SDN中“軟件”如何定義“網(wǎng)絡(luò)”

　　ICCSZ訊   SDN(Software Defined Network)軟件定義網(wǎng)絡(luò)，字面釋義都說了是“軟件”來定義“網(wǎng)絡(luò)”，但有心之人會想：這個(gè)“軟件”到底是如何定義了我們所熟知的“網(wǎng)絡(luò)”?字字珠璣，今天就來扒一扒，這“軟件”到底是如何定義這“網(wǎng)絡(luò)”。

　　眾所周知，SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)，核心思想就是所謂的“轉(zhuǎn)發(fā)、控制分離”，正所謂一談SDN必談“轉(zhuǎn)發(fā)、控制”，一傳十十傳百，口口相傳。當(dāng)我們這些產(chǎn)品經(jīng)理到客戶現(xiàn)場交流SDN時(shí)，或許客戶也能娓娓道來“轉(zhuǎn)發(fā)、控制、分離”。但事實(shí)是怎么樣呢，不妨我們以SDN為題做個(gè)頭腦風(fēng)暴，看看談到SDN我們都想到了哪些關(guān)鍵詞，并以此來總結(jié)出SDN幾大特征庫。

　　SDN，也許你能想到這些：

　　歸結(jié)起來是這樣幾大特征：

　　Controller控制器集中控制：集中式/分布式控制器無非是把原本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從孤立的單點(diǎn)做了橫向的擴(kuò)張，將所有SDN化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一被控制。這就好比將N臺SDN小交換機(jī)“揉”成一臺SDN大交換機(jī)，統(tǒng)一管理，統(tǒng)一配置。

　　標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口化：控制器與SDN設(shè)備之間的南向協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化以及控制器北向API接口的標(biāo)準(zhǔn)化都是強(qiáng)調(diào)了SDN畢竟還是處理“網(wǎng)絡(luò)”的工作，應(yīng)用的事SDN“甭管”?？梢灶惐鹊絆SI七層模型，每層對應(yīng)了每層的工作，彼此調(diào)用互不干涉。

　　通用硬件：這里和NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)沒有關(guān)系。這里的SDN通用硬件指的是帶有SDN處理芯片的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者是能實(shí)現(xiàn)SDN功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。并非NFV所強(qiáng)調(diào)的x86取代ASIC的設(shè)備。

　　正如下圖所示，把SDN抽象出來看，其實(shí)包括了這樣五個(gè)部分：

　　SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或x86里面的軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如vSR/vFW等)+SDN能力(可以是SDN芯片或開啟SDN功能)

　　SDN控制器：能處理SDN功能的控制器，可以是軟件方式或軟件嵌入硬件的方式。常見的有：floodlight、POX、NOX、OpenDaylight、Ryu、NSX等

　　SDN APP：這更像是我們熟悉的網(wǎng)絡(luò)上層功能，例如QOS、路由功能、Overlay功能等等。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，原本孤立的管理/配置如今被SDN統(tǒng)一化了，一個(gè)APP代表了整個(gè)SDN管理域內(nèi)的所有此APP功能。好處就好比，網(wǎng)絡(luò)出口要防DDOS攻擊，調(diào)用了一個(gè)APP就能自動做黑洞引流操作;又好比，領(lǐng)導(dǎo)要開視頻會議，調(diào)用一個(gè)QOS的APP就能全局做帶寬質(zhì)量保障;又例如，通過SDN負(fù)載均衡APP，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同業(yè)務(wù)/參數(shù)進(jìn)行負(fù)載輪詢。

　　南向控制協(xié)議：這里場景的控制協(xié)議是Openflow，但絕非僅僅Openflow?？梢詫?shí)現(xiàn)控制功能的協(xié)議其實(shí)很多，除了最知名的Openflow以外，還有：Netconf、PCEP、LISP、MP-BGP、SNMP等等。

　　北向API：此API的主要作用在于提供SDN控制器及其以下部分(南向控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)能夠作為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動供上層應(yīng)用調(diào)用。此上層應(yīng)用可以是各種APP，同樣也可以是Openstack、vCloud等云管理平臺。

　　SDN抽象的模型

　　通常情況下，啟用SDN的交換機(jī)可以分成兩種模式：純SDN交換機(jī)和混雜模式交換機(jī)。

　　純SDN交換機(jī)：交換機(jī)無腦工作，所有處理過程均依賴于Openflow或類似南向控制協(xié)議，主流的有：BGP/LISP/SNMP/NETCONF等。此時(shí)的交換機(jī)也叫做白盒交換機(jī)，其中交換機(jī)簡化很多芯片功能，但增強(qiáng)了流表轉(zhuǎn)發(fā)的功能，其中流表主要由ACL的TCAM芯片提供。只有這類TCAM能匹配SDN里面的十五元組，可以根據(jù)組特性進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　混雜模式交換機(jī)：顧名思義，混雜模式交換機(jī)就是帶有OPENFLOW功能的傳統(tǒng)交換機(jī)，可以根據(jù)需要將交換機(jī)的一部分轉(zhuǎn)換成SDN，而其實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)交換機(jī)，有所有相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)、控制ASIC芯片。

　　Openflow標(biāo)準(zhǔn)定義了控制器與交換機(jī)之間的交互協(xié)議，以及一組交換機(jī)操作。這個(gè)控制器—交換機(jī)協(xié)議運(yùn)行在安全傳輸層協(xié)議(TLS)或無保護(hù)TCP連接之上。Openflow使用TCP端口6633或6653。

　　每個(gè)流表中每個(gè)流條目包括三個(gè)部分：

　　(1) 匹配match—使用ingress port，packet header以及前一個(gè)flow table傳遞過來的metadata;

　　(2) 計(jì)數(shù)counter---對匹配成功的包進(jìn)行計(jì)數(shù);

　　(3) 操作instruction—修改action set或者流水線處理

　　交換機(jī)針對SDN有一個(gè)比較重要的消息類型：Packet-In，主要針對未知數(shù)據(jù)流無法命中流表的時(shí)候，作上送控制器的操作。

　　同樣，SDN控制器也有一個(gè)比較重要的消息類型：Packet-Out，主要針對下游SDN被管理設(shè)備，用于控制器指定從交換機(jī)的特定端口發(fā)送數(shù)據(jù)包，或者用于轉(zhuǎn)發(fā)通過Packet-in消息接收到的數(shù)據(jù)包。Packet-Out報(bào)文中包含明確的Action動作。

　　接下來，通過兩個(gè)例子來展示“SDN新網(wǎng)絡(luò)”如何利用“軟件”解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的問題。同樣，可以幫助產(chǎn)品經(jīng)理能夠在跟客戶交流SDN的過程中，更深入的闡述SDN的大致工作過程，以“軟件定義”的角度來闡釋傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中常見的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、ARP通訊等問題。

　　SDN Controller通過Openflow和LLDP發(fā)現(xiàn)整網(wǎng)拓?fù)?/p>

　　整網(wǎng)拓?fù)淙缟蠄D所示

　　背景闡述：

　　所有交換機(jī)彼此互聯(lián)

　　交換機(jī)通過帶外方式(或網(wǎng)管網(wǎng)方式)連接Controller

　　交換機(jī)均使用Openflow協(xié)議。Openflow使用TCP端口6633或6653作為接收的監(jiān)聽端口。目前最新Openflow協(xié)議為1.5.1，詳見ONF的spec。(https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/Openflow/Openflow-switch-v1.5.1.pdf)

　　無特殊Controller指定，各類型都OK

　　那對于傳統(tǒng)交換機(jī)而已，正常情況他們是通過LLDP等類似的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議發(fā)現(xiàn)彼此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，形成整網(wǎng)拓?fù)洹６?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=SDN&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">SDN環(huán)境中，設(shè)備是無腦的，此時(shí)需要借助Openflow和LLDP同時(shí)工作，來保障Controller環(huán)境下能夠?qū)θW(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。

　　工作流程介紹：

　　交換機(jī)連線至Controller，通過電信號，Controller發(fā)現(xiàn)有支持Openflow的SDN交換機(jī)接入，此時(shí)，Controller能夠發(fā)現(xiàn)三臺SDN交換機(jī)接入了。注意，此時(shí)三臺設(shè)備之間的組網(wǎng)環(huán)境Controller是不清楚的。

　　Controller通過packet-out報(bào)文，封裝LLDP報(bào)文進(jìn)Openflow，分別分發(fā)給每個(gè)交換機(jī)。此時(shí)的packet-out報(bào)文中含有動作：分發(fā)LLDP報(bào)文從交換機(jī)的每個(gè)端口發(fā)出去。

　　此時(shí)交換機(jī)A根據(jù)Controller的動作指令，將LLDP報(bào)文從交換機(jī)所有接口發(fā)出去。交換機(jī)B和交換機(jī)C此時(shí)都能收到這個(gè)報(bào)文。

　　LLDP報(bào)文經(jīng)過交換機(jī)之間的互聯(lián)鏈路到達(dá)對端SDN交換機(jī)。而此時(shí)正因?yàn)榻粨Q機(jī)是SDN無腦交換機(jī)，他對于報(bào)文的處理都是上送Controller而非本地操作。則此時(shí)接受到LLDP的對端交換機(jī)會將LLDP報(bào)文再次封裝，封裝進(jìn)packet-in，并上送至Controller。

　　此時(shí)Controller收到對端SDN交換機(jī)封裝的packet-in報(bào)文，報(bào)文里包含原本的LLDP報(bào)文。此時(shí)Controller就已經(jīng)知道所有的拓?fù)溥B接關(guān)系了。

　　SDN控制器對于ARP報(bào)文的處理

　　背景闡述：

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟寻l(fā)現(xiàn)

　　控制器采用ODL(OpenDayLight)

　　本地主機(jī)H1(10.0.0.1)和對端主機(jī)H2(10.0.0.2)均連接于SDN交換機(jī)下面

　　整個(gè)過程是H1請求H2的ARP，H2響應(yīng)H1

　　整個(gè)解析過程

　　H1去pingH2，即10.0.0.1去ping10.0.0.2。因?yàn)闆]有H2的MAC，此時(shí)需要做一次ARP解析。此時(shí)ARP請求(原本是廣播)被SwitchA通過Openflow形式單播上送給Controller(packet-in報(bào)文)

　　Controller收到H1的ARP請求，記錄H1位于Switch A下游，且記錄相關(guān)的位置信息。

　　正因?yàn)镃ontroller有所有交換機(jī)的拓?fù)浼拔恢眯畔?，此時(shí)Controller會給全網(wǎng)中每臺SDN交換機(jī)都發(fā)送一個(gè)10.0.0.0/8網(wǎng)段的ARP請求消息，來請求10.0.0.2的MAC地址。但源IP并非10.0.0.1，而是Controller的網(wǎng)關(guān)地址，此處為10.0.0.254。此時(shí)報(bào)文均為packet-out，即通過Controller手工泛洪，但此泛洪是有選擇性的，只針對同網(wǎng)段(10.0.0.0/8)

　　所有交換機(jī)都能收到此ARP單播請求，而只有Switch B會做出回應(yīng)，因?yàn)镠2接在Switch B下游。此時(shí)通過packet-in，所有SDN交換機(jī)會將此ARP泛洪發(fā)送到同網(wǎng)段的端口。

　　H2收到此時(shí)的ARP請求，正常做出回應(yīng)。

　　Switch B收到H2的ARP響應(yīng)，無腦上送到Controller。Controller收到ARP響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)正是前面發(fā)出的ARP請求的響應(yīng)報(bào)文。記錄此時(shí)的H2位置信息及ARP信息。

　　Controller通過Openflow將ARP響應(yīng)回應(yīng)給Switch A，Switch A將報(bào)文回送給H1。

　　此時(shí)做個(gè)小結(jié)，Controller已經(jīng)完整知道SwitchA/SwitchB/H1/H2的位置信息及MAC/ARP信息。Switch A/H1知道完整的ARP/MAC信息。而SwitchB也有H1/H2的完整IP。唯獨(dú)H2此時(shí)只知道H1的IP，而不知道H1的MAC。

　　H1的整個(gè)ARP請求過程已經(jīng)完成。接下來要輸送ICMP請求報(bào)文。報(bào)文經(jīng)由Switch A正常輸送到H2(此時(shí)是實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)流量，而且Switch A已有完整轉(zhuǎn)發(fā)路徑，不需要再上送Controller)

　　H2收到ICMP報(bào)文，想要回應(yīng)，但是沒有H1的MAC，需要再次做ARP請求。此時(shí)H2請求H1的MAC地址，報(bào)文被Switch B上送Controller，Controller已有H1的MAC，則Controller做出回應(yīng)，將H1的MAC回應(yīng)給H2。

　　H2收到ARP，則整個(gè)過程完整。回應(yīng)ICMP報(bào)文。整個(gè)業(yè)務(wù)流打通。

　　可以看到，最關(guān)鍵的應(yīng)該是第三步，即Controller發(fā)送偽裝ARP報(bào)文給全局同網(wǎng)段交換機(jī)，以此來實(shí)現(xiàn)ARP廣播的同樣效果。但也正是這樣一個(gè)看似合理的安全行為，帶來了很多不安全的隱患。可以想象，Controller有幾種方式可以獲取終端主機(jī)的MAC情況：1.通過免費(fèi)ARP的方式、2.定時(shí)申請下游終端的MAC方式，都可以保證對下游終端MAC的始終更新。

　　但同樣，集中Controller的方式也帶來了單點(diǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn)考慮，一旦一臺下游主機(jī)中毒，不斷變化自己的MAC不斷做出更新動作，此時(shí)會極大消耗Controller的資源，形成DOS攻擊。同樣，Controller的安全如果不是很堅(jiān)固，則一旦被攻破，所有終端信息一覽無余。