SDN概念介绍及应用

SDN概念介绍及应用1、 SDN提出背景 大型企业网络信息化主要包括网络、安全、数据中心、备份中心和运维管理 中心等几个部分,通过传统路由器、交换机、服务器和终端构成,主要采用 IPv4通信协议,实现了企业内部的信息交互,但在开展企业内部协同设计和协同试验过程中还存在一些问题,主要表现在以下几个方面： 1.1通信网络部署问题 企业网络链路大部分租用电信 SDH 线路,静态路由,拓扑不可变,缺乏动态的资源接纳控制及机动控制能力。新业务应用可能基于 NGN 的技术体制,实现多业务、宽带化、分组化、开放性、移动性、兼容性、安全性、可管理的网络需求,采用分组技术的综合开放的网络架构。 由于业务和网络分离,大型企业网络的配置是通过命令行等方法进行人工配置的,其本身是个静态网络,固定之后不能经常按照用户需求改变,当需要在企业网上开展系统试验时,会经常需要网络及时做出调整,就显得非常低效,也有可能无法实现。 1.2安全管理问题 随着企业应用的深入与变化,对企业网络的安全要求越来越高。现有的安全保密措施已逐渐落后,安全管理流程复杂、处理性能不足,难以实现资源的安全、灵活、有效分配,无法满足企业对资源可信、可控、可管的要求,以及在大容量、高带宽、多业务的协同设计和协同试验的安全保障需求。 其主要问题如下: 1)支持安全接入的方式不灵活,不能实现动态资源的动态分配和调整。 2)远程传输加密开销过大,远程传输采用双层加密措施,存在效率低下、故障不易 定位等问题,无法满足新业务应用的多应用、多协议、高带宽、多种接入方式 的要求。 3)安全防护的灵活性不足,与企业网络配合的安全管理审批流程复杂、灵活性不 足,不能满足协同试验验证的接入、退出、变更的灵活性的要求。 4)安全防护的整体调度能力不足,无法实现各种安全资源的统一配置。 1.3运维管理效率低 面对大型企业大量不同年代、不同厂家、不同设备的采购、设计、集成、部署、维护运行、升级改造,其运行维护成本高、效率低。 大型企业网络主要包括基础网络系统、安全保密系统、数据中心、灾备中心及运维管理中心几个组成部分,这些由大量的路由器、交换机、服务器等构成,对于故障定位是一件非常困难的事情,且很多故障或错误是由人的误操作导致的,因此需要大型企业网络能够具有智能管理手段。尤其是网络管理被普遍认为是当前所面临的最严峻的挑战之一,网络管理的根源都是相同的,即需要维持路由器和交换机等的物理和逻辑配置的一致性。 1.4资源利用率低 大型企业很多情况下由传统网络、安全保密系统、数据中心、灾备中心及运维管理系统等几部分构成,但目前传统网络无法支持云的定制网络实时生效,难以形成多层网络的协同沟通,难以根据业务需求自动调整网络带宽,以致网络资源利用率比较低,难以满足大型产品的协同设计及大型系统的协同测试试验验证等 2、 SDN概念、架构、特点 软件定义网络是一种软件集中控制、网络开放的三层体系架构，如图所示。应用层实现对网络业务的呈现和网络模型的抽象；控制层实现网络操作系统功能，集中管理网络资源；转发层实现分组交换功能。应用层与控制层之问的北向接口是网络开放的核心，控制层的产生实现了控制面与转发面的分离，是集中控制的基础。 图 SDN网络架构 SDN最主要的特征就是数据转发和控制分离,同时还具有网络虚拟化和开放接口等特征。 数据转发和控制分离：将基础硬件与业务实现分离,其硬件仅负责数据转发和存储,因此可以采用相对廉价的通用设备构建网络基础设施。且将控制与转发分离后，更利于网络的集中控制，使得控制层获得网络资源的全局信息，并根据业务需求进行资源的全局调配和优化，例如流量工程、负载均衡等。同时，集中控制还使得，整个网络可在逻辑上，被视作是一台设备进行运行和维护，无需对物理设备进行现场配置，从而提升了网络控制的便捷性 网络虚拟化：通过南向接口的统一和开放，屏蔽了底层物理转发设备的差异，实现了底层网络对上层应用的透明化。逻辑网络和物理网络分离后，逻辑网络可以根据业务需要进行配置、迁移，不再受具体设备物理位置的限制。 开放接口：通过开放的南向和北向接口，能够实现应用和网络的无缝集成，使得应用能告知网络如何运行，才能更好的满足应用的需求，比如网络的带宽、时延需求，计费对路由的影响等。另外，支持用户基于开放接口，自行开发网络业务并调用资源，加快新业务的上线周期。 SDN带来的最大价值是提高了全网资源使用效率，提升了网络虚拟化能力并加速了网络创新。集中部署的控制层可完成拓扑管理、资源统计、路由计算、配置下发等功能，获得全网资源使用情况，隔离不同用户问的虚拟网络。应用层通过开放的北向接口获取网络信息，采用软件算法优化、网络资源调度，提高全网的使用率和网络质量，同时将虚拟网络配置的能力开放给用户。满足用户按需调整网络的需求，实现网络服务虚拟化。分层的架构加速了各层分别进行创新。 理解 从本质上来说，SDN的提出，是为了应对当前网络中面临的扩展困难，灵活性不够等发展瓶颈问题，其主要目的是简化网络配置、管理，促进网络向动态灵活的方向演化，而并非主要是为了网络性能的提升，甚至在对网络进行高度抽象、虚拟化后，会带来部分性能的下降。从很大程度上来说，目前人们对网络的需求，传统的网络不是不能满足，只是时间、资金问题而已，但这样代价太大，而且发展缓慢，为了摆脱这一困境，SDN应运而生。 如前所述，SDN带来的是网络配置、管理的简化，和更加灵活高效的发展方向，新的管控策略可以迅速得到实施，就像在电脑或者手机上安装应用程序一样，方便快捷。因此，如果有好的更加有效的管控策略，在SDN网络中可以很容易进行部署；而当用户对网络提出新的需求时，也可以很快的部署相应的应用。因为这一切都是软件定义的，用户甚至可以利用网络资源，去构建自己所需要的应用，而不必受厂商的束缚。 3、 SDN校园网架构，应用场景 一般地，校园网从结构上看，可分为三层：核心交换层、汇聚层和接入层，如图所示，通过各层的交换机和路由器组成整个网络。校园网具有有线、无线共存，无线网中WLAN、2G/3G/4G、及adhoc网络普遍存在等特点，故而是一个异构网络，由于接入方式不同、运行着不同的协议，无法进行统一管理，且各个部门、场所对网络的需求不同，使得管理复杂，运维成本较高，而且难于扩展，灵活性不够高。表现在，改变网络配置需要花费冗长的时间，对每个网络设备进行单独配置，在配置时还往往需要使用专门的配置软件，或者命令行接口；而如果需要对设备本身进行更改，来支持客户自己开发的协议，几乎是不可能的，因为各个厂商的设备是不开源的，这就需要设备厂商根据客户需求来定制设备，这也会花费大量时间。 当前一些组织、公司已经开始研究新的WLAN控制器、无线接入点、VLANs、虚拟路由转发等，以期能够解决目前校园网中面临的问题，这些方法、技术或许能够针对某些特定场景，进行改进提升，但扩展性和灵活性不足。 图校园网典型架构 而将SDN技术引入校园网，可以很好地解决流量隔离和统一管理等问题，通过将控制、管理、和服务从数据平面分离出来，OpenFlow可以简化校园网络配置，并增加其灵活性，如： 快速的业务部署和关闭：通过网络虚拟化技术，可以做到新业务的快速部署，和被淘汰业务的关闭，而且不会影响到其他的逻辑网络。 增强业务的健壮性：由于控制层面拥有全局视图，可以很容易为某一业务计算出备用链路，或者应急策略，这使得当网络拓扑变化时，业务能很快的响应。 逻辑网络的业务隔离：通过对逻辑网络的分片隔离，SDN网络能很好地在2层和3层对虚拟网络进行隔离，从而提高网络的安全性。 优化资源分配：由于管理、服务和应用都被虚拟化了，通过对虚拟化的资源进行统一分配管理，可以最大化资源利用率，同时最小化空间、能量消耗率。 通过将校园网虚拟化成网络分片，控制器可以对流表或组表，进行细粒度的控制。例如，可以针对不同的部门，不同的接入方式设置不同的接入控制策略，而且，这些策略可以很容易进行强化。 SDN校园网架构如图所示，整个校园网分为三层：应用层、控制层、基础设施层。整个校区部署多台SDN云平台，用于运行各种应用，并协调各个控制器的工作。各个部门部署两台以上控制器，控制器通过南向接口，获取全网视图、和各个SDN交换机的状态，并经过虚拟映射后，通过北向接口向应用层提供资源，同时控制器还负责整个网络的管理、监控。RADIUS服务器和Portal服务器，负责用户接入网络时进行认证。 各部门之间通过SDN汇聚交换机连接，并根据需要连接到Internet，各控制器之间通过东西向接口进行连接，以交换各自网络状态和信息，实现跨域协作，从而为用户提供一个无缝的网络服务。 应用层SDN云平台SDN控制器控制层RADIUS服务器Portal服务器SDN控制器Portal服务器RADIUS服务器SDN汇聚交换机基础设施层SDN交换机SDN汇聚交换机InternetSDN交换机宽带网关SDN无线交换机SDN无线交换机USERUSER图SDN校园网架构 用例一：智能校园网 SDN网络对网络策略和业务负载的变化是动态调整的，不需要网管进行手动配置，具有很好的灵活性和扩展性，而且，通过将物联网、车联网、传感网等引入SDN校园网，可将人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。 注：目前对SDN在物联网、车联网、传感网中的应用都有人在研究，这方面调研不多，还需深入调研。 用例二：无缝接入 目前，校园网由于本身为异构的，且设备多样，很难为用户提供无缝服务体验，实现用户不论使用何种接入方式，都能获得统一的服务体验，也很难做到对业务内容进行感知。 通常，为了保证安全并限制外来人员接入校园网，校园网在设计时，都会采用相应的认证机制，老师和学生使用拿到的账号密码，通过认证后接入网络。在认证时，有线端通常使用专门的认证客户端，无线端一般是利用portal服务器推送认证界面，用户输入正确的账号密码后，完成认证。该方法较为繁琐，用户每次上网前都必须手动进行认证，对于用户来说，是比较无聊的。而无缝接入的目的，一是使得用户随时随地都能享受到较好的网络体验，而不需要去进行频繁的认证；二是在移动环境下，用户使用移动设备时，也能进行“无缝漫游”，使用户不论使用何种接入方式，都能获得统一的上网体验。 用例三：业务流量隔离 一般来说，校园网需要为不同的人群提供服务，如老师、学生、医疗人员、图书管理员、保卫人员等等。由于上网需求不同，业务类型不同，需要为这些用户制定不同的流量策略，而为了保证这些策略不会相互干扰，就需要对不同的用户人群设定不同的策略，从逻辑上将其隔离。 目前，通过MPLS和VRF技术，可以将校园网从逻辑上，划分为不同的逻辑网络，然而其配置过程十分繁杂，耗时较长，而且其配置是静态的，难以动态调整。而利用SDN技术，可以在控制器端，很便捷的将网络划分为，逻辑上互相隔离的子网，而这一过程可能只需花费数分钟的时间。并且，通过强化SDN交换机上的安全策略，可以有效地限制各个逻辑子网之间的通信。 更多用例：如负载均衡、流量工程、校园网安全策略、应用感知、简化管理、业务卸载等 4、 SDN企业级WLAN网络架构，应用：移动性管理、干扰管理、负载均衡、功率控制等研究 由于移动设备入网方便，移动业务迅速发展，人们对无线接入的需求持续增 长，目前的WLAN网络为了保证服务质量，需要部署大量的无线接入点，WLAN控制器，网络管理系统，以及各种服务。这些服务包括接入控制、移动性管理、负载均衡、动态信道配置等等。目前，各大厂家对于这些服务，都有相应的解决方案，但这些方案大多数使用专有设备、是封闭的、而且价格昂贵，从而限制了网络的灵活性，和扩展性。而随着用户规模的迅速扩大，业务类型和业务数据的爆炸式增长，以及各种新应用的不断出现，现在的WLAN网络，尤其是企业级WLAN网络，必须进行创新和改进。 如前所述，目前WLAN网络中面临的问题，大多数利用传统的技术可以得到解决，但不够灵活，扩展性不高，不利于网络的升级。为了更加有效的配置、管理WLAN网络，使网络向灵活高效的方向发展，我们将SDN技术引入企业级WLAN网络，以期能够更加灵活地为用户提供更好的服务。 图“AC+AP”模式的WLAN网络架构 图所示为典型的“AC+AP”模式的WLAN网络架构，该架构下，AP通过有线网相互连接，网络中分布有多个AC，用以管控这些AP，如果添加新的业务，就需要对所有的AP进行升级改造，这是十分繁琐，而且开销较大。 而且，当前的WLAN网络并未考虑APs与有线网的协同，尽管AC通常是嵌入到交换机或者路由器中，充当APs与外网的“网关”，但控制AP的功能与网关的功能是单独实现的，ACs也无法做到对其他路由器、交换机的控制。 SDN企业级WLAN类似于前面所说校园网架构，此处从略，下面重点说明无线SDN的概念。 所谓SDN，就是用软件来定义网络的行为，其特点是网络虚拟化、可编程、控制转发分离，对应到无线网络，需要额外考虑无线信道这一因素，将其拉入软件定义的范畴。无线SDN的目标就是能集中地、动态的、实时地对无线信道进行监控、管理，充分利用信道资源。 为了使控制器能实时获得各个AP的信道状态，就需要对传统的AP进行改造，一方面，要使其支持OpenFlow协议，另一方面，还需要使其能实时与控制器进行交互，及时上报本机状态，这一点可通过扩展OpenFlow协议实现，也可通过使用传统协议来实现。 OVS有线网卡虚拟网桥openWRT无线网卡图SDNAP结构图 图所示，为适用于无线SDN网络中的AP的构成图，openWRT是一款开源的嵌入式Linux系统，支持自由定制各种所需软件，在此作为AP的操作系统；OVS是一款支持OpenFlow协议的虚拟交换机，将OVS编译到openWRT中，即可使AP支持OpenFlow协议；而通过将AP的有线、无线网卡挂载到OVS虚拟出来的网桥上，就可将AP配置成SDN无线交换机。 OpenFlow协议中规定，控制器可以通过下发获取配置消息，来获得交换机的状态，而在SDN无线网中，由于OpenFlow协议并未针对无线网设置相关匹配项和条目，控制器无法直接对无线网卡进行配置，及获取其状态信息，这就需要增加OpenFlow流表条目，或者另外开辟一条通道，用于控制器对无线网卡进行配置，并获取其状态信息。 第一种方案，需要将无线网卡的发射功率、信道数、开关状态等信息加入到流表的匹配项中，形成SDN无线流表，同时需要在openWRT中，添加转换接口，把控制器下发的流表解析成openWRT中可识别指令，从而获取、改变无线网卡的工作状态。该方案需要对openWRT作深入开发，同时需要修改openflow流表项。 第二种方案，不需要对OpenFlow流表做任何改动，只需要在控制器和AP之间另建一条通道，用于控制器获取、配置无线网卡信息，如目前采用的RPC方式，通过在AP中开启RPC服务，控制器可以在远端获取并配置无线网卡。 以上两种方案各有千秋，前者岁开发难度较大，但更为方便，只需要简单的下发流表，就可对AP的无线网卡进行配置、管理；后者，更像是一个叠加的策略，控制端进行配置管理时会麻烦一些，而且会额外的占用较多带宽资源