SDN數據中心基礎知識

Unerday&Overlay

名詞解釋 SDN

軟件定義網絡SDN（Software Defined Network）是由美國斯坦福大學CLean State研究組提出的一種新型網絡創新架構，可通過軟件編程的形式定義和控制網絡，其控制平面和轉發平面分離及開放性可編程的特點，被認為是網絡領域的一場革命，為新型互聯網體系結構研究提供了新的實驗途徑，也極大地推動了下一代互聯網的發展 [2] 。
傳統網絡世界是水平標准和開放的，每個網元可以和周邊網元進行完美互聯。而在計算機的世界里，不僅水平是標准和開放的，同時垂直也是標准和開放的，從下到上有硬件、驅動、操作系統、編程平台、應用軟件等等，編程者可以很容易地創造各種應用。從某個角度和計算機對比，在垂直方向上，網絡是“相對封閉”和“沒有框架”的，在垂直方向創造應用、部署業務是相對困難的。但SDN將在整個網絡（不僅僅是網元）的垂直方向變得開放、標准化、可編程，從而讓人們更容易、更有效地使用網絡資源。

SDN的整體架構由下到上（由南到北）分為數據平面、控制平面和應用平面。

其中，數據平面由交換機等網絡通用硬件組成，各個網絡設備之間通過不同規則形成的SDN數據通路連接；控制平面包含了邏輯上為中心的SDN控制器，它掌握着全局網絡信息，負責各種轉發規則的控制；應用平面包含着各種基於SDN的網絡應用，用戶無需關心底層細節就可以編程、部署新應用。
控制平面與數據平面之間通過SDN控制數據平面接口（control-data-plane interface，簡稱CDPI）進行通信，它具有統一的通信標准，主要負責將控制器中的轉發規則下發至轉發設備，最主要應用的是OpenFlow協議。控制平面與應用平面之間通過SDN北向接口（northbound interface，簡稱NBI）進行通信，而NBI並非統一標准，它允許用戶根據自身需求定制開發各種網絡管理應用。
SDN中的接口具有開放性，以控制器為邏輯中心 [1] ，南向接口負責與數據平面進行通信，北向接口負責與應用平面進行通信，東西向接口負責多控制器之間的通信。最主流的南向接口CDPI采用的是OpenFlow協議。OpenFlow最基本的特點是基於流（Flow）的概念來匹配轉發規則，每一個交換機都維護一個流表（Flow Table），依據流表中的轉發規則進行轉發，而流表的建立、維護和下發都是由控制器完成的。針對北向接口，應用程序通過北向接口編程來調用所需的各種網絡資源，實現對網絡的快速配置和部署。東西向接口使控制器具有可擴展性，為負載均衡和性能提升提供了技術保障。

Underlay就是當前數據中心網路基礎轉發架構的網絡，只要數據中心網絡上任意兩點路由可達即可，指的是物理基礎層。我們可以通過物理網絡設備本身的技術改良、擴大設備數量、帶寬規模等完善Underlay網絡，其包含了一切現有的傳統網絡技術。

Overlay 在網絡技術領域，指的是一種網絡架構上疊加的虛擬化技術模式，其大體框架是對基礎網絡不進行大規模修改的條件下，實現應用在網絡上的承載，並能與其它網絡業務分離，並且以基於IP的基礎網絡技術為主。

Overlay 技術是在現有的物理網絡之上構建一個虛擬網絡，上層應用只與虛擬網絡相關。一個Overlay網絡主要由三部分組成：

• 邊緣設備：是指與虛擬機直接相連的設備
• 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
• 轉發平面：承載 Overlay 報文的物理網絡

通過部署Overlay網絡，可以實現物理網絡向雲和虛擬化的深度延伸，使雲資源池化能力可以擺脫物理網絡的重重限制，是實現雲網融合的關鍵。Overlay網絡也是一個網絡，不過是建立在Underlay網絡之上的網絡。Overlay網絡的節點通過虛擬的或邏輯的鏈接進行通信，每一個虛擬的或邏輯的鏈接對應於Underlay網絡的一條路徑（Path），由多個前后銜接的鏈接組成。

Overlay技術可以分為網絡Overlay，主機Overlay和混合式Overlay三大類。

網絡Overlay是指通過控制協議對邊緣的網絡設備進行網絡構建和擴展，也就是本文所講的Overlay網絡技術。

Overlay網絡技術多種多樣，一般采用TRILL、VxLan、GRE、NVGRE等隧道技術。

TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）技術是電信設備廠商主推的新型環網技術；

NVGRE（Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation）

STT（Stateless Transport Tunneling Protocol）是IT廠商主推的Overlay技術；

VXLAN（Virtual eXtensible LAN）等基於隧道的封裝技術。

流行的OverLay技術：

VXLAN： VXLAN是將以太網報文封裝成UDP報文進行隧道傳輸，UDP目的端口為4798(可修改)，標准5元組方式有利於在IP網絡轉發過程中進行負載分擔；隔離標識VNI采用24比特來表示；所有的流量均被封裝為payload轉發。
NVGRE ：NVGRE采用的是RFC 2784和RFC 2890所定義的GRE隧道協議。將以太網報文封裝在GRE內進行隧道傳輸。隔離標識采用24比特來表示；與VXLAN的主要區別在對流量的負載分擔上，因為使用了GRE隧道封裝，NVGRE使用了GRE擴展字段flow ID進行流量負載分擔，這就要求物理網絡能夠識別GRE隧道的擴展信息。
STT ：STT是無狀態傳輸協議，通過將以太網報文封裝成TCP報文進行隧道傳輸，隔離標識采用64比特來表示。與VXLAN和NVGRE的主要區別是在隧道封裝格式使用了無狀態TCP，需要對傳統TCP協議進行修改以適應NVGRE的傳輸。

VXLAN、NVGRE等Overlay技術都是通過將MAC封裝在IP之上，實現對物理網絡的屏蔽，解決了物理網絡VLAN數量限制、接入交換機MAC表項有限等問題。同時通過提供統一的邏輯網絡管理工具，方便的實現了虛擬機HA遷移時網絡策略跟隨的問題，大大降低了虛擬化對網絡的依賴，成為了目前網絡虛擬化的主要發展方向。

 

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傳統數據中心以千兆接入為主。隨着CPU計算能力的不斷提高，目前主流的服務器處理性能，已經超出了千兆網卡的輸出能力。同時，FC存儲網絡與IP網絡的融合，也要求IP網絡的接入速率達到FC的性能要求。當僅僅通過鏈路聚合、增加等價路徑等技術手段已經無法滿足業務對網絡性能的需求時，提高網絡端口速率成為必然之選。

　　萬兆以太網從起步到目前逐漸成為應用主流，延續了以太網技術發展的主基調，憑借其技術優勢，替代其他網絡接入技術，成為高性能網絡的不二選擇。目前新的數據中心，萬兆網絡接入已成為事實上的標准。

名詞解釋SAN（Storage Area Network，存儲區域網絡）

SAN（Storage Area Network，存儲區域網絡）的誕生，使存儲空間得到更加充分的利用以及安裝和管理更加有效。SAN是一種將存儲設備、連接設備和接口集成在一個高速網絡中的技術。SAN本身就是一個存儲網絡，承擔了數據存儲任務，SAN網絡與LAN業務網絡相隔離，存儲數據流不會占用業務網絡帶寬。

名詞解釋FC網絡

在SAN網絡中，所有的數據傳輸在高速、高帶寬的網絡中進行，SAN存儲實現的是直接對物理硬件的塊級存儲訪問，提高了存儲的性能和升級能力。

早期的SAN采用的是 光纖通道（FC，Fibre Channel）技術，所以，以前的SAN多指采用光纖通道的存儲局域網絡，到了iSCSI協議出現以后，為了區分，業界就把SAN分為FC-SAN和IP-SAN。

FC開發於1988年，最早是用來提高硬盤協議的傳輸 帶寬，側重於數據的快速、高效、 可靠傳輸。到上世紀90年代末，FC SAN開始得到大規模的廣泛應用。

FC 網絡中每個設備有兩個地址

WWN地址（world wide name),好比TCP/IP網絡結構中的MAC地址，physcially identify a port，在設備出廠時就已經烙在端口上了

Port ID， 好比TCP/IP網絡中的IP地址，節點間用它來通信

網絡結構

Loop： 類似令牌環，設備間用Hub相連共享I/O資源，同一時刻只有一個設備使用I/O資源

Switch：設備間用Switch相連，獨享I/O資源。

地址分配策略：Loop結構的網絡采用self assign; Switch結構的網絡采用centralized authority. FC網絡中有個叫Name 的東西，大概就類似於TCP/IP網絡中的DHCP服務器，專門分配地址。

VAS&SFC服務鏈

名詞解釋：訪問控制列表（Access Control Lists，ACL）

訪問控制列表（Access Control Lists，ACL）是應用在路由器接口的指令列表。這些指令列表用來告訴路由器哪些數據包可以收、哪些數據包需要拒絕。至於數據包是被接收還是拒絕，可以由類似於源地址、目的地址、端口號等的特定指示條件來決定。
訪問控制列表具有許多作用，如限制網絡流量、提高網絡性能；通信流量的控制，例如ACL可以限定或簡化路由更新信息的長度，從而限制通過路由器某一網段的通信流量；提供網絡安全訪問的基本手段；在路由器端口處決定哪種類型的通信流量被轉發或被阻塞，例如，用戶可以允許E-mail通信流量被路由，拒絕所有的 Telnet通信流量等。

名詞解釋：QoS（Quality of Service，服務質量）

QoS（Quality of Service，服務質量）指一個網絡能夠利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的服務能力，是網絡的一種安全機制， 是用來解決網絡延遲和阻塞等問題的一種技術。QoS的保證對於容量有限的網絡來說是十分重要的，特別是對於流多媒體應用，例如VoIP和IPTV等，因為這些應用常常需要固定的傳輸率，對延時也比較敏感。

名詞解釋：NAT

NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）是1994年提出的。當在專用網內部的一些主機本來已經分配到了本地IP地址（即僅在本專用網內使用的專用地址），但現在又想和因特網上的主機通信（並不需要加密）時，可使用NAT方法。

這種方法需要在專用網連接到因特網的路由器上安裝NAT軟件。裝有NAT軟件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球IP地址。這樣，所有使用本地地址的主機在和外界通信時，都要在NAT路由器上將其本地地址轉換成全球IP地址，才能和因特網連接。

NAT的實現方式有三種，即靜態轉換Static Nat、動態轉換Dynamic Nat和端口多路復用OverLoad。

• 靜態轉換是指將內部網絡的私有IP地址轉換為公有IP地址，IP地址對是一對一的，是一成不變的，某個私有IP地址只轉換為某個公有IP地址。借助於靜態轉換，可以實現外部網絡對內部網絡中某些特定設備（如服務器）的訪問。
• 動態轉換是指將內部網絡的私有IP地址轉換為公用IP地址時，IP地址是不確定的，是隨機的，所有被授權訪問上Internet的私有IP地址可隨機轉換為任何指定的合法IP地址。也就是說，只要指定哪些內部地址可以進行轉換，以及用哪些合法地址作為外部地址時，就可以進行動態轉換。動態轉換可以使用多個合法外部地址集。當ISP提供的合法IP地址略少於網絡內部的計算機數量時。可以采用動態轉換的方式。
• 端口多路復用（Port address Translation,PAT)是指改變外出數據包的源端口並進行端口轉換，即端口地址轉換（PAT，Port Address Translation).采用端口多路復用方式。內部網絡的所有主機均可共享一個合法外部IP地址實現對Internet的訪問，從而可以最大限度地節約IP地址資源。同時，又可隱藏網絡內部的所有主機，有效避免來自internet的攻擊。因此，目前網絡中應用最多的就是端口多路復用方式。

網絡地址端口轉換 NAPT（Network Address Port Translation）（Port-Level NAT）（ 多對一 ）。改變外出數據包的源端口並進行端口轉換，采用端口多路復用方式。內部網絡的所有主機均可共享一個合法外部 IP 地址實現對 Internet 的訪問，可以最大限度地節約 IP 地址資源。同時，也可以隱藏網絡內部的所有主機，有效避免來自 Internet 的攻擊。因此，目前網絡中應用最多的就是 PAT 規則。這是最常用的 NAT 技術，也是 IPv4 能夠維持到今天的最重要的原因之一，它提供了一種多對一的方式，對多個內網 IP 地址，邊界路由可以給他們分配一個外網 IP，利用這個外網 IP 的不同端口和外部進行通信。NAPT 與 動態NAT 不同，它將內部連接映射到外部網絡中的一個單獨的 IP 地址上，同時在該地址上加上一個由 NAT 設備選定的端口號。
NAPT 是使用最普遍的一種轉換方式，在 HomeGW 中也主要使用該方式。它又包含兩種轉換方式：SNAT和DNAT。

• (1) 源NAT（Source NAT，SNAT）：修改數據包的源地址。源NAT改變第一個數據包的來源地址，它永遠會在數據包發送到網絡之前完成，數據包偽裝就是一具SNAT的例子。
• (2) 目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改數據包的目的地址。Destination NAT剛好與SNAT相反，它是改變第一個數據懈的目的地地址，如平衡負載、端口轉發和透明代理就是屬於DNAT。

SDN接口對接

通用模式：