SDN中“軟件”如何定義“網(wǎng)絡”

　　ICCSZ訊   SDN(Software Defined Network)軟件定義網(wǎng)絡，字面釋義都說了是“軟件”來定義“網(wǎng)絡”，但有心之人會想：這個“軟件”到底是如何定義了我們所熟知的“網(wǎng)絡”?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”。

　　眾所周知，SDN軟件定義網(wǎng)絡，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。當我們這些產(chǎn)品經(jīng)理到客戶現(xiàn)場交流SDN時，或許客戶也能娓娓道來“轉(zhuǎn)發(fā)、控制、分離”。但事實是怎么樣呢，不妨我們以SDN為題做個頭腦風暴，看看談到SDN我們都想到了哪些關鍵詞，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)絡設備從孤立的單點做了橫向的擴張，將所有SDN化的網(wǎng)絡設備統(tǒng)一被控制。這就好比將N臺SDN小交換機“揉”成一臺SDN大交換機，統(tǒng)一管理，統(tǒng)一配置。

　　標準協(xié)議接口化：控制器與SDN設備之間的南向協(xié)議的標準化以及控制器北向API接口的標準化都是強調(diào)了SDN畢竟還是處理“網(wǎng)絡”的工作，應用的事SDN“甭管”。可以類比到OSI七層模型，每層對應了每層的工作，彼此調(diào)用互不干涉。

　　通用硬件：這里和NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化)沒有關系。這里的SDN通用硬件指的是帶有SDN處理芯片的網(wǎng)絡設備或者是能實現(xiàn)SDN功能的網(wǎng)絡設備。并非NFV所強調(diào)的x86取代ASIC的設備。

　　正如下圖所示，把SDN抽象出來看，其實包括了這樣五個部分：

　　SDN網(wǎng)絡設備：網(wǎng)絡設備(硬件網(wǎng)絡設備或x86里面的軟件網(wǎng)絡設備，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，原本孤立的管理/配置如今被SDN統(tǒng)一化了，一個APP代表了整個SDN管理域內(nèi)的所有此APP功能。好處就好比，網(wǎng)絡出口要防DDOS攻擊，調(diào)用了一個APP就能自動做黑洞引流操作;又好比，領導要開視頻會議，調(diào)用一個QOS的APP就能全局做帶寬質(zhì)量保障;又例如，通過SDN負載均衡APP，可以實現(xiàn)根據(jù)不同業(yè)務/參數(shù)進行負載輪詢。

　　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?？梢詫崿F(xiàn)控制功能的協(xié)議其實很多，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)絡設備)能夠作為網(wǎng)絡驅(qū)動供上層應用調(diào)用。此上層應用可以是各種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的交換機可以分成兩種模式：純SDN交換機和混雜模式交換機。

　　純SDN交換機：交換機無腦工作，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。此時的交換機也叫做白盒交換機，其中交換機簡化很多芯片功能，但增強了流表轉(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)組特性進行轉(zhuǎn)發(fā)。

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

　　Openflow標準定義了控制器與交換機之間的交互協(xié)議，以及一組交換機操作。這個控制器—交換機協(xié)議運行在安全傳輸層協(xié)議(TLS)或無保護TCP連接之上。Openflow使用TCP端口6633或6653。

　　每個流表中每個流條目包括三個部分：

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

　　(2) 計數(shù)counter---對匹配成功的包進行計數(shù);

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

　　交換機針對SDN有一個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候，作上送控制器的操作。

　　同樣，SDN控制器也有一個比較重要的消息類型：Packet-Out，主要針對下游SDN被管理設備，用于控制器指定從交換機的特定端口發(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報文中包含明確的Action動作。

　　接下來，通過兩個例子來展示“SDN新網(wǎng)絡”如何利用“軟件”解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的問題。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)絡中常見的拓撲發(fā)現(xiàn)、ARP通訊等問題。

　　SDN Controller通過Openflow和LLDP發(fā)現(xiàn)整網(wǎng)拓撲

　　整網(wǎng)拓撲如上圖所示

　　背景闡述：

　　所有交換機彼此互聯(lián)

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

　　交換機均使用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)絡設備，形成整網(wǎng)拓撲。而在SDN環(huán)境中，設備是無腦的，此時需要借助Openflow和LLDP同時工作，來保障Controller環(huán)境下能夠?qū)θW(wǎng)進行拓撲發(fā)現(xiàn)。

　　工作流程介紹：

　　交換機連線至Controller，通過電信號，Controller發(fā)現(xiàn)有支持Openflow的SDN交換機接入，此時，Controller能夠發(fā)現(xiàn)三臺SDN交換機接入了。注意，此時三臺設備之間的組網(wǎng)環(huán)境Controller是不清楚的。

　　Controller通過packet-out報文，封裝LLDP報文進Openflow，分別分發(fā)給每個交換機。此時的packet-out報文中含有動作：分發(fā)LLDP報文從交換機的每個端口發(fā)出去。

　　此時交換機A根據(jù)Controller的動作指令，將LLDP報文從交換機所有接口發(fā)出去。交換機B和交換機C此時都能收到這個報文。

　　LLDP報文經(jīng)過交換機之間的互聯(lián)鏈路到達對端SDN交換機。而此時正因為交換機是SDN無腦交換機，他對于報文的處理都是上送Controller而非本地操作。則此時接受到LLDP的對端交換機會將LLDP報文再次封裝，封裝進packet-in，并上送至Controller。

　　此時Controller收到對端SDN交換機封裝的packet-in報文，報文里包含原本的LLDP報文。此時Controller就已經(jīng)知道所有的拓撲連接關系了。

　　SDN控制器對于ARP報文的處理

　　背景闡述：

　　網(wǎng)絡拓撲已發(fā)現(xiàn)

　　控制器采用ODL(OpenDayLight)

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

　　整個過程是H1請求H2的ARP，H2響應H1

　　整個解析過程

　　H1去pingH2，即10.0.0.1去ping10.0.0.2。因為沒有H2的MAC，此時需要做一次ARP解析。此時ARP請求(原本是廣播)被SwitchA通過Openflow形式單播上送給Controller(packet-in報文)

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

　　正因為Controller有所有交換機的拓撲及位置信息，此時Controller會給全網(wǎng)中每臺SDN交換機都發(fā)送一個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)關地址，此處為10.0.0.254。此時報文均為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)

　　所有交換機都能收到此ARP單播請求，而只有Switch B會做出回應，因為H2接在Switch B下游。此時通過packet-in，所有SDN交換機會將此ARP泛洪發(fā)送到同網(wǎng)段的端口。

　　H2收到此時的ARP請求，正常做出回應。

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

　　Controller通過Openflow將ARP響應回應給Switch A，Switch A將報文回送給H1。

　　此時做個小結(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H2此時只知道H1的IP，而不知道H1的MAC。

　　H1的整個ARP請求過程已經(jīng)完成。接下來要輸送ICMP請求報文。報文經(jīng)由Switch A正常輸送到H2(此時是實際轉(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報文，想要回應，但是沒有H1的MAC，需要再次做ARP請求。此時H2請求H1的MAC地址，報文被Switch B上送Controller，Controller已有H1的MAC，則Controller做出回應，將H1的MAC回應給H2。

　　H2收到ARP，則整個過程完整?；貞狪CMP報文。整個業(yè)務流打通。

　　可以看到，最關鍵的應該是第三步，即Controller發(fā)送偽裝ARP報文給全局同網(wǎng)段交換機，以此來實現(xiàn)ARP廣播的同樣效果。但也正是這樣一個看似合理的安全行為，帶來了很多不安全的隱患?？梢韵胂螅珻ontroller有幾種方式可以獲取終端主機的MAC情況：1.通過免費ARP的方式、2.定時申請下游終端的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安全的風險考慮，一旦一臺下游主機中毒，不斷變化自己的MAC不斷做出更新動作，此時會極大消耗Controller的資源，形成DOS攻擊。同樣，Controller的安全如果不是很堅固，則一旦被攻破，所有終端信息一覽無余。