VXLAN、NVGRE、STT這三種技術(shù)。VXLAN是目前主流的Overlay技術(shù),將二層報(bào)文封裝到udp報(bào)文中,擴(kuò)大二層網(wǎng)絡(luò)的范圍,將不同數(shù)據(jù)中心置于同一個大二層網(wǎng)絡(luò),滿足多數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)遷移和多租戶隔離的需求。

        SDN集中控制管理的方式,非常適合用于管理VXLAN多租戶、跨域的虛擬網(wǎng)絡(luò)。本文通過實(shí)驗(yàn),模擬利用SDN控制器實(shí)現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理、規(guī)劃和控制,理解SDN控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的模式與openflow協(xié)議,檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)軟件化和網(wǎng)絡(luò)可編程化,進(jìn)一步掌握SDN的openflow和VXLAN技術(shù)原理,為省級數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級轉(zhuǎn)型提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

        三、基于SDN架構(gòu)的VXLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)探索

        本文采用虛擬環(huán)境模擬兩個數(shù)據(jù)中心(DC)和SDN控制器,實(shí)現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)中心之間VXLAN隧道的建立,不同數(shù)據(jù)中心同一租戶主機(jī)通過VXLAN實(shí)現(xiàn)基于三層網(wǎng)絡(luò)的二層連接,并隔離不同的租戶;通過SDN控制器下發(fā)網(wǎng)絡(luò)的VXLAN配置和open vswitch(ovs)的openflow流表,利用流表項(xiàng)控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

        (一)總體規(guī)劃

        實(shí)驗(yàn)采用三臺虛擬機(jī),兩臺模擬數(shù)據(jù)中心(dc1、dc2),使用mininet構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,每個dc包括一臺ovs交換機(jī)和兩臺主機(jī),兩臺主機(jī)分屬不同的租戶;第三臺虛擬機(jī)安裝OpenDaylight(odl)做為SDN控制器。三臺虛擬機(jī)分別安裝于不同的物理機(jī),為模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,通過路由器實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)之間三層網(wǎng)絡(luò)連通。

        (二)實(shí)現(xiàn)步驟

        1.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。啟動三臺虛擬機(jī),測試虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連通性,三臺虛擬機(jī)分屬不同的網(wǎng)段,通過路由器實(shí)現(xiàn)三層互聯(lián),拓?fù)洳捎肞ython代碼預(yù)先定義,通過Mininet調(diào)用來構(gòu)建。數(shù)據(jù)中心一(dc1)的拓?fù)涠x文件(dc1.py)主要配置內(nèi)容如下:

        #添加主機(jī)和交換機(jī)

        leftHost=self.addHost('hosta1',ip="192.168.200.1/24",mac="00:00:00:00:aa:01")

        rightHost=self.addHost('hostb1',ip="192.168.200.3/24",mac="00:00:00:00:bb:01")

        leftSwitch = self.addSwitch( 's1' )

        # 增加連接

        self.addLink( leftHost, leftSwitch )

        self.addLink( rightHost, leftSwitch )

        #在dc1虛擬機(jī)操作系統(tǒng)命令行輸入以下命令:

        sudo mn --custom dc1.py --topo mytopo

        --controller=remote,ip=10.160.141.35,protocols=OpenFlow13

        dc1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建完成后,按同樣方法構(gòu)建dc2網(wǎng)絡(luò),dc2.py的對應(yīng)參數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃做相應(yīng)調(diào)整。

        啟動控制器,安裝必要的組件(feature):

        $> feature:install odl-l2switch-all odl-restconf-all odl-nsf-all odl-mdsal-apidocs

        $> feature:install odl-ovsdb-southbound-impl odl-ovsdb-southbound-impl-rest odl-openflowplugin-all-li

        將ovs openflow版本設(shè)為1.3并將交換機(jī)設(shè)為被動監(jiān)聽控制器模式,在dc1和dc2上mininet提示符下執(zhí)行:

        mininet> sh ovs-vsctl set bridge s1 protocols=OpenFlow13

        mininet> sh ovs-vsctl set-manager ptcp:6640

        2.配置VXLAN隧道。采用SDN集中控制的理念,利用odl的restconf南向API接口,通過控制器ovsdb模塊實(shí)現(xiàn)VXLAN的配置,配置命令如下:

        #將vswitch注冊到odl:

        http請求方法:PUT;

        URL:http://10.160.141.35:8181/restconf/config/network-topology:network-topology/topology/ovsdb:1

        #請求body json使用ODL的YANG UI構(gòu)造,主要參數(shù):

        "topology-id": "ovsdb:1",

        "node-id": "mininet1",

        "remote-ip": "192.168.101.1",

        "remote-port": "6640"

        #創(chuàng)建VXLan隧道:

        http請求方法:PUT;

        URL:http://10.160.141.35:8181/restconf/config/network-topology:network-topology/topology/ovsdb:1/node/mininet1%2Fbridge%2Fs1/termination-point/vxlanport

        #請求body json使用ODL的YANG UI構(gòu)造,主要參數(shù):

        "tp-id": "vxlanport",

        "ovsdb:name": "vxlanport",

        "ovsdb:interface-type": "ovsdb:interface-type-vxlan",

        "option": "key",

        "option": "remote_ip",

        "ovsdb:ofport": "10",

        "ovsdb:ofport_request": "10"

        以上是針對dc1的配置,dc2的配置應(yīng)修改相應(yīng)的參數(shù)值。在mininet命令行執(zhí)行以下命令,檢查vtep是否添加成功:

        mininet> sh ovs-vsctl -- --columns=name,ofport list Interface

        3.下發(fā)openflow流表。上述步驟完成后,基于三層網(wǎng)絡(luò)的overlay已搭建完成,但此時ovs交換機(jī)中還沒有流表項(xiàng),需要控制器下發(fā)流表才能完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在下發(fā)流表前進(jìn)行ping測試,實(shí)驗(yàn)中4臺host互不連通。實(shí)驗(yàn)中主要用到流表的匹配字段(match)和指令(instruction)字段,匹配字段類似acl,根據(jù)數(shù)據(jù)包入端口和包頭信息匹配符合條件的數(shù)據(jù)包,并按指令處理、轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、設(shè)置值或轉(zhuǎn)到下一流表。交換機(jī)S1流表項(xiàng)設(shè)計(jì)如下:

        table=0,in_port=1,actions=set_field:100->tun_id,resubmit(,1)

        table=0,in_port=2,actions=set_field:200->tun_id,resubmit(,1)

        table=0,actions=resubmit(,1)

        table=1,tun_id=100,dl_dst=00:00:00:00:aa:01,actions=output:1

        table=1,tun_id=200,dl_dst=00:00:00:00:bb:01,actions=output:2

        table=1,tun_id=100,dl_dst=00:00:00:00:aa:02,actions=output:10

        table=1,tun_id=200,dl_dst=00:00:00:00:bb:02,actions=output:10

        table=1,tun_id=100,arp,nw_dst=192.168.200.1,actions=output:1

        table=1,tun_id=200,arp,nw_dst=192.168.200.3,actions=output:2

        table=1,tun_id=100,arp,nw_dst=192.168.200.2,actions=output:10

        table=1,tun_id=200,arp,nw_dst=192.168.200.4,actions=output:10

        table=1,priority=10,actions=drop

        流表table0根據(jù)入端口為數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的VNI,并跳轉(zhuǎn)到流表table1;流表table1根據(jù)VNI、目的MAC地址決定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的出端口;對于arp請求,根據(jù)VNI和目的IP地址決定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的出端口。dc2的交換機(jī)S2流表根據(jù)實(shí)際的mac和ip作相應(yīng)調(diào)整。

        將以上流表內(nèi)容保存到名為flows的文本文件,可在mininet下用下述命令下發(fā)流表到交換機(jī):

        mininet> sh ovs-ofctl add-flows –O openflow13 s1 'flows'

        為驗(yàn)證odl流表下發(fā)功能,我們使用odl的restconf API,通過控制器來完成流表下發(fā),以第一條流表為例:

        http請求方法:PUT;

        URL:http://10.160.141.35:8181/restconf/config/opendaylight-inventory:nodes/node/openflow:1/flow-node-inventory:table/0/flow/1

        Json請求body:略

        流表需要轉(zhuǎn)換為符合API要求的json請求body,可通過odl的YANG ui界面,輸入流表項(xiàng)參數(shù)后逐條生成,共12條。API調(diào)用可使用多種方法實(shí)現(xiàn),如在命令行使用curl命令、使用odl的YANG ui界面、Chrome瀏覽器安裝postman插件、使用編程調(diào)用API等。使用用前三種方法,每次只能下發(fā)一條流表規(guī)則;使用編程調(diào)用API,則可實(shí)現(xiàn)批量下發(fā),這也體現(xiàn)了SDN網(wǎng)絡(luò)可編程控制的特點(diǎn)。

        在mininet命令行執(zhí)行以下命令,檢查流表是否下發(fā)成功:

        Mininet> sh ovs-ofctl dump-flows -O openflow13 s1

        4.連通測試。測試dc1與dc2同一租戶主機(jī)網(wǎng)絡(luò)連通性:

        mininet> hosta1 ping 192.168.200.2

        PING 192.168.200.2 (192.168.200.2) 56(84) bytes of data.

        64 bytes from 192.168.200.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=3.55 ms

        mininet> hostb1 ping 192.168.200.4

        PING 192.168.200.4 (192.168.200.4) 56(84) bytes of data.

        64 bytes from 192.168.200.4: icmp_seq=1 ttl=64 time=3.08 ms

        測試不同租戶主機(jī)網(wǎng)絡(luò)連通性:

        mininet> hosta1 ping 192.168.200.4

        PING 192.168.200.4 (192.168.200.4) 56(84) bytes of data.

        From 192.168.200.1 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

        mininet> hostb1 ping 192.168.200.2

        PING 192.168.200.2 (192.168.200.2) 56(84) bytes of data.

        From 192.168.200.3 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

        主機(jī)則被隔離,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的目標(biāo)。

        驗(yàn)證分析:由于VXLAN是L2 over L4的封裝,以udp報(bào)文傳輸,因此僅抓取dc1(192.168.101.1)與dc2(192.168.102.1)之間往來的udp數(shù)據(jù)包,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖2)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

        從192.168.101.1到192.168.102.1的udp數(shù)據(jù)包,目的端口已顯示為VXLAN,將其數(shù)據(jù)載荷部分(data)按VXLAN解碼(如圖3):

        data部分被解析為VXLAN數(shù)據(jù)包,VNI值為100,是租戶A兩臺主機(jī)之間的icmp報(bào)文。租戶B主機(jī)的報(bào)文顯示VNI值為200,源地址為192.168.200.3,目的地址為192.168.200.4(如圖4)。

        分析可知,數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)后,按流表規(guī)則加上VNI,并發(fā)送到vtep;vtep被封裝成udp報(bào)文,通過傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對端vtep,去除udp報(bào)頭后按流表規(guī)則發(fā)送到目的端口。對于同租戶的兩臺主機(jī),雖然位于兩個數(shù)據(jù)中心,但處于同一個虛擬的大二層,其連接是透明的,可以直接互通。

        四、小結(jié)

        通過模擬省級人民銀行真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,旨在對相關(guān)原理和技術(shù)有更深入的理解和更直觀的認(rèn)識,為省級數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級轉(zhuǎn)型提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

        通過實(shí)驗(yàn),探索了openflow流表的設(shè)計(jì)應(yīng)用,加深了對openflow規(guī)范的理解;VXLAN的構(gòu)建、openflow流表的下發(fā)均由控制器完成,從而將控制面和數(shù)據(jù)面分離在不同的設(shè)備中,使OpenFlow 控制器可同時控制多臺OpenFlow交換機(jī)。實(shí)踐了SDN網(wǎng)絡(luò)集中規(guī)劃管理、控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面分離、網(wǎng)絡(luò)軟件化和網(wǎng)絡(luò)可編程等特性。下一步將依托實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探索雙活技術(shù)的實(shí)現(xiàn),將省級數(shù)據(jù)中心主中心雙活的兩臺存儲之一遷移至同城轉(zhuǎn)接中心,將兩數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)融合為一個統(tǒng)一的虛擬化集群,實(shí)現(xiàn)兩中心應(yīng)用級高可用。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 魏娜,基于SDN和VXLAN相結(jié)合的數(shù)據(jù)中心構(gòu)建.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2019年9期

        [2] 王穎,龐志鵬,基于SDN的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)[J].通訊世界,2017(16): 3-4.

        [3] 陳銳,謝人超,黃韜,等.基于SDN的CDN技術(shù)研究[J].電信技術(shù),2014,(6).18-21.

        [4] 盧志剛,姜政偉,劉寶旭.一種基于VXLAN的虛擬網(wǎng)絡(luò)訪問控制方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,(8).86-90,95.doi:10.3969/j.issn.1000-3428.2014.08.016.

        作者單位:中國人民銀行天門市支行

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