SDN在行业数据中心的应用研究

王晓闻

摘 要：随着4G时代的到来，网络数据流量每天都在以惊人的速度增长，数据中心的传统分布式网络架构已经难以处理海量数据，不断出现数据流量拥堵，降低了数据中心的业务效率。运用SDN技术，可以提升数据中心的性能，降低数据中心对网络的管理难度，缓解数据流量拥堵，并节约大量运营管理成本。文章對SDN在行业数据中心的应用展开研究。

关键词：SDN；行业数据中心；数据架构

1 传统网络架构与SDN

1.1 传统网络架构

传统网络架构实行分布式控制，依赖路由器与交换机等网络设备控制网络流量并转发数据，数据面和控制面高度耦合，控制与数据转发集中在一起。在这些网络设备中，集成了各厂商各自设计、开发的操作系统与专用硬件，它们与网络业务特性高度耦合（包括BGP，OSPF，MPLS，NAT等许多种复杂业务），厂商事先定义转发设备的策略，用户不能进行自定义修改。

1.2 SDN

SDN是一种新型网络创新架构，它通过OpenFlow分离网络设备的控制面与数据面，由一个独立的集中式控制器单独运行网络设备的控制面，通过它驱动网络运行并管理、控制网络；通过这个集中式控制器上的软件平台还可以对基础硬件实现可编程化控制。SDN的核心理念是对网络进行软件编程，利用网络的可编程性实现网络虚拟化，根据实际需要暨实际情况的变化，灵活调配网络资源[1]。

1.3 传统网络架构的缺陷

目前，国内主要网络设备厂商大约有20家（著名的有中兴、华为、思科），他们生产的网络设备类型众多，标准不一，互不兼容，用这些不同厂家的路由器和交换机统一配置网络非常困难，管理就更麻烦[2]。

传统分布式网络架构采用路由协议互交路由信息，无法对整个网络进行实时流量控制，只能对带宽进行静态分配。

路由器工作方式是事先设计好的，不能修改源IP地址与目的IP地址。用户也不能通过软件增加网络设备的功能。

1.4 SDN与传统网络架构的比较优势

SDN只需路由器通过最小的数据通路转发数据，降低了硬件的复杂性；SDN让用户可以根据需要修改路由器协议，提升了网络架构的敏捷性与灵活性。

1.5 SDN技术发展现状

目前，Openflow协议已经推出1.5版，但从整体上来看，SDN的部署规模并不大，只有少数用户部署SDN超过了2年。OpenDaylight，ONOS和OPNFV等开源项目各自提出不同的SDN控制器方案；SDN控制器北向接口尚未形成业界公认的工业化标准，南向接口协议也没有形成相对稳定的版本，不同厂商的硬件交换机和SDN控制器很难实现互通。业内预计至少还得再过3年SDN技术才可能出现规模化发展。

2 传统行业数据中心面临发展瓶颈

2.1 数据中心

数据中心是提供各种网络数据业务（数据处理、数据交换、数据储存）的服务中心。它由计算机系统、通信系统、数据储存系统暨电气、制冷设备、管理设备组成。采用INTERNET与无线移动方式接入互联网，要求机房温度、温度每天都必须保持在一定范围之内。2017年，我国数据中心总数已经接近100万座，以小型数据中心居多，主要分布在东部一线城市。

数据中心是互联网的一部分，不能脱离互联网单独存在，所以，我们可以将数据中心视为互联网分工（细分化、专业化）的新发展。反过来，数据中心又打破了不同企业间的信息壁垒，扩展了互联网的高度、深度和广度，促进了互联网的发展。

2.2 传统行业数据中心发展面临数据架构瓶颈

自互联网于20世纪90年代兴起以来，人类创造信息的数量便在呈几何级数爆炸式增长。目前，国内所有的数据中心都面临着信息爆炸的严峻挑战（云计算、大数据、物联网已经远远超出了数据中心设计负载的上限），不得不投入更多的硬件存储数据，投入更多的服务器转发数据，并千方百计提高现有系统处理数据能力，加大每天的数据吞吐量。随之带来的是耗能巨大、资金紧张、空间有限、管理困难、人才短缺、网络设备不兼容、软件升级困难、运维难度大等一系列问题[3]。

当前，行业数据中心普遍沿用传统网络架构，路由器、交换机、应用软件、系统软件高度集成耦合，数据面与控制面统一，形成封闭式结构，进行分布式控制。这种网络架构难以适应大数据的发展，已经成为束缚数据中心发展的瓶颈。

首先，由于数据流量总在变化之中，而网络架构却是固定不变的，所以各台服务器之间难以实现流量均衡，经常发生网络拥堵，甚至吞吐量崩溃；由于控制面与数据面集中在一起，服务器的内存利用率接近饱和，而CPU利用率在10%以下（甚至3%），且不能均衡配置数据层与应用层的负载；由于实行分布式控制，链路资源利用率一般只有30%。

其次，目前网络设备交换能力最高只能达到GB级，而数据中心每天数据吞吐量达到了TB级（这还没有包括暂时没有接入数据中心的移动无线通信的海量数据），已经难以适应4G时代。而在城市土地价格年年恶性上涨的情况下，继续买下更多的场地，更多的路由器、服务器、交换机来扩大数据中心规模的粗放式发展模式已经不可取。于是只好求助越来越复杂的智能算法分配数据流量，结果就是数据中心的网络拓扑结构越来越复杂，大大降低了网络的稳定性与灵活性。

最后，数据中心拥有的网络资源在不断增长，而分布式设计决定了网络架构不可能及时跟上并全方位覆盖这些新的网络资源；分布式设计更造成了数据中心的网络控制面不能统一，不同执行架构、安全架构、运维架构叠床架屋，增大了系统的脆弱性。由于缺乏统一的网络控制面，也就不能对整个网络实行实时、动态的全面流量控制，不能灵活修改路由协议与网络参数，造成了大量系统资源与带宽资源的闲置与浪费，同时，另一些服务器却出现数据堵塞、吞吐量崩溃。

3 在行业数据中心应用SDN

目前，对于是否应在行业数据中心引入、应用SDN，业内争议非常大。反对者认为：在数据中心部署SDN，需要设计、更新专用交换芯片，进行全面的系统升级，成本过高；SDN同时维持多张逻辑网络，路由分配算法的程度复杂度与运算量呈几何指数增长，国内中小企业用户尚不具备如此高的编程能力；此外，国内中小企业大多没有1 000台以上的服务器，部署SDN毫无意义；SDN北向接口与南向接口协议都缺乏标准化，各主流厂商之间的SDN解决方案各行其是，数据中心很难从中进行选择；SDN实行集中式控制，一旦遭到攻击就会单点失效，造成网络结构崩塌；我国数据中心平均规模较小，大多未接入云计算，难以充分发挥SDN的作用。

但我们认为，在大型、超大型数据中心应用SDN，还是很有必要的。

首先，互联网的发展已经证明，网企一直在不断地自我更新、自我提高、自我淘汰、自我升级之中，淘汰率极高。因此，我们可以预见国内现有的100万家数据中心很快将经历一次彻底的大洗牌（5G时代即将到来，且数据中心面临着从IPv4协议向IPv6协议的升级）。如果数据中心想在激烈的互联网企业竞争中活下去，就必须敢于改革，敢于升级，敢于冒险引进新技术。

其次，在数据中心应用OpenFlow技术（已有成功的案例），分离控制面与数据面，可以实现对网络流量的实时控制，变粗放式网络控制为精细式网络控制，提高链路资源利用率（实践证实：可提高3倍），解决网络流量长短流竞争，且大大降低网络拓扑设计的难度，减少数据中心扩容成本，并向高端用户暨外商提供个性化网络应用，延伸数据中心的产业链。

尽管SDN目前仍然不成熟，不完善，标准不统一，但反对在国内数据中心部署SDN的理由，却主要是为了保护国内数据中心落后的软硬件，保护既得利益，而忽视了当前我国数据中心亟待大规模全面升级，忽视了国内中小企业存活率不高，它们或早或晚或主动或被动必将进行全面技术转型升级，忽视了中国将全面融入全球化，迎接国际网企的竞争。我们可以展望，在数据中心中部署、应用SDN，将极大地节约数据中心运营成本，降低电能消耗，方便用户快捷访问云端数据，方便用户自主分析、处理数据并进行数据云计算，增强数据中心的生命力。

4 结语

数据中心的出现实现了数据存储与计算机系统的分离，SDN的出现实现了数据面与网络控制面的分离；而SDN技术在数据中心的应用，最终必将实现数据中心智能化管控：人与网络控制的分离。

[参考文献]

[1]毛柯平，王波.SDN在行业数据中心的应用研究[J].科技经济导刊，2018（18）：22，24.

[2]黃金泽.SDN在金融数据中心网络中的运用[J].电子技术与软件工程，2018（6）：9.

[3]彭江强，沙磊，匡荣强.SDN在云数据中心的应用[J].邮电设计技术，2018（3）：68-71.