SDN数据中心基础知识

Unerday&Overlay

名词解释 SDN

软件定义网络SDN（Software Defined Network）是由美国斯坦福大学CLean State研究组提出的一种新型网络创新架构，可通过软件编程的形式定义和控制网络，其控制平面和转发平面分离及开放性可编程的特点，被认为是网络领域的一场革命，为新型互联网体系结构研究提供了新的实验途径，也极大地推动了下一代互联网的发展 [2] 。
传统网络世界是水平标准和开放的，每个网元可以和周边网元进行完美互联。而在计算机的世界里，不仅水平是标准和开放的，同时垂直也是标准和开放的，从下到上有硬件、驱动、操作系统、编程平台、应用软件等等，编程者可以很容易地创造各种应用。从某个角度和计算机对比，在垂直方向上，网络是“相对封闭”和“没有框架”的，在垂直方向创造应用、部署业务是相对困难的。但SDN将在整个网络（不仅仅是网元）的垂直方向变得开放、标准化、可编程，从而让人们更容易、更有效地使用网络资源。

SDN的整体架构由下到上（由南到北）分为数据平面、控制平面和应用平面。

其中，数据平面由交换机等网络通用硬件组成，各个网络设备之间通过不同规则形成的SDN数据通路连接；控制平面包含了逻辑上为中心的SDN控制器，它掌握着全局网络信息，负责各种转发规则的控制；应用平面包含着各种基于SDN的网络应用，用户无需关心底层细节就可以编程、部署新应用。
控制平面与数据平面之间通过SDN控制数据平面接口（control-data-plane interface，简称CDPI）进行通信，它具有统一的通信标准，主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备，最主要应用的是OpenFlow协议。控制平面与应用平面之间通过SDN北向接口（northbound interface，简称NBI）进行通信，而NBI并非统一标准，它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。
SDN中的接口具有开放性，以控制器为逻辑中心 [1] ，南向接口负责与数据平面进行通信，北向接口负责与应用平面进行通信，东西向接口负责多控制器之间的通信。最主流的南向接口CDPI采用的是OpenFlow协议。OpenFlow最基本的特点是基于流（Flow）的概念来匹配转发规则，每一个交换机都维护一个流表（Flow Table），依据流表中的转发规则进行转发，而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口，应用程序通过北向接口编程来调用所需的各种网络资源，实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有可扩展性，为负载均衡和性能提升提供了技术保障。

Underlay就是当前数据中心网路基础转发架构的网络，只要数据中心网络上任意两点路由可达即可，指的是物理基础层。我们可以通过物理网络设备本身的技术改良、扩大设备数量、带宽规模等完善Underlay网络，其包含了一切现有的传统网络技术。

Overlay 在网络技术领域，指的是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下，实现应用在网络上的承载，并能与其它网络业务分离，并且以基于IP的基础网络技术为主。

Overlay 技术是在现有的物理网络之上构建一个虚拟网络，上层应用只与虚拟网络相关。一个Overlay网络主要由三部分组成：

• 边缘设备：是指与虚拟机直接相连的设备
• 控制平面：主要负责虚拟隧道的建立维护以及主机可达性信息的通告
• 转发平面：承载 Overlay 报文的物理网络

通过部署Overlay网络，可以实现物理网络向云和虚拟化的深度延伸，使云资源池化能力可以摆脱物理网络的重重限制，是实现云网融合的关键。Overlay网络也是一个网络，不过是建立在Underlay网络之上的网络。Overlay网络的节点通过虚拟的或逻辑的链接进行通信，每一个虚拟的或逻辑的链接对应于Underlay网络的一条路径（Path），由多个前后衔接的链接组成。

Overlay技术可以分为网络Overlay，主机Overlay和混合式Overlay三大类。

网络Overlay是指通过控制协议对边缘的网络设备进行网络构建和扩展，也就是本文所讲的Overlay网络技术。

Overlay网络技术多种多样，一般采用TRILL、VxLan、GRE、NVGRE等隧道技术。

TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）技术是电信设备厂商主推的新型环网技术；

NVGRE（Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation）

STT（Stateless Transport Tunneling Protocol）是IT厂商主推的Overlay技术；

VXLAN（Virtual eXtensible LAN）等基于隧道的封装技术。

流行的OverLay技术：

VXLAN： VXLAN是将以太网报文封装成UDP报文进行隧道传输，UDP目的端口为4798(可修改)，标准5元组方式有利于在IP网络转发过程中进行负载分担；隔离标识VNI采用24比特来表示；所有的流量均被封装为payload转发。
NVGRE ：NVGRE采用的是RFC 2784和RFC 2890所定义的GRE隧道协议。将以太网报文封装在GRE内进行隧道传输。隔离标识采用24比特来表示；与VXLAN的主要区别在对流量的负载分担上，因为使用了GRE隧道封装，NVGRE使用了GRE扩展字段flow ID进行流量负载分担，这就要求物理网络能够识别GRE隧道的扩展信息。
STT ：STT是无状态传输协议，通过将以太网报文封装成TCP报文进行隧道传输，隔离标识采用64比特来表示。与VXLAN和NVGRE的主要区别是在隧道封装格式使用了无状态TCP，需要对传统TCP协议进行修改以适应NVGRE的传输。

VXLAN、NVGRE等Overlay技术都是通过将MAC封装在IP之上，实现对物理网络的屏蔽，解决了物理网络VLAN数量限制、接入交换机MAC表项有限等问题。同时通过提供统一的逻辑网络管理工具，方便的实现了虚拟机HA迁移时网络策略跟随的问题，大大降低了虚拟化对网络的依赖，成为了目前网络虚拟化的主要发展方向。

 

链接阅读：http://net.zol.com.cn/459/4598330.html

传统数据中心以千兆接入为主。随着CPU计算能力的不断提高，目前主流的服务器处理性能，已经超出了千兆网卡的输出能力。同时，FC存储网络与IP网络的融合，也要求IP网络的接入速率达到FC的性能要求。当仅仅通过链路聚合、增加等价路径等技术手段已经无法满足业务对网络性能的需求时，提高网络端口速率成为必然之选。

　　万兆以太网从起步到目前逐渐成为应用主流，延续了以太网技术发展的主基调，凭借其技术优势，替代其他网络接入技术，成为高性能网络的不二选择。目前新的数据中心，万兆网络接入已成为事实上的标准。

名词解释SAN（Storage Area Network，存储区域网络）

SAN（Storage Area Network，存储区域网络）的诞生，使存储空间得到更加充分的利用以及安装和管理更加有效。SAN是一种将存储设备、连接设备和接口集成在一个高速网络中的技术。SAN本身就是一个存储网络，承担了数据存储任务，SAN网络与LAN业务网络相隔离，存储数据流不会占用业务网络带宽。

名词解释FC网络

在SAN网络中，所有的数据传输在高速、高带宽的网络中进行，SAN存储实现的是直接对物理硬件的块级存储访问，提高了存储的性能和升级能力。

早期的SAN采用的是光纤通道（FC，Fibre Channel）技术，所以，以前的SAN多指采用光纤通道的存储局域网络，到了iSCSI协议出现以后，为了区分，业界就把SAN分为FC-SAN和IP-SAN。

FC开发于1988年，最早是用来提高硬盘协议的传输带宽，侧重于数据的快速、高效、可靠传输。到上世纪90年代末，FC SAN开始得到大规模的广泛应用。

FC 网络中每个设备有两个地址

WWN地址（world wide name),好比TCP/IP网络结构中的MAC地址，physcially identify a port，在设备出厂时就已经烙在端口上了

Port ID， 好比TCP/IP网络中的IP地址，节点间用它来通信

网络结构

Loop： 类似令牌环，设备间用Hub相连共享I/O资源，同一时刻只有一个设备使用I/O资源

Switch：设备间用Switch相连，独享I/O资源。

地址分配策略：Loop结构的网络采用self assign; Switch结构的网络采用centralized authority. FC网络中有个叫Name 的东西，大概就类似于TCP/IP网络中的DHCP服务器，专门分配地址。

VAS&SFC服务链

名词解释：访问控制列表（Access Control Lists，ACL）

访问控制列表（Access Control Lists，ACL）是应用在路由器接口的指令列表。这些指令列表用来告诉路由器哪些数据包可以收、哪些数据包需要拒绝。至于数据包是被接收还是拒绝，可以由类似于源地址、目的地址、端口号等的特定指示条件来决定。
访问控制列表具有许多作用，如限制网络流量、提高网络性能；通信流量的控制，例如ACL可以限定或简化路由更新信息的长度，从而限制通过路由器某一网段的通信流量；提供网络安全访问的基本手段；在路由器端口处决定哪种类型的通信流量被转发或被阻塞，例如，用户可以允许E-mail通信流量被路由，拒绝所有的 Telnet通信流量等。

名词解释：QoS（Quality of Service，服务质量）

QoS（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。QoS的保证对于容量有限的网络来说是十分重要的，特别是对于流多媒体应用，例如VoIP和IPTV等，因为这些应用常常需要固定的传输率，对延时也比较敏感。

名词解释：NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是1994年提出的。当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密）时，可使用NAT方法。

这种方法需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。

NAT的实现方式有三种，即静态转换Static Nat、动态转换Dynamic Nat和端口多路复用OverLoad。

• 静态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，IP地址对是一对一的，是一成不变的，某个私有IP地址只转换为某个公有IP地址。借助于静态转换，可以实现外部网络对内部网络中某些特定设备（如服务器）的访问。
• 动态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址是不确定的，是随机的，所有被授权访问上Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定的合法IP地址。也就是说，只要指定哪些内部地址可以进行转换，以及用哪些合法地址作为外部地址时，就可以进行动态转换。动态转换可以使用多个合法外部地址集。当ISP提供的合法IP地址略少于网络内部的计算机数量时。可以采用动态转换的方式。
• 端口多路复用（Port address Translation,PAT)是指改变外出数据包的源端口并进行端口转换，即端口地址转换（PAT，Port Address Translation).采用端口多路复用方式。内部网络的所有主机均可共享一个合法外部IP地址实现对Internet的访问，从而可以最大限度地节约IP地址资源。同时，又可隐藏网络内部的所有主机，有效避免来自internet的攻击。因此，目前网络中应用最多的就是端口多路复用方式。

网络地址端口转换 NAPT（Network Address Port Translation）（Port-Level NAT）（ 多对一 ）。改变外出数据包的源端口并进行端口转换，采用端口多路复用方式。内部网络的所有主机均可共享一个合法外部 IP 地址实现对 Internet 的访问，可以最大限度地节约 IP 地址资源。同时，也可以隐藏网络内部的所有主机，有效避免来自 Internet 的攻击。因此，目前网络中应用最多的就是 PAT 规则。这是最常用的 NAT 技术，也是 IPv4 能够维持到今天的最重要的原因之一，它提供了一种多对一的方式，对多个内网 IP 地址，边界路由可以给他们分配一个外网 IP，利用这个外网 IP 的不同端口和外部进行通信。NAPT 与 动态NAT 不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的 IP 地址上，同时在该地址上加上一个由 NAT 设备选定的端口号。
NAPT 是使用最普遍的一种转换方式，在 HomeGW 中也主要使用该方式。它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。

• (1) 源NAT（Source NAT，SNAT）：修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址，它永远会在数据包发送到网络之前完成，数据包伪装就是一具SNAT的例子。
• (2) 目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改数据包的目的地址。Destination NAT刚好与SNAT相反，它是改变第一个数据懈的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是属于DNAT。

SDN接口对接

通用模式：