SDN技术在数据中心的应用前景

  编者按：每每提到SDN应用第一反应就是数据中心，可见SDN在数据中心方面的应用得到了很大认可。SDN确实可以帮助数据中心挣脱目前的困境，但是SDN技术尚未成熟，还有一系列问题亟待解决。前途是光明的，道路是曲折的。

摘要：

    SDN是近年来继云计算后，学术界和产业界最关注的热点，被国际研究机构Gartner列为未来五年内IT领域十大关键技术之一。2012年，谷歌宣布已在数据中心内部骨干网络上成功使用SDN技术，标志着SDN进入到商用化阶段。据国际著名咨询机构IDC估计，2013年SDN的收入将达到3.6亿美元，到2016年这一数值将上升至37亿美元。谷歌的成功经验，也使得数据中心成为业界各方推广SDN技术的首选场景。

一、数据中心的发展趋势及需求

    近年来，伴随着互联网的高速发展，越来越多的应用及数据被集中到云数据中心处理。思科在其全球云计算产业分析与预测报告中指出：到2016年全球云计算服务流量将为2011年的12倍，平均每年复合增长30%。全球近三分之二的总工作负荷将在云端处理，数据中心将成为大部分互联网流量的源头或终点。而在数据中心产生的所有流量中，内部流量占数据中心总流量的76%，主要是存储和虚拟机之间的数据交换等活动。因此，未来的互联网流量将以云计算数据中心为核心，未来的互联网将是以云计算数据中心为核心的网络。

在这一趋势下，数据中心进入了发展高峰。统计数据显示2012年，全球IDC整体市场规模达到255.2亿美元，增速为14.6%。其中主要拉动力来源于IT企业、互联网企业和电信企业从自身业务支撑和拓展强烈需求。此外，预计2012-2016年大数据市场将出现迅猛的发展势头，复合年增长率将达31.7%，2016年收入将达238亿美元。大数据市场的发展将会保证数据中心在未来几年持续高速增长。在中国，2005-2012年间，IDC市场规模增长了6倍，年均增长率超过30%，远超世界平均水平。预计到2015年，中国IDC服务市场规模占全球市场的比例将由2012年的6.4%增至10%。

    在整体市场不断扩大的同时，数据中心单站点规模也在急剧增长。谷歌、微软、腾讯等互联网公司新建的数据中心站点都拥有上万台物理服务器。国内调研数据显示，2012年被调查IDC服务商机房拥有服务器数量在5000台以上所占比例与2011年没有多大变化；被调查IDC服务商机房拥有服务器数量在1000－3000台的所占比例下降到23%，说明这两年行业进行重组整合，较小的IDC服务商已经被重组或者淘汰。

在这一形势下，传统数据中心网络架构已越来越难以满足市场发展的需求。下图是传统数据中心网络的逻辑架构：

  在传统数据中心中，各业务之间相互独立占用资源且没有资源移动性要求，数据中心内部流量基本以南北向为主。因此各业务网络采用物理方式隔离、自成一体、无法复用。这种方式构建的网络扩展性有限，只能纵向替换，而不能横向添加扩展。系统性能存在瓶颈，往往为了满足1%峰值时刻的流量需求，导致99%的时间单点效率低于20%。为了解决资源利用率低的问题，产生了虚拟化技术。数据中心主要由三类资源构成：计算、存储、网络。以VMware、微软为代表的IT厂商通过虚拟机技术实现了计算资源的虚拟化。SAN技术的出现解决了存储资源的虚拟化。目前，只有网络资源尚未实现虚拟化，成为制约数据中心效率提升的瓶颈。

    根据通信主体的不同，数据中心网络可以划分为五层。不同主体间通信对网络的需求也不相同。

根据上表可将当前数据中心网络的使用需求归纳如下：

 (1)无阻塞网络，并具备近似无限的高扩展性。

 (2)能够感知虚拟机，并支持虚机在单数据中心内部和多数据中心之间的漂移，并保证相关网络策略随之迁移。

 (3)支持多业务、多租户。能在同一物理网络上，根据业务需求自由构建业务网络并保证网络安全性。

 (4)网络统一运维，高度自动化、智能化管理。

 这些使用需求是评判各种网络技术能否适用于数据中心网络的关键。

二、SDN技术在数据中心网络的应用

    SDN(Software DefinedNetwork)即软件定义网络，它起源于美国斯坦福大学。2008年，斯坦福大学教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM发表了题为openflow: EnablingInnovation in Campus Networks的论文。文中首次详细地介绍SDN的概念，即将传统网络设备的数据平面和控制平面两个功能模块相分离，通过集中式的控制器(controller)以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置。这种架构为网络带来的可编程的特性，使得网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性，从而更容易推动网络的革新与发展。因此，控制转发分离、逻辑集中控制、编程API被视为SDN区别于传统网络技术的三个主要特征。正是这些特征使得SDN能够良好的满足数据中心网络的使用需求：

(1)高扩展性和网络资源利用率：通过对转发表的集中管理，Controller能够实时控制网络各链路中流量的大小和走向，进而能够实现对网络带宽资源和网络功能元件虚拟化管理。计算、存储、网络全部实现虚拟化管控，使得网络扩展不再依赖于网络架构。从粗放的网络模块增加转变为细颗粒度的资源池扩充，网络扩展性和资源利用率都得以大幅提升。

 (2)支持虚机迁移和统一运维：由于Controller可以控制网络中的流量流向，因此虚机迁移对其而言仅仅是修改下发到交换机的转发表项，易于实现。同时由于SDN与VM服务管理器(VCenter)以及IDC网管平台都采用集中式管理架构，便于整合，实现高度自动化的统一管理。其中SDN Controller主要用于实现对网络设备(包括驻留在服务器的vSwitch)的集中管理和控制；VM服务管理器主要用于实现VM的管理，包括了VM的创建、部署和迁移等；IDC管理平台主要用于实现整体的协同和控制，完成VM服务管理器与SDN控制器的协同，实现数据中心计算资源、存储资源、网络资源的统一协调和控制。 

(3)支持多业务、多租户：SDN实现了网络资源虚拟化和流量可编程，因此可以很灵活的在固定物理网络上构建多张相互独立的业务承载网（如下图），满足多业务、多租户需求。

除了能满足数据中心的使用需求外，SDN还具有下列优点：

 (1)网络设计更简单：流量可控使得逻辑网络与物理网络脱离了必然联系，提供了物理网络架构更多的选择性，网络配置也全部集中在Controller处。

 (2)业务部署更快捷：业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。

 (3)网络设备更通用：控制集中化和网络可编程，促使硬件标准化、通用化发展。提高设备利用率、降低设备投资。

 总之，SDN将网络的智能从硬件转移到软件，用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样做简化和整合了控制功能，让网络硬件设备变得更可靠，还有助于降低设备购买和运营成本。

三、SDN面临的挑战 

虽然SDN具有上述优点，但其仍处于发展的起步阶段，还存在一系列尚待解决的问题。

(1)程序复杂度高、运算压力大

    软件的高灵活性往往意味着程序的高复杂度。SDN架构下，系统需要同时维持多张逻辑网络，保证各应用程序共享资源的同时彼此功能不相互影响。而从计算机程序的发展历史来看，为了协调各程序的运行，提高资源利用效率，往往会导致资源分配算法的复杂度和运算量呈指数级上升，进而存在成为系统瓶颈的可能。同时，Controller需要为每一条流制定优化的路由策略，其运算压力之大可想而知，且这一压力会随控制网元数量的增加呈几何级上升，很容易导致系统崩溃。因此，如何在软件复杂度和运算效率之间取得平衡是SDN面临的一大挑战。

(2)标准化进程尚未完成

    目前，ONF仅定义了Controller连接交换机的南向接口，而Controller之间的接口以及Controller开放给应用程序的北向接口尚未被标准化。这无疑增加了各厂商设备间互通的难度。同时，由于SDN尚处于发展的初级阶段，且各参与方有着不同的利益和目的，其SDN解决方案之间也是千差万别，市场上已经呈现出一些厂商各行其是的现象，一定程度上延缓了SDN的商用化进程。业界要做到统一SDN标准，实现各厂家产品相互兼容，还需要一个长期的过程。

(3)产业链尚不完善、性能存在瓶颈

    产业的形成需要依靠整个生态圈的推动。SDN采用全新的openflow协议，需要重新设计专用交换芯片。但由于目前依靠商用芯片的设备厂商在整个网络设备市场的份额仅有10%，90%的市场被思科、华为、Juniper这些有自主研发、生产芯片的能力的设备厂商所占。在产业前景不明朗的情况下，商用芯片厂商也很难有动力去开发支持OpenFlow的芯片。专有芯片的缺乏导致目前大部分厂商的SDN设备性能较实际使用需要尚有一定差距。

    虽然SDN存在的上述问题还需要不断的发展与完善，但由于SDN的本质特点符合了数据中心的发展需要，其诞生对于未来数据中心网络发展而言，是非常重要的。不论是对于网络架构的改变、简化还是对二、三层网络的控制，都具有非常大的意义，彻底打破原有网络架构的理念。因此，SDN技术作为数据中心网络发展方向已成为业界共识。随着相关产业链的不断成熟，SDN将被逐步应用于构建各种规模的数据中心网络，用于提供高效的网络管理，降低维护成本同时提高运营效率。