移動核心網(wǎng)sdn技術(shù)的思考

移動核心網(wǎng)sdn技術(shù)的思考

該軟件程序定義網(wǎng)絡(luò)（sdn）的初衷是在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)驗(yàn)新的協(xié)議，并在控制和發(fā)表之間建立了關(guān)于寬宏度通信協(xié)議的協(xié)議。雖然業(yè)界各方在實(shí)現(xiàn)SDN的具體方法上仍然有分歧,但產(chǎn)業(yè)界關(guān)于利用SDN打造新型創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的共識在逐漸形成。SDN的概念也從簡單的實(shí)驗(yàn)新型協(xié)議發(fā)展演化成控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、軟硬件分離、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等一系列網(wǎng)絡(luò)能力軟化重構(gòu)的重要基礎(chǔ)。一個典型的SDN架構(gòu)如圖1所示。在這個架構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是SDN架構(gòu)的核心功能,它由SDN控制器組成的集群實(shí)現(xiàn)。控制器系統(tǒng)的南向接口與組成物理或者虛擬網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備連接,北向接口通過提供應(yīng)用編程接口(API)的形式給各類SDN應(yīng)用,以滿足不同網(wǎng)絡(luò)需求,例如流量工程、路由調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)隔離等。以此構(gòu)架為基礎(chǔ),Google部署OpenFlow協(xié)議解決了跨數(shù)據(jù)中心的流量工程,極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率,是SDN技術(shù)應(yīng)用的一個標(biāo)志性事件。之后全球運(yùn)營商紛紛進(jìn)行了SDN應(yīng)用的探索,涉及接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),大量最佳實(shí)踐隨之涌現(xiàn)。本文聚焦于SDN與移動通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,具體分析了移動通信網(wǎng)中能夠通過SDN解決的問題,提出可能的應(yīng)用方法,主要包含如下3個層面的內(nèi)容:(1)隨著移動網(wǎng)絡(luò)空口速率的增加和數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長,如何降低網(wǎng)絡(luò)成本、提高核心網(wǎng)的靈活性、減少移動網(wǎng)絡(luò)新功能的上線時間,是移動核心網(wǎng)研究過程中需要重點(diǎn)解決的問題。本文針對這一問題提出了分組域網(wǎng)關(guān)控制面進(jìn)一步分離以及面向用戶和業(yè)務(wù)的智能路由兩種設(shè)計思路。(2)針對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),本文分析了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中可能的SDN應(yīng)用場景,針對市場上已有的OpenFlow控制器和交換機(jī)進(jìn)行了功能和性能測試,分析了SDN短期應(yīng)用的可能性。(3)利用SDN能夠打造虛擬、隔離、具有彈性能力的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),以及把網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)以組件的形式提供給不同的網(wǎng)絡(luò)租戶,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)(NaaS)的愿景。本文分析了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)虛擬化的應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)。1技術(shù)增強(qiáng):新網(wǎng)絡(luò)能力的引入高流量是未來移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所必然面臨的挑戰(zhàn)。在2G/3G時代,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量尚沒有被完全激發(fā)。而在LTE時代,高速率的無線接入能力將大大激發(fā)用戶使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。另外,移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還面臨業(yè)務(wù)數(shù)量和種類繁多、部分業(yè)務(wù)友好性不可控、業(yè)務(wù)和流量具有不可預(yù)測性等挑戰(zhàn)。然而,傳統(tǒng)移動核心網(wǎng)的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與部署規(guī)劃性強(qiáng),擴(kuò)容及移動網(wǎng)絡(luò)新功能引入時間長。根據(jù)實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),移動網(wǎng)絡(luò)一種新功能引入的時間在3年以上,因?yàn)樾戮W(wǎng)絡(luò)能力的引入涉及到多個過程,包括標(biāo)準(zhǔn)方案的制訂、廠商設(shè)備的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)、軟硬件測試以及現(xiàn)網(wǎng)部署的規(guī)劃和調(diào)整。為提升網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性,縮短部署時間,同時也為尋求一種低成本擴(kuò)容方式,應(yīng)提升網(wǎng)絡(luò)的軟件化程度和可編程能力,進(jìn)而提高管理的集中化程度和對業(yè)務(wù)的開放化程度。SDN技術(shù)的出現(xiàn)或?qū)⒛茉谝欢ǔ潭壬峡朔苿雍诵木W(wǎng)應(yīng)對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)沖擊的不利因素。1.1sdn在移動集群中的核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的兩個設(shè)計理念SDN在移動分組域核心網(wǎng)應(yīng)用有兩種設(shè)計思路:(1)sae-gw的sdn控制器移動核心網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)-網(wǎng)關(guān)(SAE-GW)設(shè)備既提供用戶面數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能,也提供地址分配、承載控制、計費(fèi)等功能。隨著移動數(shù)據(jù)流量的急劇增長,低成本擴(kuò)容成為SAE-GW設(shè)備演進(jìn)的重要需求。從硬件平臺的角度來看,目前SAE-GW設(shè)備廠家采用不同的硬件平臺和軟件實(shí)現(xiàn),具有較高的設(shè)備采購成本。另外,從新的網(wǎng)絡(luò)能力部署來講,設(shè)備能力增強(qiáng)均依賴于原有廠家進(jìn)行軟件升級,甚至硬件升級,部署成本高,部署時間較長?？刂坪娃D(zhuǎn)發(fā)分離原理圖如圖2所示。借鑒SDN的思想,可以將SAE-GW中較為單一的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能獨(dú)立出來,由SDN三層架構(gòu)中的轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備承擔(dān)。SDN控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的管理及包轉(zhuǎn)發(fā)策略的下發(fā),SDN最上層的一個或多個應(yīng)用(APP)實(shí)現(xiàn)SAE-GW中的地址分配、承載控制等功能。這種功能重構(gòu)方式一方面可以促進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的通用化,降低網(wǎng)絡(luò)部署的成本;另一方面分離出的、軟件化的轉(zhuǎn)發(fā)控制以及基于轉(zhuǎn)發(fā)控制的軟件化的網(wǎng)元功能又提升了移動網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展及組網(wǎng)的靈活性。為了實(shí)現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離,仍有一些問題有待解決。例如,轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備可以基于通用平臺采用軟件方式實(shí)現(xiàn),也可以基于專有硬件實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備實(shí)現(xiàn),前者具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性,但是轉(zhuǎn)發(fā)性能較弱,后者具有較高的轉(zhuǎn)發(fā)性能,但是擴(kuò)展性較差。又如,如果考慮在SAE-GW中加入深度包檢測(DPI)功能,那么SAE-GW中DPI的實(shí)現(xiàn)方式有兩種思路,一種是由轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備承擔(dān),可較容易和直接地實(shí)現(xiàn)基于用戶和業(yè)務(wù)的流量處理策略,但是對轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的要求也較高;另一種是由控制面軟件實(shí)現(xiàn),降低轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的要求,但是增加了包在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。諸如上述這些問題,目前業(yè)界已有公司在進(jìn)行相關(guān)的測試驗(yàn)證工作。(2)主要任務(wù)和控制架構(gòu)隨著移動數(shù)據(jù)流量的迅猛增長,運(yùn)營商正在探索做好流量經(jīng)營之路,以提升數(shù)據(jù)流量的收入。對移動網(wǎng)絡(luò)而言,需要不斷構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)智能能力,以服務(wù)于流量經(jīng)營。這些能力包括:流量的識別和分析、內(nèi)容緩存、協(xié)議優(yōu)化、視頻優(yōu)化、頁面適配、流量壓縮等。為此,需要構(gòu)建一個開放的架構(gòu),以提升網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)的靈活性,降低網(wǎng)絡(luò)功能部署時間及部署成本。面向用戶和業(yè)務(wù)的智能路由原理圖如圖3所示。一方面,通過降低網(wǎng)絡(luò)智能能力之間的耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)智能能力的獨(dú)立部署和靈活擴(kuò)展;另一方面,SDN控制和轉(zhuǎn)發(fā)的分離實(shí)現(xiàn)了包轉(zhuǎn)發(fā)策略的靈活構(gòu)建與更新,借助SDN可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能能力的不同組合業(yè)務(wù)鏈,以滿足不同用戶和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流處理的不同需求。在開放架構(gòu)中,如何科學(xué)地劃分網(wǎng)絡(luò)智能能力、設(shè)計不同組合業(yè)務(wù)鏈,高效地完成數(shù)據(jù)包所需處理,是目前業(yè)界關(guān)注的問題。1.2w支持gtp-u方案對于面向用戶和業(yè)務(wù)的智能路由的場景,其新增功能基本通過標(biāo)準(zhǔn)SDN架構(gòu)來實(shí)現(xiàn),并且其位于分組域網(wǎng)關(guān)功能之后,對分組域現(xiàn)有功能的影響不大。相反,控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的場景卻會引發(fā)新的接口定義問題。服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)(PGW)在用戶面所采用的協(xié)議是通用分組無線業(yè)務(wù)隧道協(xié)議(GTP-U),目前OpenFlow等SDN南向接口協(xié)議均沒有對GTP-U協(xié)議的處理功能,包括GTP-U的隧道建立、終結(jié)以及監(jiān)控GTP-U隧道內(nèi)部的數(shù)據(jù)流等。無論是采用專用硬件還是虛擬化軟件方式來實(shí)現(xiàn)支持GTP-U處理的轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備,在控制器與轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備之間的接口都需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。一種思路是增強(qiáng)OpenFlow等SDN南向接口協(xié)議支持下發(fā)GTP-U的控制流表,另一種思路是轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備將無法識別的GTP-U報文全部交由控制器來做處理。相比前者,后者的優(yōu)勢是不需要轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備支持位于應(yīng)用層的GTP-U協(xié)議,也不需要升級南向接口協(xié)議支持GTP-U流表下發(fā),但弊端比較明顯,即在大流量下,控制器有形成“瓶頸”的風(fēng)險。因此目前業(yè)界已有公司推薦采用第一種思路。2sdn用于ip網(wǎng)絡(luò)2.1中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計云計算數(shù)據(jù)中心是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展最快、技術(shù)種類提出最多的領(lǐng)域之一。特別是在公眾服務(wù)云中,采用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)方式為用戶提供數(shù)據(jù)隔離的承載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足不斷更新的需求。一方面由于VLAN數(shù)目有限;另一方面,用戶希望能夠像租賃虛機(jī)、存儲等資源一樣,靈活地申請?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)資源,包括IP地址資源、帶寬資源、防火墻和負(fù)載均衡器等網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)資源。因此新型的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備四大能力:·能夠提供數(shù)量可擴(kuò)展的隔離網(wǎng)絡(luò)·能夠?yàn)椴煌淖鈶籼峁┛芍貜?fù)使用的IP地址資源·能夠?yàn)椴煌淖鈶舴峙鋷捒杀ＷC的虛擬網(wǎng)絡(luò)·能夠?yàn)椴煌淖鈶籼峁椥缘姆阑饓拓?fù)載均衡功能模塊SDN架構(gòu)能夠較好實(shí)現(xiàn)上述能力。SDN網(wǎng)絡(luò)中南向接口主要采用OpenFlow協(xié)議,底層交換機(jī)基于流表轉(zhuǎn)發(fā),不同租戶網(wǎng)絡(luò)的隔離在控制器上進(jìn)行區(qū)分,如控制器根據(jù)VLAN、IP、MAC、四層端口號等組合參數(shù),將用戶劃歸到一個邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)中,并計算流表下發(fā)給相應(yīng)的底層OpenFlow交換機(jī)。在區(qū)分多租戶重復(fù)IP地址等資源的問題上,集中控制的控制器網(wǎng)元可結(jié)合標(biāo)簽技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在為租戶分配帶寬方面,SDN架構(gòu)具備優(yōu)勢:通過APP獲取全局帶寬利用情況、集中計算轉(zhuǎn)發(fā)路徑并經(jīng)控制器下發(fā)至相關(guān)的交換機(jī)。在OpenFlow1.3標(biāo)準(zhǔn)中,也增加了“FlowMeter”參數(shù),專門用于統(tǒng)計基于流的帶寬利用情況。然而從目前主流廠家的測試情況看,OpenFlow交換機(jī)都不支持帶寬參數(shù)獲取能力,相關(guān)的路徑計算APP也沒有成型產(chǎn)品,還處于開發(fā)中。在網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)提供方面,SDNAPP和控制器共同對流量流向的統(tǒng)一調(diào)度,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈的功能,按需按序?qū)⒘髁空{(diào)度至負(fù)載均衡器、防火墻等網(wǎng)元。同樣,該部分應(yīng)用目前較為欠缺。2.2sdn解決跨數(shù)據(jù)中心流量調(diào)度問題數(shù)據(jù)中心流量分為南北向流量和東西向流量。南北向以用戶訪問數(shù)據(jù)中心內(nèi)容為主,東西向流量包括主要指數(shù)據(jù)中心內(nèi)或跨數(shù)據(jù)中心同步、備份以及CDN推送流量等。其中數(shù)據(jù)中心之間流量主要采用互聯(lián)網(wǎng)承載。一方面,互聯(lián)網(wǎng)流量突發(fā)性大的特征導(dǎo)致同步流量的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量無法保證;另一方面,按照現(xiàn)有的路由協(xié)議,無法做到基于鏈路負(fù)載情況進(jìn)行路由。因此存在部分鏈路擁塞,整網(wǎng)利用率不高的問題。SDN架構(gòu)的流量工程組網(wǎng)方案可解決上述問題,并提高帶寬利用率。SDN解決跨數(shù)據(jù)中心流量調(diào)度問題原理圖如圖4所示。SDN通過集中控制器感知鏈路帶寬利用率,收集、分析全網(wǎng)流量分布情況,匯總整理后,通過API接口發(fā)送至流量工程服務(wù)器。流量工程服務(wù)器統(tǒng)一計算、調(diào)配可用鏈路,并生成轉(zhuǎn)發(fā)路徑下發(fā)給集中控制器。集中控制器(或本地控制器)轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行流表下發(fā)給SDN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。目前,在廠家的方案中,OpenFlow交換機(jī)對帶寬的統(tǒng)計能力不足和流量工程APP無成型產(chǎn)品造成了該方案難以大規(guī)模應(yīng)用。從具體的定量指標(biāo)來看,我們通過實(shí)驗(yàn)室測試初步考察了一些廠家目前能夠提供的OpenFlow交換機(jī)和控制器的性能。主要測試了兩個指標(biāo),一個是OpenFlow交換機(jī)的流表容量,另外一個是流表的學(xué)習(xí)時間(秒/千條)。OpenFlow交換機(jī)只有滿足基準(zhǔn)值才具有實(shí)際意義(基準(zhǔn)值參考目前數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的能力)。3隧道封裝技術(shù)高效和低成本的云計算數(shù)據(jù)中心技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)提供虛擬化的能力,一方面使得多個租戶能夠共享物理網(wǎng)絡(luò)資源,利用隧道封裝技術(shù)在物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一張?zhí)摂M疊加網(wǎng)絡(luò),另一方面能夠把網(wǎng)絡(luò)的提供的服務(wù)虛擬化成一種服務(wù)提供給網(wǎng)絡(luò)租戶,提供彈性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。SDN是一種靈活控制網(wǎng)絡(luò)的方法,這種方法的出現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的虛擬化能夠更加便捷和低成本地實(shí)現(xiàn)。3.1采用網(wǎng)絡(luò)能力的限制云計算數(shù)據(jù)中心給基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提出了很多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先是VLAN數(shù)量問題,傳統(tǒng)的VLAN只能支持4096個相互分割的網(wǎng)絡(luò),這個數(shù)量在公有云的多租戶環(huán)境中顯然是不夠的,因此業(yè)界提出了VxLAN、NVGRE、STT等多種解決VLAN數(shù)量限制的方法。其次,數(shù)據(jù)中心大量的虛擬機(jī)的聯(lián)網(wǎng)需求使得二層網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模持續(xù)增大,但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中二層網(wǎng)絡(luò)的生成樹協(xié)議無法支持多路徑,浪費(fèi)了大量的二層網(wǎng)絡(luò)資源。再次,QoS能力的支持問題也日漸凸顯,公有云租戶的對外通信帶寬和內(nèi)部虛擬機(jī)服務(wù)器的帶寬都需要有QoS的保障才能更好地為網(wǎng)絡(luò)租戶服務(wù)。最后,彈性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力,例如防火墻、復(fù)雜均衡等網(wǎng)絡(luò)能力如何動態(tài)適應(yīng)租戶的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和連接,這些網(wǎng)絡(luò)能力的提供不僅能給用戶帶來業(yè)務(wù)開展上的便利,也是提高云計算數(shù)據(jù)中心服務(wù)區(qū)分度的重要方法。由于SDN提供了靈活控制網(wǎng)絡(luò)的方法和協(xié)議,其目標(biāo)也是要做成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),以便靈活地調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源,提高資源的利用率,與網(wǎng)絡(luò)虛擬化的需求不謀而合,是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的利器。3.2資源調(diào)度和虛擬疊加技術(shù)針對上述網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和服務(wù)提供的具體問題,網(wǎng)絡(luò)虛擬化對應(yīng)有幾個層次。首先最基礎(chǔ)的是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力的虛擬化,實(shí)現(xiàn)在物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建疊加網(wǎng)絡(luò),并且相互隔離。網(wǎng)絡(luò)虛擬化愿景如圖5所示。虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在物理資源網(wǎng)絡(luò)上,不同的租戶網(wǎng)絡(luò)之間可能共享同一塊物理資源,但是邏輯上分離。其次是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的虛擬化,包括帶寬、QoS、防火墻、負(fù)載均擔(dān)服務(wù)等,一方面配合云計算服務(wù)提供對應(yīng)的服務(wù)保證,另一方面把這些網(wǎng)絡(luò)基本能力提供給數(shù)據(jù)中心的租戶,避免用戶重復(fù)建設(shè)。最后,網(wǎng)絡(luò)虛擬化還能夠給網(wǎng)絡(luò)租戶提供靈活動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度,租戶的服務(wù)器能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的負(fù)載情況加載到不同區(qū)域的物理服務(wù)器上,同時能構(gòu)建虛擬的局域網(wǎng),還能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)租戶當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求動態(tài)的調(diào)整給其分配的網(wǎng)絡(luò)資源。彈性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是云計算數(shù)據(jù)中心租戶的切實(shí)需求。在圖6中顯示了一個網(wǎng)絡(luò)租戶動態(tài)加載服務(wù)的例子。在該租戶的系統(tǒng)中,有Web服務(wù)器、中間件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,而且與該用戶的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)邏輯分割(VLAN或者VXLAN等)。用戶在提交需求的時候不必關(guān)注每個對應(yīng)的服務(wù)器當(dāng)前分別加載到哪些物理服務(wù)器,調(diào)度過程將直接交給由SDN來完成。SDN根據(jù)當(dāng)前不同區(qū)域的物理服務(wù)器的負(fù)載來確定虛擬機(jī)分別加載到哪些服務(wù)器上,然后由SDN控制器來給這些服務(wù)器構(gòu)建起虛擬和邏輯上分割的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)該租戶的系統(tǒng)需要更加復(fù)雜的增值服務(wù)時,例如防火墻、負(fù)載均衡等,可以通過SDN構(gòu)建必要的虛擬網(wǎng)絡(luò)連接。進(jìn)一步地,如果用戶的業(yè)務(wù)量發(fā)展,連接請求從百萬級上升到千萬級,需要新增虛機(jī)和防火墻的處理能力也可以通過SDN來靈活調(diào)度。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化也需要多重技