邵湘怡，張月星，李建奇，王 浩

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

0 引言

大數(shù)據(jù)時代已經(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)用戶還是個人用戶，都需要新業(yè)務(wù)和更為出色的網(wǎng)絡(luò)體驗。云計算通過互聯(lián)網(wǎng)將分布的計算、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，從發(fā)電廠購買電力。

云計算的基本表現(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：從強調(diào)單機的性能向“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/高端服務(wù)器；用分布式軟件替代傳統(tǒng)單機操作系統(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)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，實現(xiàn)與城市經(jīng)濟社會發(fā)展深度融合。在這種背景下，網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)應(yīng)運而生。

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

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)備外包給運營商承建和運維管理，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)備既要負責(zé)流量的轉(zhuǎn)發(fā)，又要負責(zé)規(guī)則的制定，一旦拓撲發(fā)生變化，需要管理人員手動配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，浪費大量的人力物力[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，可以實行集中化的管理和靈活的策略部署，目前運營方的數(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）部署在運營商的數(shù)據(jù)中心，接入點采用云桌面方式，中間的傳輸線路由運營商負責(zé)管理維護，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。運營方數(shù)據(jù)中心則綜合IT資源及通信業(yè)務(wù)能力，實現(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機兩種獨立設(shè)備分別負責(zé)數(shù)據(jù)流的控制與轉(zhuǎn)發(fā)[4]，數(shù)據(jù)層面的交換機由控制層面通過Open Flow[5]協(xié)議來實現(xiàn)控制[6]。這樣可以進行更加靈活的網(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，將用戶桌面與實際終端分離，通過網(wǎng)絡(luò)方式遠程使用位于云端的個人計算機。

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)模式在實際應(yīng)用中存在一些問題。為了保證可靠性和用戶體驗，現(xiàn)針對服務(wù)和負載兩方面進行分析和討論。

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，運營方數(shù)據(jù)中心會大量使用虛擬機。虛擬機宕機時需要將計算任務(wù)重新分配至備份虛擬機，同時需要為同一個服務(wù)配置多個備份來保證服務(wù)的穩(wěn)定性。因此，一旦出現(xiàn)節(jié)點機失效、鏈路中斷等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)異常情況，就必須對虛擬機或服務(wù)進行遷移，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]。如果虛擬機和遷移的目的主機處于在同一網(wǎng)段，只需遷移虛擬機的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]。但如果源虛擬機和目的主機不在同一網(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分配一個轉(zhuǎn)交地址。注意這個轉(zhuǎn)交地址不是目的主機地址，而是和目的主機處于同一子網(wǎng)的IP地址。同時，所有運行Open Flow協(xié)議的交換機在連接到控制器時，控制器需要建立一個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）開始遷移虛擬機的內(nèi)存和系統(tǒng)狀態(tài)。在這個過程中，控制器不實施任何動作，但交換機會通過流表項記錄遷移的動態(tài)。

（3）狀態(tài)遷移完成后，控制端根據(jù)受控交換機的對應(yīng)流表項，建立轉(zhuǎn)交地址與虛擬機地址的映射關(guān)系，然后清除這些條目，修改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，將與虛擬機之前建立的連接傳到轉(zhuǎn)交地址，響應(yīng)新的通信需求，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重定向。在Open Flow交換機內(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)流表項描述的轉(zhuǎn)發(fā)邏輯完成轉(zhuǎn)發(fā)的。

1.2.1.2 運營商傳輸可靠

目前，運營商城域網(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，業(yè)務(wù)由一個平面自動切換至另外一個平面，在進行業(yè)務(wù)升級、割接等日常運維操作時，運營商運維人員通常也會主動進行流量切換。由于BGP本身設(shè)計了180秒的收斂時間，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，向運營方投訴。運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路由收斂時間。由于BGP本身的設(shè)計規(guī)則，路由收斂時間是秒級的，而且收斂時間太短會出現(xiàn)路由頻繁更新問題，影響運營商集團公司網(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)鏈路中斷時鄰居即時失效，快速收斂路由。該方案交由運營商省級分公司及集團公司審核時予以否定，原因為城域網(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，會導(dǎo)致路由在兩個平面頻繁切換，導(dǎo)致集團層面的BGP路由保護機制會禁用城域網(wǎng)BGP路由，最終引發(fā)整個城域網(wǎng)路由失效，存在城域網(wǎng)全阻風(fēng)險。

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，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)備可以對報文進行區(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步配置流行為時不需要監(jiān)測端口狀態(tài)變化，同時增加一個步驟：為使回程路由能原路返回，需要及時設(shè)置BGP路由的cost值，保證路由能從B平面返回。按照這個策略完成整個業(yè)務(wù)部署，可確保在鏈路故障或者割接時實現(xiàn)毫秒級切換。

1.2.2 負載均衡

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的連接狀態(tài)，就能對控制器負載進行全局優(yōu)化。在這種模式下，每臺交換機與多個控制器連接，控制器的角色由控制層動態(tài)分配[9]。當(dāng)某個交換機產(chǎn)生突發(fā)流量時，通過將一部分宏流從高負載交換機轉(zhuǎn)發(fā)至低負載交換機的方式，實現(xiàn)鏈路負載均衡，這里把具有相同源節(jié)點和目的節(jié)點的流集合稱為宏流，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載情況和下個周期宏流預(yù)估的基礎(chǔ)上，控制器選擇一部分宏流從較高負載交換機重定向至較低負載交換機上。

1.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲

現(xiàn)針對網(wǎng)咖云業(yè)務(wù)，設(shè)計出網(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)計采用云主機模式，數(shù)據(jù)中心部署在核心機房側(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：運營方側(cè)部署服務(wù)器，大量使用虛擬機服務(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)重定向的實施。運營商根據(jù)路由規(guī)劃部署多重重定向策略，解決運營商線路與割接時服務(wù)不可用問題。

（2）負載均衡：數(shù)據(jù)中心采用分布式控制器架構(gòu)，對負載進行全局優(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)，運營方能按照不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計相應(yīng)的路由算法或轉(zhuǎn)發(fā)策略，提高帶寬利用率。通過Open Flow交換機執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重定向的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，運行效率比較高[10]。虛擬機（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，實現(xiàn)跨物理機的錯峰削谷。同時虛擬機（應(yīng)用）之間還可以動態(tài)共享資源，實現(xiàn)物理機內(nèi)的錯峰削谷。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)物理機或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，業(yè)務(wù)恢復(fù)時間可控制在百毫秒內(nèi)?；谝陨线@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)和傳輸可靠以及負載均衡等問題，需要進一步探討SDN體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的云業(yè)務(wù)，同時繼續(xù)提升控制器的計算能力，采取相應(yīng)措施保證云數(shù)據(jù)中心的信息安全，促進不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)流動及融合，使其釋放出更大的價值?！?/p>