SDN是近年來繼云計算后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最關(guān)注的熱點，被國際研究機構(gòu)Gartner列為未來五年內(nèi)IT領(lǐng)域十大關(guān)鍵技術(shù)之一。2012年，谷歌宣布已在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)上成功使用SDN技術(shù)，標志著SDN進入到商用化階段。據(jù)國際著名咨詢機構(gòu)IDC估計，2013年SDN的收入將達到3.6億美元，到2016年這一數(shù)值將上升至37億美元。谷歌的成功經(jīng)驗，也使得數(shù)據(jù)中心成為業(yè)界各方推廣SDN技術(shù)的首選場景。
一、數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢及需求
近年來，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用及數(shù)據(jù)被集中到云數(shù)據(jù)中心處理。思科在其全球云計算產(chǎn)業(yè)分析與預(yù)測報告中指出：到2016年全球云計算服務(wù)流量將為2011年的12倍，平均每年復(fù)合增長30%.全球近三分之二的總工作負荷將在云端處理，數(shù)據(jù)中心將成為大部分互聯(lián)網(wǎng)流量的源頭或終點。而在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的所有流量中，內(nèi)部流量占數(shù)據(jù)中心總流量的76%，主要是存儲和虛擬機之間的數(shù)據(jù)交換等活動。因此，未來的互聯(lián)網(wǎng)流量將以云計算數(shù)據(jù)中心為核心，未來的互聯(lián)網(wǎng)將是以云計算數(shù)據(jù)中心為核心的網(wǎng)絡(luò)。
在這一趨勢下，數(shù)據(jù)中心進入了發(fā)展高峰。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示2012年，全球IDC整體市場規(guī)模達到255.2億美元，增速為14.6%.其中主要拉動力來源于IT企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和電信企業(yè)從自身業(yè)務(wù)支撐和拓展強烈需求。此外，預(yù)計2012-2016年大數(shù)據(jù)市場將出現(xiàn)迅猛的發(fā)展勢頭，復(fù)合年增長率將達31.7%，2016年收入將達238億美元。大數(shù)據(jù)市場的發(fā)展將會保證數(shù)據(jù)中心在未來幾年持續(xù)高速增長。在中國，2005-2012年間，IDC市場規(guī)模增長了6倍，年均增長率超過30%，遠超世界平均水平。預(yù)計到2015年，中國IDC服務(wù)市場規(guī)模占全球市場的比例將由2012年的6.4%增至10%.
在整體市場不斷擴大的同時，數(shù)據(jù)中心單站點規(guī)模也在急劇增長。谷歌、微軟、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)公司新建的數(shù)據(jù)中心站點都擁有上萬臺物理服務(wù)器。國內(nèi)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2012年被調(diào)查IDC服務(wù)商機房擁有服務(wù)器數(shù)量在5000臺以上所占比例與2011年沒有多大變化；被調(diào)查IDC服務(wù)商機房擁有服務(wù)器數(shù)量在1000-3000臺的所占比例下降到23%，說明這兩年行業(yè)進行重組整合，較小的IDC服務(wù)商已經(jīng)被重組或者淘汰。
圖1 2012年中國IDC公司的機房服務(wù)器數(shù)量
在這一形勢下，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來越難以滿足市場發(fā)展的需求。下圖是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)：
圖2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，各業(yè)務(wù)之間相互獨立占用資源且沒有資源移動性要求，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量基本以南北向為主。因此各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用物理方式隔離、自成一體、無法復(fù)用。這種方式構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)擴展性有限，只能縱向替換，而不能橫向添加擴展。系統(tǒng)性能存在瓶頸，往往為了滿足1%峰值時刻的流量需求，導(dǎo)致99%的時間單點效率低于20%.為了解決資源利用率低的問題，產(chǎn)生了虛擬化技術(shù)。數(shù)據(jù)中心主要由三類資源構(gòu)成：計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)。以VMware、微軟為代表的IT廠商通過虛擬機技術(shù)實現(xiàn)了計算資源的虛擬化。SAN技術(shù)的出現(xiàn)解決了存儲資源的虛擬化。目前，只有網(wǎng)絡(luò)資源尚未實現(xiàn)虛擬化，成為制約數(shù)據(jù)中心效率提升的瓶頸。
根據(jù)通信主體的不同，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以劃分為五層。不同主體間通信對網(wǎng)絡(luò)的需求也不相同。
圖3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)分層
根據(jù)上表可將當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的使用需求歸納如下：
（1）無阻塞網(wǎng)絡(luò)，并具備近似無限的高擴展性。
（2）能夠感知虛擬機，并支持虛機在單數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和多數(shù)據(jù)中心之間的漂移，并保證相關(guān)網(wǎng)絡(luò)策略隨之遷移。
（3）支持多業(yè)務(wù)、多租戶。能在同一物理網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自由構(gòu)建業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)并保證網(wǎng)絡(luò)安全性。
（4）網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一運維，高度自動化、智能化管理。
這些使用需求是評判各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能否適用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。
二、SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
SDN（Software DefinedNetwork）即軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它起源于美國斯坦福大學(xué)。2008年，斯坦福大學(xué)教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM發(fā)表了題為openflow： EnablingInnovation in Campus Networks的論文。文中首次詳細地介紹SDN的概念，即將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個功能模塊相分離，通過集中式的控制器（controller）以標準化的接口對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理和配置。這種架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)帶來的可編程的特性，使得網(wǎng)絡(luò)資源的設(shè)計、管理和使用提供更多的可能性，從而更容易推動網(wǎng)絡(luò)的革新與發(fā)展。因此，控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、邏輯集中控制、開放網(wǎng)絡(luò)編程API被視為SDN區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的三個主要特征。正是這些特征使得SDN能夠良好的滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的使用需求：
（1）高擴展性和網(wǎng)絡(luò)資源利用率：通過對轉(zhuǎn)發(fā)表的集中管理，Controller能夠?qū)崟r控制網(wǎng)絡(luò)各鏈路中流量的大小和走向，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和網(wǎng)絡(luò)功能元件虛擬化管理。計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)全部實現(xiàn)虛擬化管控，使得網(wǎng)絡(luò)擴展不再依賴于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從粗放的網(wǎng)絡(luò)模塊增加轉(zhuǎn)變?yōu)榧氼w粒度的資源池擴充，網(wǎng)絡(luò)擴展性和資源利用率都得以大幅提升。
（2）支持虛機遷移和統(tǒng)一運維：由于Controller可以控制網(wǎng)絡(luò)中的流量流向，因此虛機遷移對其而言僅僅是修改下發(fā)到交換機的轉(zhuǎn)發(fā)表項，易于實現(xiàn)。同時由于SDN與VM服務(wù)管理器（VCenter）以及IDC網(wǎng)管平臺都采用集中式管理架構(gòu)，便于整合，實現(xiàn)高度自動化的統(tǒng)一管理。其中SDN Controller主要用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括駐留在服務(wù)器的vSwitch）的集中管理和控制；VM服務(wù)管理器主要用于實現(xiàn)VM的管理，包括了VM的創(chuàng)建、部署和遷移等；IDC管理平臺主要用于實現(xiàn)整體的協(xié)同和控制，完成VM服務(wù)管理器與SDN控制器的協(xié)同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。
（3）支持多業(yè)務(wù)、多租戶：SDN實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和流量可編程，因此可以很靈活的在固定物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多張相互獨立的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)（如下圖），滿足多業(yè)務(wù)、多租戶需求。
圖4 利用SDN技術(shù)構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡(luò)
除了能滿足數(shù)據(jù)中心的使用需求外，SDN還具有下列優(yōu)點：
（1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計更簡單：流量可控使得邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)脫離了必然聯(lián)系，提供了物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更多的選擇性，網(wǎng)絡(luò)配置也全部集中在Controller處。
（2）業(yè)務(wù)部署更快捷：業(yè)務(wù)定制的軟件化有利于新業(yè)務(wù)的測試和快速部署。
（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更通用：控制集中化和網(wǎng)絡(luò)可編程，促使硬件標準化、通用化發(fā)展。提高設(shè)備利用率、降低設(shè)備投資。
總之，SDN將網(wǎng)絡(luò)的智能從硬件轉(zhuǎn)移到軟件，用戶不需要更新已有的硬件設(shè)備就可以為網(wǎng)絡(luò)增加新的功能。這樣做簡化和整合了控制功能，讓網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備變得更可靠，還有助于降低設(shè)備購買和運營成本。
三、SDN面臨的挑戰(zhàn)
雖然SDN具有上述優(yōu)點，但其仍處于發(fā)展的起步階段，還存在一系列尚待解決的問題。
（1）程序復(fù)雜度高、運算壓力大
軟件的高靈活性往往意味著程序的高復(fù)雜度。SDN架構(gòu)下，系統(tǒng)需要同時維持多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，保證各應(yīng)用程序共享資源的同時彼此功能不相互影響。而從計算機程序的發(fā)展歷史來看，為了協(xié)調(diào)各程序的運行，提高資源利用效率，往往會導(dǎo)致資源分配算法的復(fù)雜度和運算量呈指數(shù)級上升，進而存在成為系統(tǒng)瓶頸的可能。同時，Controller需要為每一條流制定優(yōu)化的路由策略，其運算壓力之大可想而知，且這一壓力會隨控制網(wǎng)元數(shù)量的增加呈幾何級上升，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，如何在軟件復(fù)雜度和運算效率之間取得平衡是SDN面臨的一大挑戰(zhàn)。
（2）標準化進程尚未完成
目前，ONF僅定義了Controller連接交換機的南向接口，而Controller之間的接口以及Controller開放給應(yīng)用程序的北向接口尚未被標準化。這無疑增加了各廠商設(shè)備間互通的難度。同時，由于SDN尚處于發(fā)展的初級階段，且各參與方有著不同的利益和目的，其SDN解決方案之間也是千差萬別，市場上已經(jīng)呈現(xiàn)出一些廠商各行其是的現(xiàn)象，一定程度上延緩了SDN的商用化進程。業(yè)界要做到統(tǒng)一SDN標準，實現(xiàn)各廠家產(chǎn)品相互兼容，還需要一個長期的過程。
（3）產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善、性能存在瓶頸
產(chǎn)業(yè)的形成需要依靠整個生態(tài)圈的推動。SDN采用全新的openflow協(xié)議，需要重新設(shè)計專用交換芯片。但由于目前依靠商用芯片的設(shè)備廠商在整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場的份額僅有10%，90%的市場被思科、華為、Juniper這些有自主研發(fā)、生產(chǎn)芯片的能力的設(shè)備廠商所占。在產(chǎn)業(yè)前景不明朗的情況下，商用芯片廠商也很難有動力去開發(fā)支持OpenFlow的芯片。專有芯片的缺乏導(dǎo)致目前大部分廠商的SDN設(shè)備性能較實際使用需要尚有一定差距。
雖然SDN存在的上述問題還需要不斷的發(fā)展與完善，但由于SDN的本質(zhì)特點符合了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需要，其誕生對于未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而言，是非常重要的。不論是對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改變、簡化還是對二、三層網(wǎng)絡(luò)的控制，都具有非常大的意義，徹底打破原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的理念。因此，SDN技術(shù)作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向已成為業(yè)界共識。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，SDN將被逐步應(yīng)用于構(gòu)建各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，用于提供高效的網(wǎng)絡(luò)管理，降低維護成本同時提高運營效率。
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本文標題：SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景
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