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SDN架构与解析:深度开放与融合

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长期以来,网络技术总是以被动方式进行演变,并且大量的技术革新都落地在网络设备本身,如带宽不断提升,从千兆到万兆、再到40G和100G;设备体系架构变化,也是为了性能地不断提升,从交换能力几十Gbps提升到T级别以致100T级别。

来源:51CTO 2013年4月8日

关键字: SDN 网络架构 软件定义网络 H3C

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ZDNET网络频道 04月08日 综合消息:长期以来,网络技术总是以被动方式进行演变,并且大量的技术革新都落地在网络设备本身,如带宽不断提升,从千兆到万兆、再到40G和100G;设备 体系架构变化,也是为了性能地不断提升,从交换能力几十Gbps提升到T级别以致100T级别;组网变化,网络设备的N:1集群性质的虚拟化,在一定范围 内和一定规模上优化了网络架构,简化了网络设计;大二层网络技术,通过消除环路因素,支持了虚拟化条件下的虚机大范围二层扩散性计算。

新的技术商用,总会引起设备的升级换代,并且随着流量的巨大变化,网络的部署与变更技术上越来越复杂,网络在应对流量变化上很难有良好的预期性,在当前方式下,一旦完成业务部署,服务器通过网线连入网络,应用流量吞吐对网络的影响就难以控制、网络的调整也就变得相当滞后。

软件定义网络——SDN(Software Defined Network)的出现和理念演进,开始改变网络被动性的现状,使网络具备较大灵活程度的“定义”能力;这种可定义性,是网络主动“处理”流量而不仅仅是 被动“承载”流量,并使得网络与计算之间的关系不仅仅是“对接”,而是“交互”。

SDN的思想集中体现在控制面与实体数据转发层面之间分离,这对网络交换机的工作方式产生了深远的影响。高端用户原本就不满足于使用网络预先设定好 的功能,而是希望在自己的业务功能不断丰富变化的过程中,能够按照自身需求快速进行调整。而在控制层面分离出来后,或者说控制层面可以开放出来,更能实现 虚拟化的灵活性,使得用户能够进行程序编制,那么基于应用与流量变化的快速响应,便不需要完全依赖于设备供应商的长周期软硬件升级来完成。

SDN的思想是将更多的控制权交给网络使用者,除了设计部署、配置变更,还可以进行网络软件的重构,使得新的技术验证可以先于商业化。这种网络能够以抽象化的方式解决网络的复杂性问题,解除了用户收支网络功能和特性的紧约束,能够在更高层面研究和满足项业务需求。

1 当前主流SDN的概念探讨

最经典的SDN架构描述是来自ONF(Open Network Foundation)的SDN体系架构图(如图1所示)。

图1 SDN体系架构

图1表达了SDN的分层解耦合概念,包括通用的基础硬件层、硬件抽象层、网络操作系统、上层应用。其中基础硬件与硬件抽象两层组成物理网络设备,也 就是SDN架构中的数据转发层面;网络操作系统与上层应用组成了控制层面。数据转发层面与控制层面之间以一种标准化的交互协议来解耦合,此协议当前为 OpenFlow。这种去耦合的架构,表明网络操作系统及网络应用(如路由控制协议等)不必运行在物理设备上,而可以运行在外部系统(如X86架构的服务 器)内,从而实现网络控制的灵活可编程性。

除了解耦合控制层面与数据转发层面,SDN还引入了集中控制的概念(如图2所示)。对于传统的设备,因为不同的硬件、供应商私有的软件,使得网络本 身相对封闭,只能通过标准的互通协议与计算设备配合运行。网络中所有设备的自身系统都是相对孤立和分散的,网络控制分布在所有设备中,网络变更复杂、工作 量大,并且因为设备异构,管理上兼容性很差,不同设备的功能与配置差异极大;同时网络功能的修改或演进,会涉及到全网的升级与更新。而在SDN的开放架构 下,一定范围内的网络(或称SDN域),由集中统一的控制逻辑单元来实施管理,由此解决了网络中大量设备分散独立运行管理的问题,使得网络的设计、部署、 运维、管理在一个控制点完成,而底层网络差异性也因为解耦合的架构得到了消除。集中控制在网络中引入了SDN区别于传统网络架构的角色——SDN Controller,也就是运行SDN网络操作系统并控制所有网络节点的控制单元。SDN能够提供网络应用的接口,在此基础上按照业务需求进行软件设计 与编程,并且是在SDN Controller上加载,从而使得全网迅速升级新的网络功能,而不必再对每个网元节点进行独立操作。

图2 封闭式网络与开放网络

分层解耦合架构中采用了OpenFlow的协议来分离网络的控制与转发层,图3是来自斯坦福的一张图表明OpenFlow的解耦模型。

图3 OpenFlow协议工作模式

网络设备(图3中OpenFlowSwitch)由标准的网络硬件和支持OpenFlow代理的软件构成。OpenFlow定义的网络硬件,不是传 统的交换模式,而是以一种流表的方式来进行数据的转发处理,非常类似于当前交换机使用的TCAM对数据流的分类与控制行为,每一个网络中的流均由流表中的 规则来控制处理,可以达到极精细的粒度。OpenFlow协议定义了一种通用的数据平面描述语言,设备上的OpenFlow代理软件通过与 OpenFlow Controller建立安全加密(如SSL通信机制)通信隧道来接受对设备的控制转发指令。所有的流表指令均被定义成标准规范,通过 Controller与代理之间的加密协议可靠传递。Controller上运行的各种网络应用,均被转换成OpenFlow“指令集”下发,从而易于实 现标准化的模式,这使得OpenFlow成为SDN架构下的重要技术。

OpenFlow以一种比较理想的形式定义了网络设备的供应方式,但这种定义使得网络不是一个平滑升级和演进,而是一个颠覆性的更新,现有网络不能 通过OpenFlow来升级,而是需要被完全替换。同时,OpenFlow设备是一种流表转发,也需要新的体系架构来设计网络芯片,虽然现有TCAM技术 能支持OpenFlow的特性,但是功能不完备、大TCAM表项设备极其昂贵。因此,当前的OpenFlow设备,基本是在传统网络基础上支持 OpenFlow协议,规格受限的初期产品。

OpenFlow的设计思路体现了SDN架构,但是,这种思路只体现了集中控制的优势,对于网络的运维管理并没有深入考虑,管理通信如何采用 OpenFlow并与正常业务流的分离,是否覆盖替代还是与传统SNMP/NETCONF的管理方式,集中的OpenFlow Controller与分散的OpenFlow网络设备之间采取一种如何的管理方式更优,还需要OpenFlow本身的技术不断实践来印证。

OpenFlow在协议定义上还不完善,针对已有网络特性的定义还在补充变化,内容变更会不断持续,并逐步形成不同的技术版本,这使得软件和硬件在配套兼容上存在较大的问题,这也是OpenFlow作为SDN协议的在网络应用覆盖不全方面的严重不足。

2 H3C SDN体系架构:开放与融合

2.1 H3C SDN总体架构与策略

H3C在基于全网端到端的总体网络架构上,将会交付一个逐步发展丰富的SDN产品与解决方案集。(如图4所示)H3C SDN当前提供三大方案集:基于Controller/Agent的SDN全套网络交付、基于Open API的网络平台开放接口、基于OAA的自定义网络平台。在这三大方案集成基础上,构建一个标准化深度开放、用户应用可融合的NPaaS(Network Platform as a Service)网络平台即服务的SDN体系,既具备H3C已有的优势网络技术方案,又能在各种层次融合与扩展用户自制化网络应用。

图4 H3C SDN总体架构

2.2 基于Controller/Agent的SDN全套网络交付

在上述SDN基本体系架构定义的框架下,H3C提供与此一致的方案架构。如图5所示,H3C将在同一SDN的架构下,除了支持标准化的OpenFlow协议,并提供基于H3C自身成熟技术的自有协议RIPCRIPC(Remote IPC)。

图5 Controller/Agent的SDN网络

H3C将提供标准化的系列化Controller部件,能够以OpenFlow协议进行OpenFlow设备的集中控制,对上层提供灵活的开放接 口,以满足各种网络应用的调用需求。在当前网络产品逐步集成OpenFlow特性,满足初始OpenFlow网络部署需求,并逐步丰富OpenFlow的 产品组成,如图6左图构建了整体OpenFlow的SDN网络。

针对H3C优势技术IRF的进一步强化,基于Controller/Agent架构,以H3C RIPCRIPC的协议实现了VCF的技术,如图6右图所示,使用多台S5820V2组成的IRF结构体工作为网络的Controller角色,下联多台S5120HI。

图6 H3C SDN网络的两种实现

VCF采用SDN架构的N:1网络虚拟化,不仅将多台同一网络层面的设备整合,也将另一层次的设备整合,整个网络运行如同一台大型框式设备,运行管 理各种操作均被虚拟化在一台大型设备内。所有的控制、设备管理均在S5820V2的IRF组上,其它的S5120HI运行为线卡模式。在这种SDN架构 下,H3C的RIPC协议消除了OpenFlow协议在效率与管理上的不足,并有效继承了H3C Comware平台的原有IRF优势。

2.3 基于Open API的网络平台

SDN最重要的网络需求是可编程性,即用户可以在自身业务变化的情况下,根据需要自行软件开发,这种需求的核心是网络要有灵活开放的接口提供给用户的编程实现。H3C实现了多层化的Open API方案(如图7所示)。

基础设备层面可以提供深度的SDK级标准化VCC网络应用(VCC: Virtual Computing Container 虚拟计算容器),并提供高级XML的访问操作NETCONF标准接口体系,OpenFlow也是设备层面提供的一种标准接口模式;

设备控制层面(SDN Controller),作为网络操作系统,标准化的接口依据Controller的不同实现,对外可提供VCC、REST/SOAP、NETCONF、OpenFlow等。

Open API与H3C系统(Comware/iMC)内部集成(Integrated)API(如RIPC)相辅相成,构建差别的SDN架构,并在不同层次形成自有系统及对外开放与标准化,使得不同用户的可编程与应用变化性需求得以满足。

图7 H3C多层化的Open API

在Open API接口中,REST/SOAP是常规的高层协议编程接口,NETCONF是网络设备上新兴的XML语言编程接口,OpenFlow是SDN的一种协 议,以上均是通用化的技术实现,VCC则是H3C在长期网络软件技术积累过程中形成的一种更为底层的标准化实现。

ComwareV7是基于Linux内核实现的新一代云计算网络操作系统,当前的架构,基于类POSIX的Linux接口及扩展形成一套开放的 SDK,H3C提供了含SDK的接口描述、调用库、编译环境等完备的编程环境,使得用户可以使用C/C++以几乎完全等同于Linux系统下的环境进行自 己的网络应用程序软件开发,而ComwareV7则为用户的软件运行提供了一个完整的系统环境,如图8所示。

图8 VCC运行

在VCC环境中,用户程序包可独立加载到设备上运行,软件可以不间断业务升级。Comware V7提供接口给用户,软件设计可以一定程度上访问底层硬件,对路由、MAC等硬件表项进行操作,或者设备的配置变更及相应状态监控等,同时还可以利用 Comware V7现有的特性来辅助实现用户业务,从而实现用户软件定义网络的真正需求。

2.4 基于OAA的自定义网络平台

早期,H3C提出了开放应用架构(Open Application Architecture)的网络模型,即在H3C的网络设备中提供具有计算能力的线卡,用户可以在其上开发自己的特殊应用,并通过H3C的OAA关联协议与网络进行数据交互。

基于SDN的架构思路,H3C演绎了更灵活的用户化网络设计,实现的OAA新的业务模式,可以方便用户灵活实现自定义的网络功能。在OAA基础上,提出了两种开放式的接口模型,如图9所示。

图9左图,显示了一种全松耦合的OAA架构。针对用户任意形态运行的网络业务,可能是在服务器上的计算业务(如流量监控分析、数据旁路挖掘),也可 能是专用的业务设备(如防火墙、IPS、加密机、数据压缩机),用户设备可以支持标准的OpenFlow协议,即可与H3C网络进行通信,在 OpenFlow协议中传输业务指令,对需要处理的网络流量进行镜像、牵引、封装、定向等操作,将清晰定义的数据流以合适的方式导引到用户的计算设备进行 自定义处理。这种方案的本质是,借助SDN的模型,将用户的数据处理设备运行为SDN Controller方式,而对特定业务流进行处理。

图9右图,显示了一种紧耦合的OAA架构,其中分两种模式:模式一,用户自设计提供高性能计算单元子卡,H3C提供OAA的线卡底板,两者以开放的 标准化电气接口连接器相连,用户计算单元与网络之间依然通过标准的OpenFlow方式进行网络流量的引流操作,而软件、硬件均由用户自身根据业务需求来 设计;模式二,H3C提供了整体的OAA线卡,用户基于H3C的硬件来开发自己的软件,在协议上仍然采用OpenFlow的方式进行特定数据处理。

图9 基于OAA的自定义网络平台

3 结束语

SDN是一个宽泛的网络体系架构,需要通过灵活开放的结构来实现用户需求,H3C的技术模式,是在不同的网络层面、不同的体系架构上均可提供用户需要的接口与业务环境,同时H3C本身也提供基于SDN的用户网络应用。

 

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