SDN技術在數據中心的應用前景
SDN是近年來繼云計算后，學術界和產業界最關注的熱點，被國際研究機構Gartner列為未來五年內IT領域十大關鍵技術之一。2012年，谷歌宣布已在數據中心內部骨干網絡上成功使用SDN技術，標志著SDN進入到商用化階段。據國際著名咨詢機構IDC估計，2013年SDN的收入將達到3.6億美元，到2016年這一數值將上升至37億美元。谷歌的成功經驗，也使得數據中心成為業界各方推廣SDN技術的***場景。
一、數據中心的發展趨勢及需求
近年來，伴隨著互聯網的高速發展，越來越多的應用及數據被集中到云數據中心處理。思科在其全球云計算產業分析與預測報告中指出：到2016年全球云計算服務流量將為2011年的12倍，平均每年復合增長30%.全球近三分之二的總工作負荷將在云端處理，數據中心將成為大部分互聯網流量的源頭或終點。而在數據中心產生的所有流量中，內部流量占數據中心總流量的76%，主要是存儲和虛擬機之間的數據交換等活動。因此，未來的互聯網流量將以云計算數據中心為核心，未來的互聯網將是以云計算數據中心為核心的網絡。
在這一趨勢下，數據中心進入了發展高峰。統計數據顯示2012年，全球IDC整體市場規模達到255.2億美元，增速為14.6%.其中主要拉動力來源于IT企業、互聯網企業和電信企業從自身業務支撐和拓展強烈需求。此外，預計2012-2016年大數據市場將出現迅猛的發展勢頭，復合年增長率將達31.7%，2016年收入將達238億美元。大數據市場的發展將會保證數據中心在未來幾年持續高速增長。在中國，2005-2012年間，IDC市場規模增長了6倍，年均增長率超過30%，遠超世界平均水平。預計到2015年，中國IDC服務市場規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，數據中心單站點規模也在急劇增長。谷歌、微軟、騰訊等互聯網公司新建的數據中心站點都擁有上萬臺物理服務器。國內調研數據顯示，2012年被調查IDC服務商機房擁有服務器數量在5000臺以上所占比例與2011年沒有多大變化;被調查IDC服務商機房擁有服務器數量在1000-3000臺的所占比例下降到23%，說明這兩年行業進行重組整合，較小的IDC服務商已經被重組或者淘汰。
在這一形勢下，傳統數據中心網絡架構已越來越難以滿足市場發展的需求。下圖是傳統數據中心網絡的邏輯架構：
在傳統數據中心中，各業務之間相互獨立占用資源且沒有資源移動性要求，數據中心內部流量基本以南北向為主。因此各業務網絡采用物理方式隔離、自成一體、無法復用。這種方式構建的網絡擴展性有限，只能縱向替換，而不能橫向添加擴展。系統性能存在瓶頸，往往為了滿足1%峰值時刻的流量需求，導致99%的時間單點效率低于20%.為了解決資源利用率低的問題，產生了虛擬化技術。數據中心主要由三類資源構成：計算、存儲、網絡。以VMware、微軟為代表的IT廠商通過虛擬機技術實現了計算資源的虛擬化。SAN技術的出現解決了存儲資源的虛擬化。目前，只有網絡資源尚未實現虛擬化，成為制約數據中心效率提升的瓶頸。
根據通信主體的不同，數據中心網絡可以劃分為五層。不同主體間通信對網絡的需求也不相同。
根據上表可將當前數據中心網絡的使用需求歸納如下：
- 無阻塞網絡，并具備近似***的高擴展性。
- 能夠感知虛擬機，并支持虛機在單數據中心內部和多數據中心之間的漂移，并保證相關網絡策略隨之遷移。
- 支持多業務、多租戶。能在同一物理網絡上，根據業務需求自由構建業務網絡并保證網絡安全性。
- 網絡統一運維，高度自動化、智能化管理。
這些使用需求是評判各種網絡技術能否適用于數據中心網絡的關鍵。
二、SDN技術在數據中心網絡的應用
SDN(Software DefinedNetwork)即軟件定義網絡，它起源于美國斯坦福大學。2008年，斯坦福大學教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM發表了題為openflow： EnablingInnovation in Campus Networks的論文。文中***詳細地介紹SDN的概念，即將傳統網絡設備的數據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絡設備進行管理和配置。這種架構為網絡帶來的可編程的特性，使得網絡資源的設計、管理和使用提供更多的可能性，從而更容易推動網絡的革新與發展。因此，控制轉發分離、邏輯集中控制、開放網絡編程API被視為SDN區別于傳統網絡技術的三個主要特征。正是這些特征使得SDN能夠良好的滿足數據中心網絡的使用需求：
(1)高擴展性和網絡資源利用率：通過對轉發表的集中管理，Controller能夠實時控制網絡各鏈路中流量的大小和走向，進而能夠實現對網絡帶寬資源和網絡功能元件虛擬化管理。計算、存儲、網絡全部實現虛擬化管控，使得網絡擴展不再依賴于網絡架構。從粗放的網絡模塊增加轉變為細顆粒度的資源池擴充，網絡擴展性和資源利用率都得以大幅提升。
(2)支持虛機遷移和統一運維：由于Controller可以控制網絡中的流量流向，因此虛機遷移對其而言僅僅是修改下發到交換機的轉發表項，易于實現。同時由于SDN與VM服務管理器(VCenter)以及IDC網管平臺都采用集中式管理架構，便于整合，實現高度自動化的統一管理。其中SDN Controller主要用于實現對網絡設備(包括駐留在服務器的vSwitch)的集中管理和控制;VM服務管理器主要用于實現VM的管理，包括了VM的創建、部署和遷移等;IDC管理平臺主要用于實現整體的協同和控制，完成VM服務管理器與SDN控制器的協同，實現數據中心計算資源、存儲資源、網絡資源的統一協調和控制。
(3)支持多業務、多租戶：SDN實現了網絡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絡上構建多張相互獨立的業務承載網(如下圖)，滿足多業務、多租戶需求。
除了能滿足數據中心的使用需求外，SDN還具有下列優點：
- 網絡設計更簡單：流量可控使得邏輯網絡與物理網絡脫離了必然聯系，提供了物理網絡架構更多的選擇性，網絡配置也全部集中在Controller處。
- 業務部署更快捷：業務定制的軟件化有利于新業務的測試和快速部署。
- 網絡設備更通用：控制集中化和網絡可編程，促使硬件標準化、通用化發展。提高設備利用率、降低設備投資。
總之，SDN將網絡的智能從硬件轉移到軟件，用戶不需要更新已有的硬件設備就可以為網絡增加新的功能。這樣做簡化和整合了控制功能，讓網絡硬件設備變得更可靠，還有助于降低設備購買和運營成本。
三、SDN面臨的挑戰
雖然SDN具有上述優點，但其仍處于發展的起步階段，還存在一系列尚待解決的問題。
(1)程序復雜度高、運算壓力大
軟件的高靈活性往往意味著程序的高復雜度。SDN架構下，系統需要同時維持多張邏輯網絡，保證各應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展歷史來看，為了協調各程序的運行，提高資源利用效率，往往會導致資源分配算法的復雜度和運算量呈指數級上升，進而存在成為系統瓶頸的可能。同時，Controller需要為每一條流制定優化的路由策略，其運算壓力之大可想而知，且這一壓力會隨控制網元數量的增加呈幾何級上升，很容易導致系統崩潰。因此，如何在軟件復雜度和運算效率之間取得平衡是SDN面臨的一大挑戰。
(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開放給應用程序的北向接口尚未被標準化。這無疑增加了各廠商設備間互通的難度。同時，由于SDN尚處于發展的初級階段，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，市場上已經呈現出一些廠商各行其是的現象，一定程度上延緩了SDN的商用化進程。業界要做到統一SDN標準，實現各廠家產品相互兼容，還需要一個長期的過程。
(3)產業鏈尚不完善、性能存在瓶頸
產業的形成需要依靠整個生態圈的推動。SDN采用全新的openflow協議，需要重新設計專用交換芯片。但由于目前依靠商用芯片的設備廠商在整個網絡設備市場的份額僅有10%，90%的市場被思科、華為、Juniper這些有自主研發、生產芯片的能力的設備廠商所占。在產業前景不明朗的情況下，商用芯片廠商也很難有動力去開發支持OpenFlow的芯片。專有芯片的缺乏導致目前大部分廠商的SDN設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展與完善，但由于SDN的本質特點符合了數據中心的發展需要，其誕生對于未來數據中心網絡發展而言，是非常重要的。不論是對于網絡架構的改變、簡化還是對二、三層網絡的控制，都具有非常大的意義，徹底打破原有網絡架構的理念。因此，SDN技術作為數據中心網絡發展方向已成為業界共識。隨著相關產業鏈的不斷成熟，SDN將被逐步應用于構建各種規模的數據中心網絡，用于提供高效的網絡管理，降低維護成本同時提高運營效率。
