11月25日，深信服云計算架構(gòu)師Eason在信服云《云集技術(shù)學(xué)社》系列直播課上進(jìn)行了《軟件SDN技術(shù)原理》的分享，繼上周介紹了SDN技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用后，Eason本周又詳細(xì)介紹了SDN架構(gòu)、OpenFlow相關(guān)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化相關(guān)技術(shù)。以下是他分享內(nèi)容摘要，想要了解更多可以關(guān)注“深信服科技”公眾號觀看直播回放。
看點一：SDN架構(gòu)
SDN的整體架構(gòu)是一個比較清晰的層次結(jié)構(gòu)。一個SDN架構(gòu)通常分成三個平面。
第一個是管理平面，它的作用是負(fù)責(zé)處理來自用戶的請求，并轉(zhuǎn)換為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)配置，通過北向接口(NBI)下發(fā)到控制平面。常見的云管理平面有OpenStack、NSX、Sangfor Cloud Platform等。另外，管理平面也可以基于開放平臺構(gòu)建用戶自己的云管理平臺。
第二個是控制平面，由SDN控制軟件構(gòu)成，負(fù)責(zé)將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)配置轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)平面可理解的語義?？刂破矫姹毕蛲ㄟ^NBI和應(yīng)用層對接，南向可通過標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議(例如OpenFlow的一些協(xié)議)與數(shù)據(jù)平面通信。
第三個是數(shù)據(jù)平面，主要為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，根據(jù)控制平面的控制邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)。
這三個平面之間通過兩種類型的接口進(jìn)行通信，一個是北向接口，負(fù)責(zé)管理平面和控制平面之間的通信，一個是南向接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)平面和控制平面之間的通信。
通過這樣的分層結(jié)構(gòu)，用戶就可以將一些用戶請求轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)平面可以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，從而通過軟件的方式來集中式的管理數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。通過這些接口，數(shù)據(jù)平面也同樣可以把統(tǒng)計數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)等上報給控制平面或者上報給管理平面，讓管理平面或者用戶可以拿到這些數(shù)據(jù)做更多的處理。
看點二：OpenFlow相關(guān)技術(shù)
談到SDN就不得不談OpenFlow相關(guān)技術(shù)，因為OpenFlow是SDN誕生后的第一個開源協(xié)議。數(shù)據(jù)平面有一個比較著名的實現(xiàn)叫做OVS。OVS包括3個主要模塊：運行在內(nèi)核態(tài)的datapath，以及運行在用戶態(tài)的vswitchd和ovsdb-server。
第一個是Datapath，是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)核模塊，屬于快路(fast path)轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊從網(wǎng)絡(luò)接口收取數(shù)據(jù)報文，并根據(jù)報文頭部匹配流表(Flow table)中的流表項，如果成功則直接轉(zhuǎn)發(fā)，否則將報文遞交到vswitchd處理。內(nèi)核模塊在初始化和端口綁定的時候會注冊回調(diào)函數(shù)，從而接管端口的報文處理。
第二個是vswitchd，vswitchd是一個用戶態(tài)守護(hù)進(jìn)程，是本地OVS的管理和控制服務(wù)，屬于慢路(slowpath)轉(zhuǎn)發(fā)，可以處理內(nèi)核模塊未匹配的報文。vswitchd通過unix socket和ovsdb交互，并通過netlink和內(nèi)核模塊交互。vswitchd北向通過OpenFlow協(xié)議與控制平面對接。
第三個模塊是ovsdb-server，ovsdb是OVS的數(shù)據(jù)庫，用于保存OVS的配置信息。ovsdb-server對外提供RPC接口。
OVS工作依賴的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是Flow table。Flow table是存儲Flow的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Datapath根據(jù)Flowtable進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。Flow Table里面有一些字段，OVS通過將這些字段與數(shù)據(jù)報文進(jìn)行匹配，并執(zhí)行相應(yīng)的動作就實現(xiàn)了報文轉(zhuǎn)發(fā)。
在OVS里面，流表的核心處理流程是報文依次匹配多張表，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。其中的單表也有對應(yīng)的匹配流程。當(dāng)一個報文進(jìn)來的時候，它就會找到滿足匹配條件的優(yōu)先級最高的表項，接下來會執(zhí)行指令動作，然后發(fā)送匹配數(shù)據(jù)和動作指令到下一張表。下一張表收到報文和指令后，會緊接著做后續(xù)的處理，直到整個流水線都運行完畢后，就會將報文從某一個端口輸出或者是丟棄。通過這樣的一個流程，OVS就完成了一次報文轉(zhuǎn)發(fā)。
而在控制平面，也有一個開源實現(xiàn)叫做OVN(Open Virtual Network)。通常情況下，OVN分為四個模塊。
第一個是Northbound DB，它接收并存儲來自云管平臺(CMS，Cloud Management System)的邏輯網(wǎng)絡(luò)配置(邏輯交換機、路由器、ACL等)信息，目前基于ovsdb-server實現(xiàn)。它有兩個客戶端：OVN/CMS插件，ovn-northd。
第二個是ovn-northd，它是集中式控制器，同時連接Northbound DB和SouthboundDB，并負(fù)責(zé)把云管平臺寫入Northbound DB的基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概念的邏輯網(wǎng)絡(luò)配置轉(zhuǎn)換成Southbound DB的數(shù)據(jù)表。
第三個是Southbound DB，它也是基于ovsdb-server，包含三類數(shù)據(jù)：物理網(wǎng)絡(luò)信息(PhysicalNetwork)，它包括了所有overlay封裝的必要信息，如IP地址，支持的封裝類型等;邏輯網(wǎng)絡(luò)信息(Logical Network)，比如邏輯交換機、路由器的拓?fù)?、ACL、防火墻規(guī)則等;物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)的綁定關(guān)系信息(Binding)。這些數(shù)據(jù)由各個ovn-controller消費。
第四個是ovn-controller，它是OVN的本地控制進(jìn)程，是運行在每臺主機上的本地SDN控制器。它北向通過ovsdb協(xié)議與OVN SouthboundDB通信，南向通過ovsdb協(xié)議與本地ovsdb-server通信，以及通過OpenFlow協(xié)議與ovs-vswitchd通信。
看點三：網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)
了解網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)首先要理解什么是虛擬網(wǎng)絡(luò)或者什么是Overlay。Overlay網(wǎng)絡(luò)是一種建立在另一個網(wǎng)絡(luò)之上的計算機網(wǎng)絡(luò)。Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以被認(rèn)為是通過虛擬或邏輯鏈接相連。節(jié)點之間通過下層網(wǎng)絡(luò)(Underlay)中的多個物理連接實現(xiàn)相連。通過Overlay網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，從而將虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)解耦。
虛擬網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有幾種比較常見的方式：
第一個是VLAN（802.1Q），通過在物理交換機上劃分VLAN實現(xiàn)多個虛擬的交換機。VLAN的限制是最大只支持4096個劃分，并且Underlay網(wǎng)絡(luò)不支持跨三層。
第二個是VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），通過隧道協(xié)議將分支或個人與總部網(wǎng)絡(luò)連通的技術(shù)。Underlay網(wǎng)絡(luò)一般用于在互聯(lián)網(wǎng)上分支與總部間的點對點的連接。
第三個是VXLAN，可以在三層連通的Underlay網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)虛擬的二層連通性。這個二層連通性是在分布式虛擬交換機上實現(xiàn)的。
報文轉(zhuǎn)發(fā)流程首先是虛擬機VM1發(fā)送ARP請求虛擬機VM2(IP=192.168.5.22)的MAC地址;其次VTEP1封裝ARP請求為多播報文，并且將VNI設(shè)置為121;VTEP2收到報文后，將VTEP1和虛擬機VM1的映射關(guān)系加入VXLAN表格;VTEP2解封裝報文，提取VNI信息，并把ARP請求發(fā)送到虛擬機VM2;虛擬機VM2回復(fù)ARP請求;VTEP2根據(jù)之前學(xué)習(xí)到VTEP1和VM1的映射關(guān)系和VNI信息封裝VM2回復(fù)的ARP請求，并以單播方式發(fā)送給VTEP1;VTEP1收到來自VTEP2的報文，解封裝，提取VNI信息，并把解封后的來自VM2回復(fù)ARP請求發(fā)送給VM1。
理解網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的另一個重要的方面了解控制面的工作原理。在由控制面的情況下，主機1會將VTEP1和虛擬機VM1的映射關(guān)系上送控制器(VNI=121，VM MAC = 00:AC:AA:55:20:C1，VTEP IP = 10.0.0.163)，同時主機2也會將VTEP2和虛擬機VM2的映射關(guān)系上送控制器(VNI=121，VM MAC = 00:AC:BB:77:44:C2，VTEP IP = 10.0.0.192)?？刂破髟诰酆细髦鳈C信息后會將完整的映射關(guān)系分別同步到主機1和主機2。
通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)虛擬路由器。虛擬路由器實現(xiàn)上有兩種形態(tài)：分布式虛擬路由和集中式虛擬路由。這樣實現(xiàn)的好處是虛擬路由器既有分布式路由性能和擴展性方面的優(yōu)勢，也有集中式路由功能服務(wù)方面的優(yōu)點。
分布式虛擬路由器主要處理東西向流量，它可以在源端完成路由計算，實現(xiàn)物理上的一跳轉(zhuǎn)發(fā);集中式虛擬路由器主要處理南北向流量，負(fù)責(zé)與物理網(wǎng)絡(luò)連通，實現(xiàn)集中式服務(wù)(NAT、DHCP、DNS、集中式防火墻、負(fù)載均衡)。
最后，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)軟件定義防火墻。
軟件定義防火墻分成兩種，集中式防火墻和分布式防火墻。
集中式的防火墻有四個特點：第一個是中心化的管理;第二是集中式的防火墻部署在邊界節(jié)點;第三是它主要用來防護(hù)的是南北向的流量;第四是通過集中式的防火墻，可以很容易集成第三方的服務(wù)。
分布式防火墻同樣也是中心化管理，但分布式防火墻直接部署在虛擬機的網(wǎng)絡(luò)接口上，它主要防護(hù)東西向流量，易于水平擴展。
來自外部或者互聯(lián)網(wǎng)上的流量，通常會經(jīng)過集中式路由或集中式的防火墻，進(jìn)入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。來自內(nèi)部的流量在沒有分布式防火墻之前也是通過集中式的防火墻來控制，有了分布式防火墻之后，就可以在虛擬機之間或者在主機之間直接進(jìn)行防護(hù)，而不用再繞行到集中式防火墻的節(jié)點上，性能和安全性上會有很大的提升。
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