如何理解网络的虚拟化 免费硕士博士论文

Question

如题所述

Answer 1

网络虚拟化作为一种时下热门的网络技术，大有掀起新一轮IT基础架构革命之势。为了更好的了解现今流行的网络虚拟化技术和理念，就必须先介绍一下SDN，即软件定义网络。
如今SDN已经席卷了各种规模的数据中心，影响力日渐深远，但我们似乎依然无法准确的定义什么是SDN。其实SDN并不是一种技术，也不是一种协议，它只是一种体系框架和设计理念。在SDN的理念下，网络系统的控制平面和转发平面是必须分离的。在转发平面，它期望脱离与协议的关联，使得管理员的意志成为核心要素。管理员借助软件来执行自己意志，从而控制转发行为，并驱动整个网络。此外，在SDN的理念中，控制器和转发平面的接口是标准化的，这种接口通常称为南向接口。这是为了尽可能让软件作为转发行为的绝对主导，尽可能少的依赖专门的硬件。而控制器除了能控制硬件设备，也应该可以对网络中的应用程序进行集中控制，通常这是通过硬件提供的可编程特性来实现。这种控制应用程序的接口称为北向接口。
下面总结一下目前公认的SDN特性：
控制平面与转发平面分离；
开放的可编程接口；
集中化的网络控制；
网络业务的自动化应用过程。
顺带一提，OpenFlow作为当前主流的南向接口协议经常被误认为就是SDN本身，或者说是SDN中的一种技术，这种理解是不正确的。OpenFlow仅仅是实现SDN框架理念的一种协议。限于篇幅，关于SDN的介绍就到此为止，详细资料和专业叙述可以在专业书籍中找到，本文最后会有推荐。
话题回归网络虚拟化。网络虚拟化是云计算和SDN发展到一定阶段的产物，也可以把网络虚拟化理解为SDN理念新一代的技术实现。大家都知道服务器虚拟化技术发展的较早，也趋于成熟。在这一拔虚拟化浪潮中，主要的目的直指：抽象化、池化和自动化三个目标。首先发展的是服务器虚拟化，其结果是用户无须关注虚拟化位于哪台物理Host，当该Host故障时，虚机会自动在其他有效的Host上重启，或可以不中断业务的模式迁移到其他Host，甚至可以迁移到千里之外的其他位置。当虚机位置发生改变时，仍然需要访问网关，这使得网络需要配合虚机的变化，提供位于另一位置的网关。这导致了对网络虚拟化的需求。
当资源池越多越大时，已经超越了传统的二层网络范围，需要在更大的范围内建设资源池，这也需要在三层上层叠出逻辑的二层来成为刚性需求。
网络做为共享资源，当其中一部分用户需要对网络做出改变时，会影响到其他用户的使用，因为需要有一种方式，只对该用户的网络做出改变，而不影响剩余用户。这在传统的网络架构中难以实现，而虚拟化网络则很好的匹配了这一需求。
当实现云计算时，自动化部署成为关键技术。虚拟化网络以其软件实现、可编程、容器化等特点，被云管理平台方便调用，用户可以同时申请虚拟机和网络、安全等资源。
因此在实际建设投入生产中发现，当服务器虚拟化运用的如火如荼时，网络环境并没有发生革命性的变化，这使得用户对于构建一个快速部署的、灵活扩展的、稳健可靠的数据中心的需求依然不能得到完全的满足。针对这样的问题，借鉴了服务器虚拟化的理念，当前的网络虚拟化技术随之诞生，它是一种基于Overlay（叠加平面）的技术。

图1 Overlay的网络模型
Overlay以服务的形式，运行在底层物理网络上，设备到设备间的访问无需关心物理路径。这就使得数据中心中建立了大范围的一套二层链路。这种工作机制是通过物理网络设备完成的隧道封装来实现的。
经过几年的发展，网络虚拟化经历了从基于主机虚拟化的Overlay技术到现在的网络虚拟化平台（NVP）的演进。逐渐从基于硬件或者特定的虚拟交换机变为了内部消除五元组的TCP/IP协议，打通大二层网络，发展出真正的控制与转发分离的新一代SDN实现技术。
在新一代的网络虚拟化技术中，基本分为纯软件方案与软硬件结合的解决方案，下面首先介绍下软件方案的代表，由VMware公司提出的NSX解决方案。
NSX方案概述
NSX解决方案分为三个平面，分别是数据平面、控制平面、管理平面。
数据平面主要由NSX虚拟交换机组成，通过将内核模块安装在Hypervisor上实现VxLAN、分布式路由、分布式防火墙等服务，还包含了边界网关设备，在虚拟网络与外界通信时都由其处理。
控制平面中的主要组件是NSX Controller，以虚拟机的形式安装并与NSX Manager进行集成，只发布信令给数据平面，再由数据平面进行工作。
管理平面的主要组件是NSX Manager，通过NSX Manager提供WEB界面配置和管理整个NSX网络虚拟化环境的所有组件。NSX Manager还提供REST API为VMware云管平台或第三方云管平台（如OpenStack）提供接口。
凭借这几大组件，NSX实现了交换、路由、防火墙、逻辑负载均衡、VPN服务、物理网络连接。
ACI方案概述
ACI是Cisco提出的SDN和网络虚拟化解决方案，主要组件包含有应用策略基础设施控制器（APIC）和ACI交换矩阵。
APIC在解决方案中负责实现交换矩阵、策略实施、健康状态监控、自动化和进行中央管理的统一平面。APIC需要以软件形式安装在Cisco UCS服务器上。
Cisco推出Nexus 9000系列交换机实现ACI环境下的底层物理网络。该交换机混用了商用芯片和自主研发的芯片。商用芯片处理普通流量，自主研发芯片处理ACI流量，即SDN和网络虚拟化中的流量。APIC控制器直接将指令发布给交换机的自主芯片，再由芯片分布式地处理数据流量。
对于传统SDN集中网络复杂性的问题，ACI引入了一个完全与IP无关的策略模型用来解决。