第3章SDDCN概述

SDN起源于校园网，不过商用的第一枪却在数据中心打响，究其原因是云计算和SDN在设计思想上的深度契合。从这一章开始，将对SDN在数据中心的应用进行介绍。本章将对SDDCN的设计原则、架构以及关键技术进行介绍，争取为后面章节的展开起到提纲挈领的作用。

3.1　需求

云计算时代的数据中心对网络提出了很多新的需求，首先要解决的是大规模网络的自动化和集中式控制，另外一些新型的IT应用架构也要求网络能够变得更加智能。长期以来，传统网络难以满足上述需求，而SDN架构的几大特征完美地契合了这些需求。

3.1.1　自动化与集中式控制

对于数据中心的网络管理员来说，新业务的开通通常意味着地址规划加上配置VLAN、ACL、路由、防火墙等诸多规则，业务终止后还需要回收相关的资源和规则。这些都需要网管去手动操作，然而手动配置的效率是极为低下的，而且很容易出错。不过传统数据中心中，同一业务的资源分布较为集中，因此这些操作不会涉及过多的设备，手动配置网络在成本上是可以接受的。不过，手动配置还意味着较长的业务交付周期，开通一个新的业务往往需要等待数周的时间。

云计算提出了资源池化的思想，虚拟化技术的发展打破了基础设施的物理边界，管理员人均需要维护的虚拟机数量有了数量级的提升，而且为同一业务分配的虚拟机可能分散在不同的机柜、机房甚至不同的数据中心，管理员很难准确地知道虚拟机某一时刻所在的位置。如果再考虑到虚拟机不断地进行着迁移，那么此时手动配置网络将变成一件不可接受的事情。同时，云计算还深刻地变革了传统数据中心的业务交付模式，用户通过在Web界面上点选一些按钮、输入一些参数就可以自助地开通或者变更业务，其时间要求达到分钟级甚至秒级。另外，随着防火墙、负载均衡、IDS/IPS这些L4～L7设备的虚拟化，业务的组网方式将变得更为复杂多变。“提交变更申请——分解操作流程——手动配置网络”，这样的传统流程不可能实现如此的敏捷性。

上述自动化需求是如此强烈，使得SDN成了云数据中心网络的不二之选。SDN从架构上就原生地具备自动化和集中控制的能力，通过开放转发设备的控制接口，SDN控制器可以自动地探测网络拓扑，并下发VLAN、ACL、路由等诸多规则，做到转发设备的即插即用。SDN控制器还可以向用户暴露业务接口，用户在此接口基础之上进行二次开发，使得网络可以随用户业务动态地进行调整。SDN对于运维自动化能力的提升同样显而易见，通过对流量和网络状态进行综合分析，SDN将有可能对云中的网络故障自动地完成隔离、排查甚至预警。

理论上来说，控制接口、业务接口的开放即提供了网络自动化的基础，不过真正实现一套能够在云数据中心商用的SDN系统并非一件易事。控制器内部的层次设计，同一层次不同接口的统一抽象（或者说不同层次接口间的适配），都是好说不好做的事情，其中涉及太多的技术流派之争和复杂的市场利益纠缠。不过，随着OpenFlow/OVSDB和OpenStack Neutron日渐成熟，SDN在云数据中心中的落地显现出了标准化的前景，OpenFlow/OVSDB作为设备接口所体现的灵活性和Neutron作为业务接口所体现的包容性，都极大地推动了SDN技术在云数据中心网络中的发展，也使得业界深刻体会到了网络开放对于IT系统自动化能力的整体提升。SDN也因而成为云数据中心网络演进的必然趋势。

除了自动化外，云计算所提倡的集约式运营还对集中式调度有着明确的需要。虚拟机作为工作负载经常需要动态地进行迁移，这就需要有一个集中式的控制器来将虚拟机在服务器中进行分布。近几年兴起的软件定义存储（Software Defined Storage，SDS）也提出集中地调度闪存、整列的资源，以提高存储资源利用率和存储节点命中效率。

同样，SDN所具备的对网络进行集中式调度的能力也是云计算所需要的。通过SDN控制器集中地向网络边缘分发网络策略已经广泛地应用在云数据中心网络中，当虚拟机发生迁移时，SDN控制器可以及时地得知虚拟机迁移后的位置，能够将相关的网络策略重新进行部署，以避免迁移过程中由老旧的网络策略导致的业务中断。另外，有一些论文中提出，通过对网络当前状态，如拥塞、丢包率等指标来优化承载关键业务的虚拟机的位置布放，从而达到优化通信效率、节能等目的。

尽管VxLAN等隧道技术可以结合SDN控制器的集中调度能力，但由于SDN的控制权仅存在于网络的边缘，仍无法对网络核心的传输进行调度。云数据中心网络希望能够对东西向流量进行无阻塞传输，虽然OSPF/BGP/ECMP等路由技术已经间接为二层提供了多路径传输的能力，然而它们只能基于流的静态特征对路径进行选择，一来无法感知流的动态特征，二来无法结合网络的实时状态。因此，虽然网络中不存在闲置链路，但各条链路上的负载通常会很不均衡，网络整体的业务吞吐率仍然难以得到有效保障。

若能够使用SDN同时控制网络边缘和网络核心，结合测量、流量调度、QoS等技术，SDN控制器将拥有流量和网络的动态全局视图，可以有效地对网络核心的传输进行调度，提高云数据中心的业务吞吐率。如此一来，网络将能够真正地做灵活智能，与计算、存储资源三维一体，全面迈向软件定义的数据中心，实现IT基础架构的大融合。