基于OpenFlow的簡化云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
0 引言
云計(jì)算具有靈活、可擴(kuò)展、容錯性強(qiáng)等特征。現(xiàn)有的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常復(fù)雜，一個數(shù)據(jù)中心包括防火墻、以太網(wǎng)交換機(jī)、服務(wù)器負(fù)載均衡器、服務(wù)控制引擎和入侵檢測等模塊。對于每一次的服務(wù)都需要涉及到較多的設(shè)備。云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)和簡化。簡化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須易于維護(hù)、配置，能夠提供良好的服務(wù)，且具有較高的安全性。本文采用OpenFlow技術(shù)建立了一種簡化的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。防火墻、服務(wù)器負(fù)載均衡器和以太網(wǎng)交換機(jī)都可以在一個設(shè)備上通過程序來模擬實(shí)現(xiàn)。這種新的綜合設(shè)備易于構(gòu)建、編程和管理，同時簡化的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將降低運(yùn)營成本，提高云數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營靈活性。
1 現(xiàn)有的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
現(xiàn)有的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在服務(wù)層有很多不同的元素，包括路由器、防火墻、以太網(wǎng)交換機(jī)、光纖通道交換機(jī)和服務(wù)器負(fù)載均衡器等設(shè)備[1]。云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)使用防火墻來保護(hù)服務(wù)器和存儲器，防火墻的功能為允許或拒絕基于一個規(guī)則集的網(wǎng)絡(luò)傳輸。負(fù)載均衡器實(shí)現(xiàn)各服務(wù)器之間的負(fù)載共享。
在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)中心包含許多服務(wù)設(shè)備。該數(shù)據(jù)中心通過核心路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過一個匯聚層聚合服務(wù)層設(shè)備。服務(wù)層設(shè)備包括防火墻、負(fù)載均衡器等。所有的服務(wù)層設(shè)備連接到匯聚層，并通過匯聚層設(shè)備進(jìn)行交換或路由。用戶可以靈活地提交業(yè)務(wù)，基于每個服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以是不同的。一些用戶可以選擇負(fù)載均衡服務(wù)和防火墻服務(wù);另一些用戶則可以根據(jù)固定的業(yè)務(wù)量，選擇靈活的計(jì)費(fèi)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以根據(jù)所提供業(yè)務(wù)的不同而變化。接入層包括虛擬接入設(shè)備、服務(wù)器和存儲器。接入層提供服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)之間的物理連接。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配置非常復(fù)雜，不易操作。
2 OpenFlow技術(shù)
OpenFlow[2-3]是2007年9月由斯坦福大學(xué)提出的一種未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。OpenFlow技術(shù)的目標(biāo)是允許研究人員在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)的方案。為了維護(hù)和支持OpenFlow的規(guī)范，2008年相關(guān)研究人員在斯坦福大學(xué)建立了OpenFlow交換機(jī)論壇。OpenFlow作為一個功能模塊添加到現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)、IPv4路由器和WiFi接入點(diǎn)上，其擁有一個內(nèi)部流表[4]和標(biāo)準(zhǔn)化的接口，用來添加和刪除流表項(xiàng)。OpenFlow交換機(jī)論壇定義了流表和OpenFlow控制器，能夠通過遠(yuǎn)程遙控器來控制OpenFlow設(shè)備。
在傳統(tǒng)的交換機(jī)或路由器中，數(shù)據(jù)平面的報文轉(zhuǎn)發(fā)和控制平面的路由處理決定都是在同一臺設(shè)備上進(jìn)行。主機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理功能在一起，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變的復(fù)雜而且不靈活。OpenFlow采用“Clean slate”的將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的設(shè)計(jì)方法。在一般情況下，數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)報文處理和轉(zhuǎn)發(fā)，而控制平面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的處理。外部的OpenFlow控制器負(fù)責(zé)管理控制平面。有了此功能，研究人員可以實(shí)時地在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行創(chuàng)新的協(xié)議，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案，而不必受制于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出自不同的廠商。通過 OpenFlow協(xié)議，OpenFlow控制器控制流表和交換機(jī)的狀態(tài)，以及流信息。OpenFlow的可編程特性使網(wǎng)絡(luò)管理員可以動態(tài)地配置和管理 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)，從而提高管理和維護(hù)的效率。
3 基于OpenFlow技術(shù)的簡化云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
基于OpenFlow技術(shù)的簡化云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合、按需供給和安全網(wǎng)絡(luò)三方面。
3.1 云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合
采用一個新的網(wǎng)絡(luò)整合設(shè)備以簡化云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這種簡化的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)可以提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)的效率，減少工作量。
使用OpenFlow技術(shù)以鞏固原有的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。傳統(tǒng)的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心匯聚層處于第二層和第三層的邊界上，數(shù)據(jù)中心包含防火墻和服務(wù)負(fù)載均衡器等。新提出的架構(gòu)使用單一的OpenFlow設(shè)備。OpenFlow設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)所有匯聚層的交換特性和服務(wù)層的服務(wù)功能，包括防火墻、服務(wù)負(fù)載均衡器等功能。這些服務(wù)層的功能通過軟件和配置實(shí)現(xiàn)，并提供給OpenFlow，通過OpenFlow的協(xié)議和控制器接口進(jìn)行交換。OpenFlow控制器的接口定義了添加、刪除、修改和獲取信息等操作功能的流表。
OpenFlow設(shè)備的鏈路狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)信息、流表和鏈路利用率可以很方便地通過控制器的接口進(jìn)行監(jiān)測。基于12元組流表配置，OpenFlow交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)防火墻、負(fù)載均衡器、交換機(jī)等功能。服務(wù)功能可以通過OpenFlow控制器部署和配置，并放置在OpenFlow控制器之外。不是所有的數(shù)據(jù)包都必須傳遞到OpenFlow控制器進(jìn)行處理，在此架構(gòu)中，流表對防火墻功能的配置可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行預(yù)定義。與這些預(yù)定義相匹配的數(shù)據(jù)包不會傳遞到OpenFlow控制器，因此 OpenFlow控制器不需要處理大量的工作。
3.2 按需供給
云計(jì)算能夠靈活地對虛擬化資源進(jìn)行按需供給。當(dāng)用戶預(yù)訂時，云計(jì)算服務(wù)、虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將立即響應(yīng)這些請求，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)提供服務(wù)功能。另一方面，采用OpenFlow技術(shù)能夠提供動態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，OpenFlow設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是具有可編程、易于設(shè)置和按需配置等特性的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。
按需供給的云計(jì)算服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。首先，客戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問門戶網(wǎng)站，該門戶網(wǎng)站具有服務(wù)平臺和網(wǎng)絡(luò)平臺。云服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必須由云提供商來提供。云服務(wù)包括虛擬機(jī)、 IP多媒體子系統(tǒng)以及Hadoop;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包括流計(jì)費(fèi)、分布式拒絕服務(wù)(DDoS)攻擊防御和防火墻等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。一旦用戶提交云服務(wù)，訂閱的服務(wù)將會立即提供。OpenFlow控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的在線供給技術(shù)，用戶提交訂閱的服務(wù)后，云服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能將會立即提供相關(guān)服務(wù)。
3.3 安全網(wǎng)絡(luò)
安全問題一直是云計(jì)算的主要問題，關(guān)于安全的議題科研人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。本文專注于身份管理和可用性，以提高云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全的能力。身份管理可以讓每一個客戶端都有自己的身份來訪問云服務(wù)。通常身份驗(yàn)證是在服務(wù)器側(cè)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)安全由數(shù)據(jù)中心的入侵檢測系統(tǒng)(IDS)和入侵防御系統(tǒng)(IPS)負(fù)責(zé)。攻擊者對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行攻擊時，其流量將占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，因此該解決方案效率較低。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有檢查每個數(shù)據(jù)包身份的能力，就沒有必要將身份數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行確認(rèn)。在OpenFlow控制器端，OpenFlow交換機(jī)可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的身份，只有擁有有效身份證件的數(shù)據(jù)包才會允許通過。
另一方面，可用性保證客戶端能夠正常地訪問云服務(wù)。許多安全威脅，例如IP欺騙、DDoS攻擊、病毒感染等，會嚴(yán)重危害云服務(wù)，甚至導(dǎo)致其停止服務(wù)。在OpenFlow控制器端實(shí)現(xiàn)了基于OpenFlow的DDoS攻擊防御[5]，同時在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)上部署IPS防止入侵。
云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的安全部署集成了按需供給應(yīng)用，如圖2所示。一旦客戶端的云服務(wù)請求被批準(zhǔn)，客戶端的ID將在OpenFlow控制器進(jìn)行注冊，并在 OpenFlow交換機(jī)添加相應(yīng)項(xiàng)。只有可識別的信息才能傳遞給服務(wù)器。當(dāng)OpenFlow交換機(jī)接收到的數(shù)據(jù)包與流表不匹配時，該數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到 OpenFlow控制器。控制器將驗(yàn)證其ID是否在許可的客戶端名單上。如果ID已經(jīng)被注銷或者無效，則該數(shù)據(jù)包將被丟棄或發(fā)送給安全設(shè)備(如IDS或 IPS)，作進(jìn)一步檢查。作為一個高度安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)必須具有OpenFlow的ID驗(yàn)證、DDoS攻擊防御和IPS設(shè)備等功能。
4 簡化云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的簡化云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用OpenFlow交換機(jī)來替換現(xiàn)有的負(fù)載均衡器、防火墻和以太網(wǎng)交換機(jī)。這種實(shí)現(xiàn)方案可以簡化云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
OpenFlow 交換機(jī)必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)和訪問控制列表(ACL)等基本功能以取代防火墻。首先，服務(wù)器的IP地址是私有IP地址，所以需要NAT功能變換公網(wǎng)IP地址為私有IP地址。其次，需要實(shí)現(xiàn)ACL功能，OpenFlow交換機(jī)流表中有12個元組，可以靈活地為ACL功能設(shè)置特定的規(guī)則。通過實(shí)現(xiàn) NAT和ACL功能來代替防火墻。
還需要OpenFlow交換機(jī)具有負(fù)載均衡功能。對于同時向同一個服務(wù)器發(fā)送相同請求的情況，實(shí)現(xiàn)平均分配各個請求到多個服務(wù)器，各服務(wù)器對請求提供相同的服務(wù)。其結(jié)果為相同請求的吞吐量將平均發(fā)送到多個服務(wù)器。通過原來的以太網(wǎng)交換機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)了簡化的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能。
5 結(jié)論
近年來云計(jì)算已經(jīng)成為最熱門的話題之一。原來的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，簡化的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全性、敏捷性，整合能源效率。該架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合、按需供給和安全性。
參考文獻(xiàn)
[1] 寧軍. 云計(jì)算趨勢對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的影響[J]. 信息通信技術(shù), 2013(1):38-41.
[2] MCKEOWN N, ANDERSON T, BALAKRISHNAN H, et al, OpenFlow: enabling innovation in campus networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2008,38(2):69-74.
[3] 蔡進(jìn)科,顧華璽,盧冀,等. 基于Openflow 網(wǎng)絡(luò)的高可靠性虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2014,36(2):396-402.
[4] 朱永慶,陳華南,唐宏. 基于OpenFIow協(xié)議的 MSE 設(shè)備實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 電信科學(xué), 2013,29(12):134-138.
[5] YUHUNAG C, MINCHI T,YaoTing C,et al. A novel design for future on-demand service and security[C]. 2010 IEEE 12th International Conference on Communication Technology, 2010:385-388.
