NOX——現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

2011-03-28 16:27:49

本系列前面的三篇文章中，介紹了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的基本概念和相關(guān)平臺。按照SDN的觀點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的智能/管理實(shí)際上是通過控制器來實(shí)現(xiàn)的。本篇將介紹一個(gè)代表性的控制器實(shí)現(xiàn)——NOX。

本系列前面的三篇文章《OpenFlow – 打造彈性化的可控互聯(lián)網(wǎng)》、《Open vSwitch – 開放虛擬交換標(biāo)準(zhǔn)》和《Mininet – “懶惰”網(wǎng)絡(luò)研究者的福音》中，介紹了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的基本概念和相關(guān)平臺。按照SDN的觀點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的智能/管理實(shí)際上是通過控制器來實(shí)現(xiàn)的。本篇將介紹一個(gè)代表性的控制器實(shí)現(xiàn)——NOX。

現(xiàn)代大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境十分復(fù)雜，給管理帶來較大的難度。特別對于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)來說，管控需求繁多，應(yīng)用、資源多樣化，安全性、擴(kuò)展性要求都特別高。因此，網(wǎng)絡(luò)管理始終是研究的熱點(diǎn)問題。

從操作系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

早期的計(jì)算機(jī)程序開發(fā)者直接用機(jī)器語言編程。因?yàn)闆]有各種抽象的接口來管理底層的物理資源（內(nèi)存、磁盤、通信），使得程序的開發(fā)、移植、調(diào)試等費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而現(xiàn)代的操作系統(tǒng)提供更高的抽象層來管理底層的各種資源，極大的改善了軟件程序開發(fā)的效率。

同樣的情況出現(xiàn)在現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)管理中，管理者的各種操作需要跟底層的物理資源直接打交道。例如通過ACL規(guī)則來管理用戶，需要獲取用戶的實(shí)際IP地址。更復(fù)雜的管理操作甚至需要管理者事先獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、用戶實(shí)際位置等。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加和需求的提高，管理任務(wù)實(shí)際上變成巨大的挑戰(zhàn)。

而NOX則試圖從建立網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的層面來改變這一困境。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network Operating System）這個(gè)術(shù)語早已經(jīng)被不少廠家提出，例如Cisco的IOS、Novell的NetWare等。這些操作系統(tǒng)實(shí)際上提供的是用戶跟某些部件（例如交換機(jī)、路由器）的交互，因此稱為交換機(jī)/路由器操作系統(tǒng)可能更貼切。而從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度來看，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該是抽象網(wǎng)絡(luò)中的各種資源，為網(wǎng)絡(luò)管理提供易用的接口。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)探討

模型

NOX的模型主要包括兩個(gè)部分。

一是集中的編程模型。開發(fā)者不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際架構(gòu)，在開發(fā)者看來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就好像一臺單獨(dú)的機(jī)器一樣，有統(tǒng)一的資源管理和接口。

二是抽象的開發(fā)模型。應(yīng)用程序開發(fā)需要面向的是NOX提供的高層接口，而不是底層。例如，應(yīng)用面向的是用戶、機(jī)器名，但不面向IP地址、MAC地址等。

通用性標(biāo)準(zhǔn)

正如計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本身并不實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的各種軟件功能，NOX本身并不完成對網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，而是通過在其上運(yùn)行的各種“應(yīng)用”（Application）來實(shí)現(xiàn)具體的管理任務(wù)。管理者和開發(fā)者可以專注到這些應(yīng)用的開發(fā)上，而無需花費(fèi)時(shí)間在對底層細(xì)節(jié)的分析上。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，NOX需要提供盡可能通用（General）的接口，來滿足各種不同的管理需求。

架構(gòu)

組件

下圖給出了使用NOX管理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的主要組件。包括交換機(jī)和控制（服務(wù)）器（其上運(yùn)行NOX和相應(yīng)的多個(gè)管理應(yīng)用，以及1個(gè)Network View），其中Network View提供了對網(wǎng)絡(luò)物理資源的不同觀測和抽象解析。注意到NOX通過對交換機(jī)操作來管理流量，因此，交換機(jī)需要支持相應(yīng)的管理功能。此處采用支持OpenFlow的交換機(jī)。

操作

流量經(jīng)過交換機(jī)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)沒有對應(yīng)的匹配表項(xiàng)，則轉(zhuǎn)發(fā)到運(yùn)行NOX的控制器，NOX上的應(yīng)用通過流量信息來建立Network View和決策流量的行為。同樣的，NOX也可以控制哪些流量需要轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。

多粒度處理

NOX對網(wǎng)絡(luò)中不同粒度的事件提供不同的處理。包括網(wǎng)包、網(wǎng)流、Network View等。

應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

NOX上的開發(fā)支持Python、C++語言，NOX核心架構(gòu)跟關(guān)鍵部分都是使用C++實(shí)現(xiàn)以保證性能。代碼可以從http://www.noxrepo.org獲取，遵循GPL許可。

系統(tǒng)庫

提供基本的高效系統(tǒng)庫，包括路由、包分類、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（DHCP、DNS）、協(xié)議過濾器等。

相關(guān)工作

NOX項(xiàng)目主頁在http://noxrepo.org。

其他類似的項(xiàng)目包括SANE、Ethane、Maestro、onix、difane等，有興趣的同學(xué)可以進(jìn)一步研究參考。

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