摘 要： 云計算能夠提供快速、靈活、穩(wěn)定和可靠的服務?，F(xiàn)有的云計算網(wǎng)絡架構非常復雜。為了提高云計算網(wǎng)絡的安全性，并使其節(jié)能、易管理，設計并實現(xiàn)了一種基于OpenFlow技術的簡化的云計算網(wǎng)絡架構。與現(xiàn)有的云網(wǎng)絡架構相比，簡化的網(wǎng)絡體系結構具有按需供給和安全性高等特點。
關鍵詞： 云計算；OpenFlow；網(wǎng)絡架構
0 引言
云計算具有靈活、可擴展、容錯性強等特征。現(xiàn)有的云計算網(wǎng)絡架構非常復雜，一個數(shù)據(jù)中心包括防火墻、以太網(wǎng)交換機、服務器負載均衡器、服務控制引擎和入侵檢測等模塊。對于每一次的服務都需要涉及到較多的設備。云計算網(wǎng)絡架構需要重新設計和簡化。簡化的網(wǎng)絡架構必須易于維護、配置，能夠提供良好的服務，且具有較高的安全性。本文采用OpenFlow技術建立了一種簡化的云計算網(wǎng)絡架構。防火墻、服務器負載均衡器和以太網(wǎng)交換機都可以在一個設備上通過程序來模擬實現(xiàn)。這種新的綜合設備易于構建、編程和管理，同時簡化的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構將降低運營成本，提高云數(shù)據(jù)中心的運營靈活性。
1 現(xiàn)有的云計算網(wǎng)絡架構
現(xiàn)有的云計算網(wǎng)絡架構在服務層有很多不同的元素，包括路由器、防火墻、以太網(wǎng)交換機、光纖通道交換機和服務器負載均衡器等設備[1]。云計算網(wǎng)絡使用防火墻來保護服務器和存儲器，防火墻的功能為允許或拒絕基于一個規(guī)則集的網(wǎng)絡傳輸。負載均衡器實現(xiàn)各服務器之間的負載共享。
在云計算網(wǎng)絡架構中，數(shù)據(jù)中心包含許多服務設備。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層設備。服務層設備包括防火墻、負載均衡器等。所有的服務層設備連接到匯聚層，并通過匯聚層設備進行交換或路由。用戶可以靈活地提交業(yè)務，基于每個服務，網(wǎng)絡體系結構可以是不同的。一些用戶可以選擇負載均衡服務和防火墻服務；另一些用戶則可以根據(jù)固定的業(yè)務量，選擇靈活的計費服務。網(wǎng)絡架構可以根據(jù)所提供業(yè)務的不同而變化。接入層包括虛擬接入設備、服務器和存儲器。接入層提供服務器和網(wǎng)絡之間的物理連接。該網(wǎng)絡結構和配置非常復雜，不易操作。
2 OpenFlow技術
OpenFlow[2-3]是2007年9月由斯坦福大學提出的一種未來互聯(lián)網(wǎng)技術。OpenFlow技術的目標是允許研究人員在網(wǎng)絡上運行創(chuàng)新和實驗的方案。為了維護和支持OpenFlow的規(guī)范，2008年相關研究人員在斯坦福大學建立了OpenFlow交換機論壇。OpenFlow作為一個功能模塊添加到現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機、IPv4路由器和WiFi接入點上，其擁有一個內(nèi)部流表[4]和標準化的接口，用來添加和刪除流表項。OpenFlow交換機論壇定義了流表和OpenFlow控制器，能夠通過遠程遙控器來控制OpenFlow設備。
在傳統(tǒng)的交換機或路由器中，數(shù)據(jù)平面的報文轉發(fā)和控制平面的路由處理決定都是在同一臺設備上進行。主機控制和數(shù)據(jù)處理功能在一起，使網(wǎng)絡設備變的復雜而且不靈活。OpenFlow采用“Clean slate”的將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的設計方法。在一般情況下，數(shù)據(jù)平面負責報文處理和轉發(fā)，而控制平面負責數(shù)據(jù)流的處理。外部的OpenFlow控制器負責管理控制平面。有了此功能，研究人員可以實時地在網(wǎng)絡上運行創(chuàng)新的協(xié)議，以驗證實驗方案，而不必受制于網(wǎng)絡設備出自不同的廠商。通過OpenFlow協(xié)議，OpenFlow控制器控制流表和交換機的狀態(tài)，以及流信息。OpenFlow的可編程特性使網(wǎng)絡管理員可以動態(tài)地配置和管理OpenFlow網(wǎng)絡，從而提高管理和維護的效率。
3 基于OpenFlow技術的簡化云計算網(wǎng)絡架構
基于OpenFlow技術的簡化云計算網(wǎng)絡架構包括網(wǎng)絡設備整合、按需供給和安全網(wǎng)絡三方面。
3.1 云計算網(wǎng)絡設備整合
采用一個新的網(wǎng)絡整合設備以簡化云網(wǎng)絡架構。這種簡化的云計算網(wǎng)絡架構的設計可以提高網(wǎng)絡運行、管理和維護的效率，減少工作量。
使用OpenFlow技術以鞏固原有的云計算網(wǎng)絡設備。傳統(tǒng)的云計算數(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負載均衡器等。新提出的架構使用單一的OpenFlow設備。OpenFlow設備能夠實現(xiàn)所有匯聚層的交換特性和服務層的服務功能，包括防火墻、服務負載均衡器等功能。這些服務層的功能通過軟件和配置實現(xiàn)，并提供給OpenFlow，通過OpenFlow的協(xié)議和控制器接口進行交換。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設備的鏈路狀態(tài)、節(jié)點信息、流表和鏈路利用率可以很方便地通過控制器的接口進行監(jiān)測。基于12元組流表配置，OpenFlow交換機可以實現(xiàn)防火墻、負載均衡器、交換機等功能。服務功能可以通過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控制器進行處理，在此架構中，流表對防火墻功能的配置可以根據(jù)用戶的要求進行預定義。與這些預定義相匹配的數(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
云計算能夠靈活地對虛擬化資源進行按需供給。當用戶預訂時，云計算服務、虛擬機和網(wǎng)絡設備將立即響應這些請求，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設備無法實現(xiàn)動態(tài)提供服務功能。另一方面，采用OpenFlow技術能夠提供動態(tài)網(wǎng)絡服務，OpenFlow設備網(wǎng)絡是具有可編程、易于設置和按需配置等特性的云計算網(wǎng)絡。
按需供給的云計算服務網(wǎng)絡架構如圖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)站具有服務平臺和網(wǎng)絡平臺。云服務和網(wǎng)絡服務必須由云提供商來提供。云服務包括虛擬機、IP多媒體子系統(tǒng)以及Hadoop；網(wǎng)絡服務包括流計費、分布式拒絕服務（DDoS）攻擊防御和防火墻等網(wǎng)絡服務。一旦用戶提交云服務，訂閱的服務將會立即提供。OpenFlow控制器負責網(wǎng)絡設備的在線供給技術，用戶提交訂閱的服務后，云服務和網(wǎng)絡功能將會立即提供相關服務。
3.3 安全網(wǎng)絡
安全問題一直是云計算的主要問題，關于安全的議題科研人員已經(jīng)進行了大量的研究工作。本文專注于身份管理和可用性，以提高云計算網(wǎng)絡安全的能力。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。通常身份驗證是在服務器側進行，網(wǎng)絡安全由數(shù)據(jù)中心的入侵檢測系統(tǒng)（IDS）和入侵防御系統(tǒng)（IPS）負責。攻擊者對數(shù)據(jù)中心進行攻擊時，其流量將占用大量的網(wǎng)絡資源，因此該解決方案效率較低。如果網(wǎng)絡設備具有檢查每個數(shù)據(jù)包身份的能力，就沒有必要將身份數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務器進行確認。在OpenFlow控制器端，OpenFlow交換機可以檢驗數(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。許多安全威脅，例如IP欺騙、DDoS攻擊、病毒感染等，會嚴重危害云服務，甚至導致其停止服務。在OpenFlow控制器端實現(xiàn)了基于OpenFlow的DDoS攻擊防御[5]，同時在云計算網(wǎng)絡上部署IPS防止入侵。
云計算網(wǎng)絡的安全部署集成了按需供給應用，如圖2所示。一旦客戶端的云服務請求被批準，客戶端的ID將在OpenFlow控制器進行注冊，并在OpenFlow交換機添加相應項。只有可識別的信息才能傳遞給服務器。當OpenFlow交換機接收到的數(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?？刂破鲗Ⅱ炞C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)送給安全設備（如IDS或IPS），作進一步檢查。作為一個高度安全的網(wǎng)絡結點，網(wǎng)絡必須具有OpenFlow的ID驗證、DDoS攻擊防御和IPS設備等功能。
4 簡化云計算網(wǎng)絡架構的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)所設計的簡化云計算網(wǎng)絡架構，使用OpenFlow交換機來替換現(xiàn)有的負載均衡器、防火墻和以太網(wǎng)交換機。這種實現(xiàn)方案可以簡化云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡體系結構。
OpenFlow交換機必須實現(xiàn)網(wǎng)絡地址轉換（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，需要實現(xiàn)ACL功能，OpenFlow交換機流表中有12個元組，可以靈活地為ACL功能設置特定的規(guī)則。通過實現(xiàn)NAT和ACL功能來代替防火墻。
還需要OpenFlow交換機具有負載均衡功能。對于同時向同一個服務器發(fā)送相同請求的情況，實現(xiàn)平均分配各個請求到多個服務器，各服務器對請求提供相同的服務。其結果為相同請求的吞吐量將平均發(fā)送到多個服務器。通過原來的以太網(wǎng)交換機的功能，實現(xiàn)了簡化的云計算網(wǎng)絡架構的功能。
5 結論
近年來云計算已經(jīng)成為最熱門的話題之一。原來的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡體系結構非常復雜，簡化的云計算網(wǎng)絡架構旨在實現(xiàn)網(wǎng)絡的安全性、敏捷性，整合能源效率。該架構包括網(wǎng)絡設備整合、按需供給和安全性。
參考文獻
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