《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SDN的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第13期
桂燕興,沈蘇彬,毛燕琴
南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,江蘇 南京 210003
摘要: 基于SDN技術(shù)的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)(VTN)能夠使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)租戶(hù)提供互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)。VTN提供了VLAN映射、端口映射用于將虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。其中VLAN映射需要對(duì)每個(gè)主機(jī)配置VLAN id,增加了映射的復(fù)雜性;端口映射時(shí)一旦出現(xiàn)交換機(jī)端口故障便不能成功映射。為解決上述問(wèn)題,本文提出了基于MAC地址映射方法,即通過(guò)主機(jī)的MAC地址直接與虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。通過(guò)搭建OpenDaylight實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明,該方法能夠解決以上映射中的不足,簡(jiǎn)化了VTN網(wǎng)絡(luò)與底層網(wǎng)絡(luò)映射配置,提高了VTN的性能。
關(guān)鍵詞: SDN VTN VLAN映射 端口映射 MAC地址
Abstract:
Key words :

  摘  要: 基于SDN技術(shù)的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)(VTN)能夠使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)租戶(hù)提供互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)。VTN提供了VLAN映射端口映射用于將虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。其中VLAN映射需要對(duì)每個(gè)主機(jī)配置VLAN id,增加了映射的復(fù)雜性;端口映射時(shí)一旦出現(xiàn)交換機(jī)端口故障便不能成功映射。為解決上述問(wèn)題,本文提出了基于MAC地址映射方法,即通過(guò)主機(jī)的MAC地址直接與虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。通過(guò)搭建OpenDaylight實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明,該方法能夠解決以上映射中的不足,簡(jiǎn)化了VTN網(wǎng)絡(luò)與底層網(wǎng)絡(luò)映射配置,提高了VTN的性能。

  關(guān)鍵詞: SDN;VTN;VLAN映射;端口映射;MAC地址

0 引言

  隨著云服務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大,云計(jì)算服務(wù)提供商需要向大量租戶(hù)提供相互隔離的、具有質(zhì)量保證的虛擬網(wǎng)絡(luò),即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)(NaaS)模式[1]。傳統(tǒng)構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)具有一定的局限性。其中VLAN具有個(gè)數(shù)限制以及配置VLAN的交換機(jī)需要處理大量的虛擬機(jī)使得轉(zhuǎn)發(fā)表變得非常巨大[2]。IP覆蓋方法如VXLAN[3]、GRE方法[4],這些方法在新增虛擬機(jī)時(shí),虛擬交換機(jī)就要更新,缺少糾錯(cuò)工具使得覆蓋網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜。

  基于SDN技術(shù)的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)(Virtual Tenant Network,VTN)能夠很好地使得數(shù)據(jù)中心向多個(gè)租戶(hù)提供互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò),借助于SDN控制器掌握全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔阌谶M(jìn)行集中化控制[5]。解決虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)的映射問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)VTN的核心環(huán)節(jié),也是本文的研究重點(diǎn)。

  目前對(duì)VTN提供的端口映射、VLAN映射的研究相對(duì)成熟。參考文獻(xiàn)[5]提出的端口映射是指通過(guò)物理交換機(jī)的端口與虛擬網(wǎng)絡(luò)的虛擬交換機(jī)接口進(jìn)行映射,但網(wǎng)絡(luò)易受到物理交換機(jī)端口故障或主機(jī)入網(wǎng)位置變動(dòng)的影響。參考文獻(xiàn)[6]提出的VLAN映射是指根據(jù)數(shù)據(jù)流的VLAN id與虛擬交換機(jī)進(jìn)行映射,但需要對(duì)每個(gè)主機(jī)配置VLAN id且VLAN存在個(gè)數(shù)限制。

  本文在現(xiàn)有映射技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)基于SDN技術(shù)的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了基于主機(jī)MAC地址進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)的映射,并對(duì)基于主機(jī)MAC地址的映射方案進(jìn)行設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于MAC地址的映射機(jī)制具有一定的可行性,解決了物理交換機(jī)故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響,簡(jiǎn)化了VTN網(wǎng)絡(luò)與底層網(wǎng)絡(luò)映射的配置,提高了VTN的性能。

1 基于SDN的VTN技術(shù)

  1.1 VTN簡(jiǎn)介

  虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)(VTN)所解決的場(chǎng)景就是現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景。不同租戶(hù)需要不同的網(wǎng)絡(luò)配置,運(yùn)行不同的應(yīng)用程序。而這些需求將在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn),達(dá)到資源的共用。如果不建立虛擬網(wǎng)絡(luò),那么在同一物理網(wǎng)絡(luò)中分別針對(duì)不同租戶(hù)進(jìn)行配置和管理,情況將變得十分復(fù)雜[7]。

  本節(jié)主要介紹了VTN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。租戶(hù)將通過(guò)VTN應(yīng)用程序建立所需的虛擬網(wǎng)絡(luò),該虛擬網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)與物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行映射。其中與物理網(wǎng)絡(luò)映射是VTN的核心問(wèn)題,也是本文研究的重點(diǎn)。

  如1圖所示,VTN由兩個(gè)關(guān)鍵部分組成:VTN Coordinator和VTN manager。其中VTN manager向VTN Coordinator提供了建立虛擬網(wǎng)絡(luò)的APIs。該虛擬網(wǎng)絡(luò)由虛擬節(jié)點(diǎn)、虛擬鏈路、虛擬接口組成,如表1所示。

Image 001.png

  VTN協(xié)調(diào)組件向VTN應(yīng)用程序提供REST API,供用戶(hù)建立虛擬網(wǎng)絡(luò),當(dāng)虛擬網(wǎng)絡(luò)跨越多個(gè)SDN控制器網(wǎng)絡(luò)時(shí),支持多個(gè)控制器之間的合作配置,支持動(dòng)態(tài)添加控制器和刪除控制器。

  1.2 VTN網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)映射

  一旦租戶(hù)通過(guò)調(diào)用VTN接口建立虛擬網(wǎng)絡(luò),該虛擬網(wǎng)絡(luò)就能夠與物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行映射,VTN通過(guò)這些映射關(guān)系調(diào)用SDN控制器routing功能接口計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑,然后告訴SDN控制器的forwarding rules轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則功能模塊添加什么樣的流表,并通過(guò)SDN控制協(xié)議向各個(gè)交換機(jī)下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。

  VTN映射分為兩個(gè)方面:虛擬節(jié)點(diǎn)映射以及虛擬鏈路映射。VTN的鏈路映射問(wèn)題由SDN控制器決定,SDN控制器掌握全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约百Y源信息,根據(jù)自身的路徑計(jì)算功能,指定節(jié)點(diǎn)之間的路徑。因此本文只討論VTN的節(jié)點(diǎn)映射問(wèn)題。目前VTN節(jié)點(diǎn)映射方法包括以下兩種:

 ?。?)VLAN映射:利用網(wǎng)包的VLAN id與vBridge進(jìn)行映射。

 ?。?)端口映射:利用網(wǎng)包到達(dá)的物理交換機(jī)號(hào)、端口號(hào)、網(wǎng)包的VLAN號(hào)(如果沒(méi)有劃分VLAN,則VLAN id默認(rèn)為0)與虛擬網(wǎng)絡(luò)中的虛擬節(jié)點(diǎn)vBridge的接口進(jìn)行映射。

  這些映射配置完成后,VTN manager存儲(chǔ)這些映射關(guān)系,判斷數(shù)據(jù)流所屬的虛擬網(wǎng)絡(luò),并按照相應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

  圖2所示為虛擬交換機(jī)通過(guò)VLAN映射、端口映射與底層物理網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)進(jìn)行映射。

Image 002.png

  通過(guò)VLAN映射與端口映射都能夠使物理交換機(jī)與虛擬交換機(jī)相對(duì)應(yīng),但都具有一定的缺點(diǎn)。VLAN映射的缺點(diǎn)是每個(gè)主機(jī)都要進(jìn)行VLAN的配置,且VLAN有個(gè)數(shù)限制,使得網(wǎng)絡(luò)容量受限,不易擴(kuò)展。端口映射的缺點(diǎn)是當(dāng)虛擬網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和規(guī)模增大時(shí),端口映射表巨大,而且該種映射配置屬于靜態(tài)配置,一旦與物理交換機(jī)相連的主機(jī)位置改變或者物理交換機(jī)發(fā)生故障都會(huì)相應(yīng)地影響虛擬網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。

  為了改善以上映射的不足,本文提出基于MAC地址的映射。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  2.1 MAC地址映射模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)

  MAC地址映射,就是根據(jù)主機(jī)的MAC地址與虛擬交換機(jī)vBridge進(jìn)行映射。MAC地址映射過(guò)程如下:

 ?。?)與主機(jī)直接接入的物理交換機(jī)第一次收到來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)流時(shí),會(huì)將其封裝在packet-in中發(fā)給控制器。

  (2)控制器根據(jù)VTN manager中存儲(chǔ)的映射關(guān)系,判斷該數(shù)據(jù)流屬于哪個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò),根據(jù)該虛擬網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)則以流表的形式下發(fā)到物理交換機(jī)上。

  其中虛擬網(wǎng)絡(luò)的路徑是由VTN manager根據(jù)映射關(guān)系調(diào)用SDN控制器提供的路徑計(jì)算routing功能來(lái)計(jì)算,并把計(jì)算結(jié)果通過(guò)API調(diào)用SDN控制器提供的forwarding rules模塊,添加相應(yīng)的流表信息,然后forwarding rules模塊把要求發(fā)給相對(duì)應(yīng)的協(xié)議插件(protocol plugin),由協(xié)議插件打包信息發(fā)給底層交換機(jī)。

 ?。?)當(dāng)交換機(jī)收到轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則后,對(duì)該主機(jī)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。具體流程如圖3所示。

Image 003.png

  因此要實(shí)現(xiàn)MAC地址映射,VTN manager需要添加如下功能:

 ?。?)獲取主機(jī)信息,即SDN網(wǎng)絡(luò)下主機(jī)的MAC地址。

  (2)記錄分配給虛擬網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)MAC地址信息以及未分配的主機(jī)MAC地址。

 ?。?)為了防止其中一個(gè)已經(jīng)分配的主機(jī)再次分配給新的虛擬網(wǎng)絡(luò),需要對(duì)主機(jī)進(jìn)行標(biāo)記。

  (4)在已有的MapType中添加MacMap,即VTN manager可實(shí)現(xiàn)的三種類(lèi)型的映射。前兩種是端口映射、VLAN映射。

 ?。?)實(shí)現(xiàn)MacMap啟動(dòng)程序。

  當(dāng)MacMap機(jī)制啟動(dòng)后,屬于VTN網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)向Openflow交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包,VTN管理組件通過(guò)控制器向該Openflow交換機(jī)下發(fā)流表轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則,虛擬交換機(jī)vBridge具有自學(xué)習(xí)終端信息的能力,并配置MAC轉(zhuǎn)發(fā)表。最終使得VTN網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)能夠互相到達(dá)。

  2.2 MAC地址模塊實(shí)現(xiàn)

  本文在研究Opendaylight開(kāi)源控制器功能以及VTN manager功能基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了基于MAC地址虛擬網(wǎng)絡(luò)資源與物理網(wǎng)絡(luò)資源的映射。其中Opendaylight控制器提供了拓?fù)涔芾怼outing路由計(jì)算、forwarding rules流表添加模塊、Arphandler模塊等功能[8];VTN manager向用戶(hù)提供了構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)的資源,包括虛擬交換機(jī)、虛擬鏈路等,存儲(chǔ)用戶(hù)的物理資源與虛擬資源的映射信息,根據(jù)這些映射信息通過(guò)API調(diào)用routing功能接口,計(jì)算相應(yīng)的路徑,并通過(guò)控制器中的流表添加模塊添加相應(yīng)的流表,最后打包給底層物理交換機(jī)[9]。

  其中,在VTN manager中實(shí)現(xiàn)基于MAC地址映射需要實(shí)現(xiàn)如下功能:

 ?。?)獲取SDN網(wǎng)絡(luò)下主機(jī)信息,該功能通過(guò)調(diào)用SDN控制器提供的HostTrack功能接口實(shí)現(xiàn)。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下:

  public class host {

  public void GetHost() throws IOException, JSONException{

  JSONObject response=

  client.json(odl.resolve("hosttracker/default/hosts/active")).toObject();//解析控制器中hosttrack的信息

  JSONArray data=response.getJSONArray

 ?。?quot;hostConfig");

 ?。?)因?yàn)槲锢斫粨Q機(jī)處理的是幀,因此獲取主機(jī)信息后,需要記錄所有的主機(jī)MAC地址。然后對(duì)屬于或不屬于VTN網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)進(jìn)行記錄,創(chuàng)建MacMapConfig類(lèi),該類(lèi)作為MacMap機(jī)制的配置信息,指出了已經(jīng)分配的主機(jī)和沒(méi)有進(jìn)行分配的主機(jī)。通過(guò)列表來(lái)實(shí)現(xiàn)部分代碼如下:

  Public class MacMapConfig implements Serializable

  {Private final Set<DataLinkHost>allowedHosts=

  New HashSet<DataLinkHost>();//分配的主機(jī)

  Private final Set<DataLinkHost>deniedHosts=

  New HashSet<DataLinkHost>();//未分配的主機(jī)

  (3)應(yīng)用MacMapPortBusyLog類(lèi)來(lái)記錄該主機(jī)有沒(méi)有其他的映射。

  Public final class MacMapPortBusyLog{

  Private final MacVlan host;

  Private final NodeConnector port;

  //與主機(jī)相連的交換機(jī)端口

  Private final MapReferenceotherMap;

  //判斷該端口有無(wú)別的映射

 ?。?)在VTN manager提供的MapType中添加MacMap。部分代碼如下:

  Enummaptype

  {portmapping,vlanmapping,macmapping}

 ?。?)實(shí)現(xiàn)MacMap啟動(dòng)程序。當(dāng)與主機(jī)直接接入的物理交換機(jī)端口已經(jīng)映射,且該端口不存在其他映射則可啟動(dòng)。部分代碼如下:

  Public MacMapActivation(NodeConnectorport,PortMapreleased,boolean activated){...}

  以上功能是MacMap機(jī)制的主要功能,除此之外還需要其他一些補(bǔ)充,限于篇幅不再贅述。將MacMap一系列代碼結(jié)合VTNmanager功能以及Opendaylight控制器,可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的MacMap機(jī)制,最終以接口的形式供租戶(hù)進(jìn)行調(diào)用,即通過(guò)調(diào)用MacMap機(jī)制使得虛擬節(jié)點(diǎn)與物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行映射。

3 測(cè)試與分析

  3.1 測(cè)試環(huán)境

  服務(wù)器端:物理主機(jī)上運(yùn)行ubuntu12.04系統(tǒng),配置Java環(huán)境,安裝Opendaylight控制器,安裝VTN Manager。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)采用Mininet進(jìn)行模擬[10]。

  客戶(hù)端:物理主機(jī)上運(yùn)行ubuntu12.04系統(tǒng),配置Java環(huán)境,安裝myeclipse。其中myeclipse中導(dǎo)入了必要的控制器jar包、VTN manager.jar包以及MacMap機(jī)制下的代碼。

  3.2 測(cè)試步驟與結(jié)果分析

  (1)在服務(wù)器端運(yùn)行Opendaylight控制器,運(yùn)行VTN manager并用Mininet創(chuàng)建轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)(包括4臺(tái)主機(jī)、3臺(tái)openflow交換機(jī)),關(guān)閉Opendaylight控制器默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用,使得四臺(tái)主機(jī)彼此不可達(dá)。建立網(wǎng)絡(luò)的命令如下:

  Sudomn--controller=remote,ip=<controller-ip>--topotree,2

 ?。?)配置網(wǎng)絡(luò)使得客戶(hù)端與服務(wù)器端可連接,通過(guò)運(yùn)行myeclipse,打開(kāi)MacMap機(jī)制,使之運(yùn)行。通過(guò)調(diào)用控制器HostTrack功能接口得到四臺(tái)主機(jī)的MAC地址。

 ?。?)在服務(wù)器端的終端輸入命令實(shí)現(xiàn)如下流程:

  建立VTN1→在VTN中建立虛擬交換機(jī)vBridge1→建立MacMap。

  即調(diào)用MacMap接口使得h1的MAC地址、h3的MAC地址與虛擬交換機(jī)vBridge進(jìn)行映射,如圖4所示。命令如下:

  Curl-X PUT http://localhost:8080/controller/nb/v2/vtn/default/vtns/Tenant1/vBridge1/macmap-d′{“host1mac”:{4e:3a:e0:40:2c:5b},“host3mac”:{9e:3b:56:a7:4a:e7}}′

Image 004.png

  然后應(yīng)用mininet執(zhí)行h1和h3的ping操作。最終兩臺(tái)主機(jī)可以ping通,如圖5所示,h1和h3已被劃分在同一個(gè)VTN虛擬網(wǎng)絡(luò)中。

Image 005.png

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,VTN虛擬網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)指定的主機(jī)MAC地址使得與主機(jī)直接接入的物理交換機(jī)與虛擬交換機(jī)進(jìn)行映射,即使租戶(hù)的主機(jī)接入位置發(fā)生改變也不影響VTN網(wǎng)絡(luò),使得租戶(hù)可以靈活接入網(wǎng)絡(luò)。由于不需要額外對(duì)端口進(jìn)行固定配置,簡(jiǎn)化了VTN manager的能力。由于獲取主機(jī)信息可直接通過(guò)調(diào)用控制器提供的功能接口,使得虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)之間的映射變得簡(jiǎn)單。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的容量也得到一定的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

  本文通過(guò)研究基于SDN的虛擬租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)VTN技術(shù),分析了虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)之間的映射,提出了基于主機(jī)的MAC地址的映射方法,該方法解決了終端主機(jī)的移動(dòng)性問(wèn)題,對(duì)基于主機(jī)MAC地址的映射方案進(jìn)行了系統(tǒng)的描述,對(duì)MAC地址模塊進(jìn)行了技術(shù)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的基于MAC地址的映射方案具有一定的可行性,提高了VTN網(wǎng)絡(luò)的可靠性,簡(jiǎn)化了VTN映射機(jī)制。目前研究?jī)H限于在單SDN控制器下租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)的建立,未來(lái)還需繼續(xù)研究在多租戶(hù)技術(shù)下基于MAC地址映射機(jī)制建立VTN虛擬網(wǎng)絡(luò)。

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