软件定义的云数据中心网络研究进展PDF32pdf

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　　软件定义的云数据中心网络研究进展!!开放系统专业委员会李$丹#$刘方明%$郭得科&$何$源H$陈贵海O#清华大学计算机系!北京%华中科技大学!武汉&国防科学技术大学信息系统与管理学院!长沙H清华大学软件学院!北京O南京大学计算机科学与技术系!南京摘!!要软件定义网络技术是计算机网络领域近年来新兴的热门技术!而数据中心网络被认为是软件定义网络最重要的应用场景#本文综述了软件定义的云数据中心网络技术在学术界工业界和标准化领域的国内外研究进展!并对其发展前景进行了展望#关键词软件定义网络!数据中心网络!云计算!虚拟网络#$%8)*:2F2;012+28)(:A017$GF%0-(12(;8623(-8039(:8*18232:701782561(4(7,015(39/82:128)(:A-!*1++*8*52182:128)(:A0-:27*:+2+*-8623(-8:29:2-218*80@29*:*+073;(:*994,017GF

　　*80(1!*1++0-5/--2-862+2@24(932189:(-92580@2

　　2+128)(:A!引言现代社会信息量的爆炸式增长资源复用技术的成熟和宽带网络的普及!共同促进了云计算的诞生和发展#以亚马逊公司的V!%谷歌公司的S99V17012和微软公司的^01+()-S

　　/:2等为代表的云计算服务已经得到初步商用!使得云计算逐渐成为人们按需使用软硬件资源和进行大数据深度挖掘处理的新型计算模式#据工业和信息化部电信研究院%R#H年发布的,云计算白皮书-显示!%R#&年全球云计算服务规模约为#&#\亿美元!年增长率为#_c!据预测未来几年云服务市场仍将保持#Oc以上的增长率!%R#\年将达到%HH%亿美元#我国当前还处于云计算发展初期!虽然我国云计算服务的总体规模目前仅占全球市场的Hc左右!但近几年一直呈上升趋势#随着大数据时代的来临!作为大数据处理的重要技术手段云计算的发展空间将更加广阔E*:812:公司列出的%R#H年十大科技趋势中与云计算有关的技术就占了其中H项分别是软件定义网络GF更大的数据和存储混合云以及向虚拟数据中心的演变数据中心是云计算的核心基础设施谷歌公司早在%RRW年底就在全世界建造了能容纳超过HW万台服务器的分布式数据中心*52.((A公司于%R##年H月对外展示了其建造在俄勒冈的数据中心其中拥有数以万计的服务器并在节能减排方面进行了示范我国各地方政府也积极建造数据中心以促成云计算产业落地如呼和浩特云计算产业基地南京软件开发云平台镇江云神工程无锡云谷等中国电信中国移动中国联通等电信运营商都在积极利用其CF!数据中心打造云计算战略百度阿里巴巴腾讯等为代表的互联网企业也在大力发展云数据中心以提供更好的云计算服务数据中心网络在云计算基础设施中具有关键地位云数据中心网络是连接数据中心大规模服务器的桥梁也是承载网络化计算和网络化存储的基础云计算的核心价值在于大数据的集中处理和资源的统计复用由于大规模云计算任务往往伴随着服务器之间的海量数据交互数据中心网络性能的高低决定了云计算的服务质量同时由于网络资源天然存在的共享特性如何让云计算用户实现安全而公平的网络访问也是关系到云计算用户体验的重要因素当前的主流云计算提供商都积极探索面向云数据中心网络的创新技术以提高云计算的服务质量例如谷歌公司于%R#%年H月对外公布其数据中心采用GFPQ9214()技术进行网络管理近年来云数据中心网络不但是互联网服务公司和网络运营商重点关注的领域而且成为各国政府学术界标准化组织和设备商共同关注的焦点欧盟L\计划资助了D!TQUFGSH!TQUF等云计算和数据中心项目美国G资助了G8(:*72!4*--N23(:,S:5608258/:2;(:V12:7,V;;050218F*8*!2182:-和G562+/4017V12:7,!(1-/3980(101E:221F*8*52182:-等数据中心节能项目日本总务省的G!QLV计划资助了F2921+*.42!4(/+等相关项目最近几年的GCE!QNNQGFCGQGLCG!S等系统与网络领域的顶级国际学术会议上都有大量的数据中心网络论文发表其中作为计算机网络领域的顶级国际学术会议在GCE!QNN%R##和GCE!QNN%R#%上数据中心网络方向的论文数量更是达到论文总数的#P&以上国际互联网标准化组织CVD成立了以云数据中心网络为主要应用场景的工作组GFG(;8)*:2F:0@2128)(:A017CVVV也成立了针对数据中心网络的任务组F!JF*8*!2182:J:0+72思科瞻博华为等网络设备厂商先后推出了数据中心交换机产品%R#%年\月IN)*:2公司收购软件定义网络GF领域的先驱和网络虚拟化市场的领导者050:*公司进军云数据中心网络虚拟化市场软件定义网络G(;8)*:2F2;012+28)(:A017GF是近年来涌现的新兴网络技术GF的核心思想主要有两点第一提高硬件平台的可编程性从而快速实现新型网络功能的配置满足灵活多变的应用需求第二把网络控制层面与数据转发层面分离把软件控制功能放到网络管理器上从而提高网络的管理控制能力对于GF技术是否可应用于广域网环境目前学术界和工业界还存在不少争议但一般认为云数据中心网W&软件定义的云数据中心网络研究进展络是GF技术的理想应用环境#创建软件定义的可定制云数据中心网络基础设施!是提高网络性能实现多租户网络共享以及控制网络能耗的基本保障#美国斯坦福大学提出的Q9214()协议是当前最具代表性的GF协议#然而由于Q9214()协议存在数据转发流程过于复杂转发设备处理功能非常有限等问题!当前学术界正在积极探索其他可能 的GF架构# 如何设计支持可软件编程网络节点和可扩展控制器的软件定义网络框架! 并基于此框架实现云数据中心网络的大规模横向扩展! 是未来需要首先解决的重要挑战# 本文将主要叙述软件定义的云数据中心网络近年来的国内外研究进展! 并展望其发 展趋势# $国际研究现状 $#!软件定义网络体系结构 %RRR 年以来! 网络界对于大规模的网络试验的兴趣越来越高# 受 L4*1284*. 和 V3/4*. 的启发! 美国国家自然科学基金会 $ *80(1*4G502152(/1+*80(1! G% 推出了 大型试验网络 ECC *!,+ ! 欧洲则提出了 VUCMV9:(7:*3 *!$+ # 在这种背景下! 斯坦福 大学于%RRW 年启动了 !42*1 G4*82$!42*1?G4*82F2-071 ;(:862C182:128% 项目! 把研究重 点放在 5*39/-128)(:A 范围上# %RR\ 年! 斯坦福大学提出了 V86*12项目! 设计了一个 逻辑上的集中式控制器! 控制流的传输! 从而实现了企业网络的权限控制功能 *!&+ # 受 V86*12的启发! 05A N5Y2()1 等人提出了 Q9214()的概念! 并在 %RR_ 年 GCE!QNN上 发 表 了 论 文 *!%+ Q9214() V1*.4017C11(@*80(1 C1 5*39/-28)(:A-# Q9214()的诞生意味着GF雏形的形成# %RR` 年! NCDD2561(4(7,M2@02)将GF评为 十大前沿技术 *!+ ! 并且第一次使用了 GF这一名称 *!$+ # %R## 年! 专注于 GF发展 的 Q921 28)(:A (/1+*80(1 $ Q% 成立! 它由谷歌 *52.((A 微软 华为 德国电 信等#OO 家互联网公司 设备制造商 电信运营商 虚拟化厂商 测试厂商组成 *!)+ ! 标志着 GF逐步向着商用普及的方向发展# GF被认为是由斯坦福大学Q9214()技术逐步发展起来的! Q也采用Q9214() 作为 GF设计的重要组成部分# 根据 Q提出的 GF三层体系结构! 网络分为应用 层 $S99405*80(1 T*,2:% 控制层 $ !(18:(4T*,2:% 和基础构造层 $ C1;:*-8:/58/:2T*,2:%! 如图#所示# 控制层向上提供北向接口 SLC! 为应用提供网络服务# 起初 Q并不希 望为北向接口设立明确的标准以防阻止创新! 但在%R#H 年初! 还是成立了 (:86.(/1+ C182:;*52^(:A017E:(/9! 希望能够规范厂商混乱的北向接口定义# 目前该 ^(:A017 E:(/9 还没有相关工作公布# 相比较于北向接口! 南向接口已经有比较成熟的方案! 即 Q9214()# Q9214()把分离开的 5(18:(494*12和 +*8*94*12连接起来! 实现集中式 控制# \ & $国际研究现状 图#$基于Q9214()的典型GF三层体系结构框架 GF借鉴了*580@2128)(:A 的网络编程思想# 相比于GF更强调网络控制器的可编程 功能! *580@2128)(:A 更多的是针对数据平面的可编程功能设计 *!)(!!)!+ # GCE!QNN%R#& 年 的文章 *!)$+ 对数据平面的可编程性进行了探讨# 除了可编程性! 针对 GF的数据平面的 改进还有将计数器5(/182:从D!SN中移出 *!)++ ! 用!LU作为数据平面的协处理器提高交 换机性能 *!),+ ! 把部分常用转发信息放置于数据平面上! 减少处理器负担 *!*(+ 等# 由于网络管理功能是一个全局性的工作! 在 GF被提出之前! 逻辑集中式的控制 器 *!)&-!))+ 已经进入研究人员的视野# 服务器技术的发展使得用一个商用服务器即可存储一 个运营商所有的路由状态并计算出相应的路由决策 *!)*+ # 但是! 随着网络规模的扩大! 集中 式的控制器可能会带来控制消息延迟过大的问题! 因此分布式的控制平面也成为重要的研 究方向 *!*!-!*%+ # 对于控制平面来说! 底层网络资源抽象化! 控制平面可以像一个操作系统 一样工作! 网络操作系统 $128)(:A QG% 的概念应运而生! QZ *!*%+ 就是其中的代表之作# 作为GF的主要服务对象! 网络应用才是最能体现GF这一全新网络架构的价值之 处# *!*!!*)+ 将GF应用于N0++42.(=应用场景中# 谷歌则将GF应用到自己的数据中心网 络架构中去 *!**+ # 现在Q主导的以Q9214()为标准的GF设计可以视为狭义的GF概念# 广义的 GF概念认为GF应该具备以下几个特征 分离的转发和控制平面 向应用开放的软件 编程接口和集中式控制 *!++ # 其中最重要的就是可软件编程的开放接口! 通过这些接口! 应用可以与物理网络更贴合! 更灵活地针对网络环境进行应变# 而分离转发 控制平面 和集中式控制则是为了实现这一功能而做出的设计 *!++ # 云数据中心网络被认为是GF的重要应用场景# 下面的%

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