1.引言

眾所周知，云計(jì)算是近年來(lái)發(fā)展最快的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，被稱為第四次IT革命。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2016年，2/3的IT應(yīng)用服務(wù)將建立在云架構(gòu)上 [1]。作為云計(jì)算核心的基礎(chǔ)承載設(shè)施，數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色也愈加重要。目前，新一代的云數(shù)據(jù)中心正逐漸取代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，并成為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和流量的主要源頭。在中國(guó)，工信部電信研究院發(fā)布的《2014年云計(jì)算白皮書(shū)》[2]顯示我國(guó)公共云服務(wù)市場(chǎng)仍處于低總量，高增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)初期階段。2013 年我國(guó)公共云服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)47.6 億人民幣，增速36%，遠(yuǎn)高于全球平均水平。

云計(jì)算市場(chǎng)旺盛需求，帶動(dòng)了IDC產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)。對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商而言，IDC業(yè)務(wù)正逐漸成為其業(yè)務(wù)收入增長(zhǎng)的新的重要源動(dòng)力。2005-2012年間，中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)了6倍，且預(yù)計(jì)未來(lái)5年仍將保持25.5%的年均增長(zhǎng)率[3]。

　　圖1 2011-2016年中國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)總體預(yù)測(cè)

為把握這一機(jī)遇，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通先后成立了專門運(yùn)營(yíng)云計(jì)算業(yè)務(wù)的云公司。中國(guó)移動(dòng)也在多個(gè)省市開(kāi)展云計(jì)算相關(guān)業(yè)務(wù)的試驗(yàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，云計(jì)算業(yè)務(wù)將成為運(yùn)營(yíng)商未來(lái)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)的主要熱點(diǎn)之一。

2.現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)主要運(yùn)營(yíng)商在全國(guó)已建有數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)中心，年收入達(dá)上百億元。但這些數(shù)據(jù)中心大多從數(shù)據(jù)機(jī)房演變而來(lái)，主要提供機(jī)架出租和主機(jī)托管等附加值較低的業(yè)務(wù)。與業(yè)界領(lǐng)先者相比，運(yùn)營(yíng)商IDC存在以下問(wèn)題：

2.1 組網(wǎng)技術(shù)落后，擴(kuò)展性受限。

虛擬機(jī)的大規(guī)模使用是云數(shù)據(jù)中心區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的一個(gè)最主要特點(diǎn)。由于虛擬機(jī)遷移要求，遷移前后的網(wǎng)絡(luò)要屬于同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)。因此，新一代的數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)技術(shù)如Trill、SPB等都專注于構(gòu)建數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的大二層網(wǎng)絡(luò)。而運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示：

　　圖2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

其中，運(yùn)營(yíng)商只負(fù)責(zé)提供接入層以上的設(shè)備。租戶需要通過(guò)自備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備匯接其所有服務(wù)器，然后再通過(guò)配置靜態(tài)路由將流量導(dǎo)入接入層交換機(jī)。在路由協(xié)議配置上，接入交換機(jī)為二三層網(wǎng)絡(luò)分界線，接入層以上的設(shè)備運(yùn)行三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括ospf和BGP。在這種方式下，二層被限制在網(wǎng)絡(luò)邊緣。整個(gè)數(shù)據(jù)中心分割成相互獨(dú)立的多個(gè)煙囪式的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，極大的限制了虛擬機(jī)遷移的范圍和用戶網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。同時(shí)由于各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)彼此隔離、無(wú)法復(fù)用，降低了網(wǎng)絡(luò)資源(如：接入帶寬和端口資源等)的利用效率。

2.2 運(yùn)營(yíng)模式粗放，業(yè)務(wù)開(kāi)通速度慢。

業(yè)界領(lǐng)先的亞馬遜、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司已為客戶提供PaaS，SaaS等云服務(wù)，對(duì)用戶技術(shù)要求低，且業(yè)務(wù)開(kāi)通僅需幾分鐘。而運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心機(jī)房目前還多以提供機(jī)房、機(jī)架出租等低附加值業(yè)務(wù)服務(wù)為主。用戶開(kāi)通新業(yè)務(wù)需要通過(guò)提交申請(qǐng)、網(wǎng)絡(luò)劃分、逐臺(tái)設(shè)備配置等繁瑣的步驟，平均業(yè)務(wù)開(kāi)通時(shí)間通常在幾周甚至幾個(gè)月左右。

2.3 高端資源不足，低端資源無(wú)法整合。

作為互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的基礎(chǔ)服務(wù)體系，數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)正在向大規(guī)模、集群化方向發(fā)展。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(diǎn)都已擁有上萬(wàn)臺(tái)物理服務(wù)器。國(guó)內(nèi)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2012年被調(diào)查IDC服務(wù)商機(jī)房擁有服務(wù)器數(shù)量在5000臺(tái)以上所占比例與2011年沒(méi)有多大變化;被調(diào)查IDC服務(wù)商機(jī)房擁有服務(wù)器數(shù)量在1000-3000臺(tái)的所占比例下降到23%，說(shuō)明這兩年行業(yè)進(jìn)行重組整合，較小的IDC服務(wù)商已經(jīng)被重組或者淘汰[4]。

　　圖3 2012年中國(guó)IDC公司的機(jī)房服務(wù)器數(shù)量

而運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的IDC機(jī)房中，五星級(jí)、四星級(jí)機(jī)房?jī)H占20%左右。這無(wú)疑難以滿足用戶對(duì)資源需求的增長(zhǎng)趨勢(shì)，不適于未來(lái)IDC業(yè)務(wù)的長(zhǎng)期發(fā)展。同時(shí)，由于設(shè)備和組網(wǎng)技術(shù)的限制，無(wú)法將多個(gè)數(shù)據(jù)中心資源整合在同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)中形成一個(gè)邏輯資源池。這樣，當(dāng)面對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源需求較大的用戶時(shí)，一方面各機(jī)房都無(wú)力單獨(dú)滿足用戶的使用規(guī)模需求;另一方面，大量資源被閑置、浪費(fèi)的矛盾現(xiàn)象。

2.4 IDC資源利用率不均，分布不合理。

由于不同種類的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求不同，各用戶對(duì)IDC機(jī)房地理位置的敏感度也存在差異。如提供頁(yè)面訪問(wèn)業(yè)務(wù)的用戶，對(duì)機(jī)房位置的要求不太敏感;而金融和政府用戶則多要求部署在一、二線城市;中小用戶則要求就近部署在本地。

目前，運(yùn)營(yíng)商在一線城市機(jī)房的機(jī)架利用率和出口帶寬利用率也基本飽和。而三、四線城市機(jī)房的機(jī)架和帶寬利用率尚有可利用空間。但由于不支持虛擬化功能和統(tǒng)一的管理調(diào)度平臺(tái)，使得無(wú)法通過(guò)業(yè)務(wù)調(diào)度的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的整合。

2.5 缺乏多數(shù)據(jù)中心協(xié)作機(jī)制，難以發(fā)揮固網(wǎng)資源優(yōu)勢(shì)。

目前運(yùn)營(yíng)商不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心間缺乏協(xié)同工作機(jī)制與熱點(diǎn)流量推送機(jī)制;與Google，F(xiàn)acebook等公司的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)模式相比，用戶體驗(yàn)上還有差距。

此外，隨著云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器虛擬化的大規(guī)模使用，對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求：

(1)無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)，并具備近似無(wú)限的高擴(kuò)展性。

(2)能夠感知虛擬機(jī)，并支持虛機(jī)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(yùn)維，高度自動(dòng)化、智能化管理。

以上這些需求是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)的。

為滿足上述需求，業(yè)界主流廠家推出了一系列新的技術(shù)解決方案，如Trill、SPB、VEPA等。但這些技術(shù)都需要新的網(wǎng)絡(luò)硬件，即各級(jí)交換機(jī)設(shè)備。顯然，對(duì)于已建有數(shù)百數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)商而言，這一成本十分高昂，且是否值得也有待考驗(yàn)。

此時(shí)，SDN和NFV技術(shù)的適時(shí)出現(xiàn)，為利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，整合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)云化升級(jí)，提供一條解決思路。

3.SDN&NFV技術(shù)

SDN(Software Defined Network)即軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它起源于美國(guó)斯坦福大學(xué)，是繼云計(jì)算之后，業(yè)界最關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)[5]。2012年，谷歌在其數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)上的成功應(yīng)用SDN，標(biāo)志著SDN進(jìn)入到商用化階段。同時(shí)也使得數(shù)據(jù)中心成為業(yè)界公認(rèn)的SDN技術(shù)應(yīng)用的首選場(chǎng)景。

控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、邏輯集中控制、開(kāi)放可編程是SDN區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征。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。SDN 的控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，為實(shí)現(xiàn)集中管理創(chuàng)造了條件。而管理集中化正是提高網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)部署的自動(dòng)化程度的必要前提。開(kāi)放可編程接口則為將業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)需求提供了途徑。

目前，SDN有三種實(shí)現(xiàn)方案，即基于openflow協(xié)議的解決方案、基于overlay技術(shù)的解決方案和混合型解決方案。其中基于overlay 技術(shù)的解決方案是目前主流的發(fā)展趨勢(shì)。這種方案通過(guò)使用vxlan或nvgre等協(xié)議，在報(bào)文進(jìn)入接入層設(shè)備前將二層報(bào)文封裝在三層報(bào)文中進(jìn)行傳輸，最后在接收側(cè)解封裝還原二層報(bào)文。這樣就是實(shí)現(xiàn)了在三層網(wǎng)絡(luò)之上建立一張邏輯二層網(wǎng)絡(luò)的目的。該方案對(duì)承載網(wǎng)要求低，IP可達(dá)即可，不需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議，具有良好的適用性。

NFV(Network FunctionVirtualization)即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化[6]。該技術(shù)源自于電信運(yùn)營(yíng)商，其的最終目標(biāo)是以軟件方式虛擬化IT資源，讓虛擬化部署能夠提供重要的網(wǎng)絡(luò)功能，而不再需求專業(yè)的物理設(shè)備。這些虛擬設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中將像物理設(shè)備那樣工作，且無(wú)需特定設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)多種專業(yè)功能。此外，由于 NFV可以采用虛擬機(jī)的方式提供，再結(jié)合SDN的流量控制功能，可以輕易實(shí)現(xiàn)功能網(wǎng)元的按需彈性部署及service chain功能。

SDN的集中管理控制與NFV的快速?gòu)椥圆渴鹣嘟Y(jié)合，構(gòu)成了一條網(wǎng)絡(luò)硬件的通用性和軟件的開(kāi)放性越來(lái)越高的發(fā)展道路。

4.云化演進(jìn)方案

利用SDN技術(shù)和NFV技術(shù)，我們可以通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的云化升級(jí)，具體可分為以下幾個(gè)階段進(jìn)行：

第一階段，對(duì)服務(wù)器實(shí)施虛擬化改造，并使用支持vxlan的開(kāi)源OVS虛擬交換機(jī)構(gòu)造大二層網(wǎng)絡(luò)。

　　圖4 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在服務(wù)器虛擬化改造后的效果

已有大量實(shí)踐證明，通過(guò)使用虛擬化技術(shù)可以將服務(wù)器的資源利用率提高30%以上。同時(shí)，由于將原來(lái)需要多臺(tái)服務(wù)器承載的業(yè)務(wù)集中到一臺(tái)服務(wù)器上的多臺(tái)虛擬機(jī)處理，大幅降低了所需服務(wù)器的數(shù)量。這樣也節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)接口資源，使業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“瘦”化，提高數(shù)據(jù)中心的整體承載能力。

同時(shí)由于使用了vxlan技術(shù)，使得不同的IDC站點(diǎn)只要IP可達(dá)，就可以在邏輯上構(gòu)成大二層overlay網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)整合多個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源的目的，提高了資源利用率。且由于使用的是開(kāi)源軟件，升級(jí)成本十分低廉。

第二階段，利用NFV技術(shù)提供防火墻、負(fù)載均衡、私有云等業(yè)務(wù)。

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)方式下，為提供防火墻和負(fù)載均衡等增值業(yè)務(wù)，有兩種方式。一種是用戶自備相關(guān)硬件，串接或旁觀在其與接入交換機(jī)相連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。另一種則需要將相應(yīng)的硬件旁掛在核心路由兩側(cè)，供所有業(yè)務(wù)共用。前一種方式，由于用戶網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)。后一種方式，難以針對(duì)具體各業(yè)務(wù)私網(wǎng)提供定制服務(wù)。

NFV技術(shù)出現(xiàn)后，通過(guò)在虛擬機(jī)上安裝防火墻、虛擬路由器等功能鏡像，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的資源彈性部署。在降低組網(wǎng)成本的同時(shí)，提高了服務(wù)種類、處理精度。

第三階段，增加controller，并通過(guò)controller與OVS和NFV管理平臺(tái)的對(duì)接實(shí)現(xiàn)對(duì)ovs和NFV設(shè)備的統(tǒng)一控制，提高業(yè)務(wù)的按需自動(dòng)化彈性部署能力。

通過(guò)增加controller，并將其與OVS、NFV管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。引入SDN集中控制功能，實(shí)現(xiàn)service chain的自動(dòng)化部署，可以大大提高業(yè)務(wù)開(kāi)通的自動(dòng)化程度和速度。這里為了降低成本可以使用開(kāi)源的controller，如opendaylight的產(chǎn)品——Hydrogen。

第四階段，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量足夠大時(shí)，通過(guò)將現(xiàn)有接入交換機(jī)更換為支持vxlan封裝的交換機(jī)，提高業(yè)務(wù)處理能力。

由于OVS仍屬于軟件范疇，相對(duì)硬件存在性能瓶頸。在改造初期，由于運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大多較小，對(duì)性能的要求也相對(duì)較低，OVS還能滿足使用需求。但隨著互聯(lián)數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)數(shù)量的增加，對(duì)OVS的性能要求(如流表數(shù)量)也直線上升，其性能問(wèn)題就可能成為業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。此時(shí)，原有的接入交換機(jī)已基本接近使用年限?？山柚鼡Q新型接入交換機(jī)的時(shí)機(jī)，將OVS對(duì)數(shù)據(jù)包的部分處理功能，如vxlan封裝，轉(zhuǎn)移到硬件的接入交換機(jī)側(cè)。從而降低OVS的性能壓力，滿足業(yè)務(wù)的使用需求。

通過(guò)以上幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了在盡可能利舊現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，用最小的代價(jià)完成傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向云數(shù)據(jù)中心的升級(jí)。

結(jié)論

本文在分析數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀及問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合SDN和NFV技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向云數(shù)據(jù)中心的過(guò)渡方案。該方案為集團(tuán)整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心資源，發(fā)展云相關(guān)業(yè)務(wù)提供技術(shù)參考。