從Neutron中的非主流技術(shù)看虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢
計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)，奠定了當(dāng)今云計算格局的三足鼎立之勢。
計算通過虛擬化CPU、Disk、Memory等硬件來獲得高效的應(yīng)用;存儲通過諸如Glusterfs、Ceph等分布式文件系統(tǒng)，提供了眾多特性的功能。而相對于，計算和存儲兩方面的成熟與穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)一直以其在穩(wěn)定、效率、設(shè)計等方面，而備受人們愛之、痛之。
隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計算的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)臉蛄海涞匚缓椭匾灾粫油癸@。從另一種角度而言，鑒于Neutron的整個生態(tài)環(huán)境。這里我們將扼要淺析OpenStack Neutron中的那些前沿技術(shù)，或者說是非主流技術(shù)，從某種角度而言，它們代表了虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一些發(fā)展趨勢。
一、OpenvSwitchOVN項目
OVS團隊于2015年1月推出了C語言傾向的OVN項目，由VMWARE公司主導(dǎo)，旨在提高基于OpenvSwitch的OpenStack網(wǎng)絡(luò)方案的擴展性和易用性。
OVN體系架構(gòu)，如下圖所示：
該項目用于給OVS這款在OpenStack項目中廣泛使用的虛擬交換機引入一個輕量級的控制平面，即類似于SDN控制器，致力于提高基于OVS的OpenStack網(wǎng)絡(luò)方案的擴展性和易用性，同時也為分布式路由等走捷徑似的轉(zhuǎn)發(fā)提供了可能性。
OpenvSwitch OVN項目將租戶的概念引入了OVS，正式向neutron方向發(fā)展。提供對L2/L3網(wǎng)絡(luò)虛擬化的支持。從目前的趨勢來看，neutron及 openstack最好的歸宿就是將精力集中于微內(nèi)核，提供北向REST API建立生態(tài)圈，擴展的Service實現(xiàn)可以由第三方公司自己來做。
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二、SDN Controller
典型的，SDN控制器的核心是實現(xiàn)集中控制平面(注：難道分布式控制不好嗎，為什么很多人一直在強調(diào)集中控制呢，這不是與SDN東西向擴展理念背道而馳嗎?大家如何看待呢!)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的相分離。這里強調(diào)兩個，控制器和交換機的接口——我們叫做南向接口;另一個是往上的北向接口。
SDN的核心理念有三個，第一個控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，第二個集中控制，第三個開放的API——網(wǎng)絡(luò)可編程。
OpenStack平臺中應(yīng)用的SDN技術(shù)已經(jīng)成為了云環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)支柱，OpenStack的Neutron本身作為一個SDN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)配置方面提供了一種自服務(wù)能力，用戶可以創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)并控制流量，實現(xiàn)連接服務(wù)器和設(shè)備到一個或多個網(wǎng)絡(luò)。基于Neutron的SDN技術(shù)，OpenStack網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一個可擴展的框架，并能部署和管理多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如入侵檢測系統(tǒng)(IDS)，負載均衡，防火墻和虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)等。
SDN技術(shù)在云計算中的核心作用不言而喻，鑒于當(dāng)前業(yè)界SDN控制器如此繁多，這里，我們僅羅列出與openstack Neutron相關(guān)聯(lián)的開源控制器來。
主要有：OpenContrail、ONOS、Floodlight、Ryu、OpenDaylight項目等，它們都有各自的特點。關(guān)于這些控制器的具體講解，不在本文范疇內(nèi)，請按需Google之。
值得注意的是，SDN中除了大名鼎鼎的OpenFlow協(xié)議之外，還有用于解決控制平面路由及計算的Routeflow協(xié)議。
三、Neutron DVR
相比較于其他一些前沿的非主流技術(shù)，DVR(分布式虛擬路由)應(yīng)該算是玩家們所耳熟的一個項目了。為什么說是耳熟，而非能手呢。即在于，大部分人是通過看理論資料來認識它的，從實踐角度參與的人可真不多。
從實用主義角度而言，它也是一種非主流技術(shù)，且顯得太過于復(fù)雜。但由于，DVR本身作為社區(qū)為Neutron開發(fā)的一個子項目，這里，我們不能不提及。
需要特別指出的是，由于DVR是三層的路由轉(zhuǎn)換服務(wù)，所以僅適用于VXLAN、GRE等網(wǎng)絡(luò)模式場景中，而VLAN等并不適用。
DVR的核心作用是，通過Neutron的東西向橫向流量擴展，將L3-Agent同時分布于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和計算節(jié)點上，減輕網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的L3性能瓶頸/流量集中，實現(xiàn)負載均衡等。并通過其他第三方軟件，來實現(xiàn)L3 Agent的高可用。
當(dāng)某個租戶建立了一個路由的時候，如果某臺主機上存在其路由所連接子網(wǎng)的虛機，那么這臺主機上就會建立一個路由。所有的東西向流量都會由這個路由進行轉(zhuǎn)發(fā)而不是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。如果虛擬機有浮動IP的話，所有的南北向流量也會由這個路由器進行轉(zhuǎn)發(fā)而不是由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。只有沒有浮動IP的虛機訪問外網(wǎng)的時候，會通過SNAT走網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。
通過使用 DVR，三層的轉(zhuǎn)發(fā)和 NAT 功能都會被分布到計算節(jié)點上，這意味著計算節(jié)點也有了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能。但是，DVR 依然不能消除集中式的 Virtual Router，這是為了節(jié)省寶貴的 IPV4 公網(wǎng)地址，所以依然將 SNAT 放在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上提供。這樣，計算和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就看起來如下：
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點：提供南-北 SNAT，即在不使用浮動 IP 時，虛機訪問外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)得經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。也就是說，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依然必須走傳統(tǒng)的 HA 解決方法，比如 VRRP 和PeaceMaker。
計算節(jié)點：提供南-北 DNAT，即外網(wǎng)訪問虛機的網(wǎng)絡(luò)流量得經(jīng)過計算節(jié)點;以及東-西轉(zhuǎn)發(fā)，即虛機之間的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計算節(jié)點。因為所有計算節(jié)點的參與，這部分的網(wǎng)絡(luò)負載也就自然地被均衡了。
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四、Dragonflow
Dragonflow作為Neutron最新的子項目之一，由華為以色列技術(shù)團隊提出，于2015年開始提交代碼，目前已經(jīng)成為OpenStack的孵化項目。
Dragonflow和DVR，倒是像一對近親。從設(shè)計和理念等角度而言，都與DVR極為相似，可以說，Dragonflow是DVR的升級版或補充版。
Dragonflow的設(shè)計比較符合一個標(biāo)準(zhǔn)的Neutron擴展，通過Plugin來實現(xiàn)API，通過L2 Agent和L3 Agent分別實現(xiàn)功能。
在Dragonflow模式中，Service的實現(xiàn)方式是一樣的(service plugin)。它把Network節(jié)點由單純的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(走SNAT流量)改成了Neutron Controller Agent。Neutron Controller Agent相當(dāng)于傳統(tǒng)SDN方案的網(wǎng)絡(luò)控制器，更準(zhǔn)確的說是三層的SDN控制器。計算節(jié)點上跑的還是L2 Agent。在原來DVR的模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要跑L3 Agent，現(xiàn)在就不需要了。Dragonflow改成了純粹用OpenFLow去控制三層流量的方式。
Dragonflow實現(xiàn)了Neutron的L3 Service API，還為Neutron提供了分布式虛擬路由器功能。從設(shè)計理念上講，Dragonflow使用的是可插入式無狀態(tài)化輕量級SDN控制器，實現(xiàn)了租戶子網(wǎng)間(東-西)流量的完全分布化，避開了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，減小了故障域，避免單點故障。
按照Dragonflow的設(shè)計理念，它可以提升OpenStack Neutron L3的可擴展性、性能和可靠性。它可以支持?jǐn)?shù)千個計算節(jié)點，為實現(xiàn)動態(tài)增長而保持控制器的無狀態(tài)化，沒有中央瓶頸，通過避免使用iptables和命名空間減少計算節(jié)點開銷。
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五、OpenContrail
OpenContrail是由瞻博網(wǎng)絡(luò)公司開源的網(wǎng)絡(luò)虛擬化和智能化解決方案，包含所有用于創(chuàng)建虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)的組件：SDN控制器、vRouter 和分析引擎。當(dāng)進行網(wǎng)絡(luò)配置時，Contrail是連接物理網(wǎng)絡(luò)與虛擬環(huán)境、配置底層服務(wù)、減少時間、降低成本和風(fēng)險的一種簡便方法。
和VMware NSX相似的是，OpenContrail對通用路由封裝(GRE)或虛擬可擴展局域網(wǎng)(VXLAN)技術(shù)提供了技術(shù)支撐。另一方面，OpenContrail也和NSX方案一樣能夠控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件。兩個平臺方案的根本區(qū)別在于兩者與編排系統(tǒng)的連接方式。OpenContrail 被設(shè)計為能夠在OpenStack云管理平臺上工作，而NSX是和Vmware的云自動化中心(vCAC)相連。
值得注意的是，OpenContrail通過一種分布式哈希表(DHT)NoSQL方式來訪問數(shù)據(jù)庫以防止單點失敗。
OpenContrail系統(tǒng)由兩個主要部件組成：OpenContrail控制器和OpenContrail虛擬路由器
OpenContrailvRouter(虛擬路由器)是一個轉(zhuǎn)發(fā)平面(或者是分布部署的路由器)，運行在虛擬服務(wù)器的hypervisor，將一個數(shù)據(jù)中心的物理路由器和交換機擴展成一個虛擬的overlay網(wǎng)絡(luò)，OpenContrail虛擬路由器從概念上和開源的OVS很像，但是他會提供路由以及更高層的服務(wù)(使用vRouter替代vSwitch)。
OpenContrail控制器提供了系統(tǒng)的邏輯集中控制平面和管理平面，并且協(xié)調(diào)管理vRouter。該控制器是一個邏輯上集中但是物理上分布的SDN控制器，為虛擬網(wǎng)絡(luò)提供管理、控制和分析功能。
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六、Midonet
MidoNet項目由日本Midokura公司開源，MidoNet是一款網(wǎng)絡(luò)虛擬化軟件，其基于底層物理設(shè)備來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，具有分布式、分散、多層次的特點。主要作為OpenStack系統(tǒng)中的默認網(wǎng)絡(luò)組件，提供虛擬網(wǎng)絡(luò)解決方案，為云平臺如OpenStack服務(wù)。MidoNet是類似于 OpenContrail, Neutron DVR, DragonFlow, OVN的SDN產(chǎn)品
Midonet網(wǎng)絡(luò)解決方案，實現(xiàn)了很多企業(yè)級的特性，比如BGP的支持、Tunnel Zone、DoS抵御隔離的支持等。
Midonet充分借助了已有成熟的分布式軟件降低自己本身的復(fù)雜性，而且只使用了OpenvSwitch的Datapath模塊，使轉(zhuǎn)發(fā)和控制更加靈活，不失為一個好的設(shè)計。但是其企業(yè)級服務(wù)還需要定制，對社區(qū)的部分高級功能也支持有限，這也是它的缺點。
Midokura沒有開源MidoNet GUI部分的代碼。而GUI將作為企業(yè)版MidoNet的一部分。企業(yè)版MidoNet(MEM，Midokura Enterprise MidoNet)包括了MidoNet管理工具和集成了VMware的vSphere技術(shù)及第三方管理工具，此外還包括OpenStack發(fā)行認證等服務(wù)和支持等。
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七、結(jié)語
基于眾所周知的原因，在生產(chǎn)環(huán)境上，基于上訴技術(shù)的使用，大多仍處于研究階段。
眾多的廠商舉著擁抱開源、擁抱OpenStack的旗幟，同時提供自己的產(chǎn)品，進行盈利。一方面因為利益的分歧，導(dǎo)致了Neutron的發(fā)展顯得相對混亂，遲滯了其規(guī)范化、協(xié)調(diào)發(fā)展。另一方面，通過提供開源或商用產(chǎn)品，也為OpenStack的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供了更多的選擇和發(fā)展。
作者簡介：
徐超：2015——至今，任職于九州云信息科技有限公司(上海)，從事OpenStack相關(guān)工作。個人傾向于研究OpenStack、SDN和Docker。
