**1.DCFabric控制器的由來

**1.1 SDN是云計算數據中心網絡技術發展的必然要求

隨著以虛擬化為基礎的云數據中心的發展和成熟, 應用數據猛增，虛擬服務器的遷移等要求VLAN可延展到所有匯聚層、接入層交換機。傳統二層技術存在鏈路冗余能力、負載均衡能力、可擴展性和網絡穩定性差等諸多缺陷。因此，大二層網絡技術如Trill、SPB等應運而生，卻存在過長收斂時間、低轉發效率、有限網絡規模和昂貴的專有設備等缺點。而SDN則憑借其大二層網互通、全網拓撲、以及多路徑流量均衡等靈活高效的功能，使其成為構建數據中心大二層網絡的理想方案。

1.2 SDN控制器在云計算數據中心的主要挑戰

隨著數據中心規模的擴大，SDN控制器面臨的主要問題：交換機和用戶主機數目的增長，使得每個交換機需存儲的流表內容也在相應增加（理論上每臺交換機上的流表最多需覆蓋到網絡中的所有主機），這不僅需要每臺交換機有更大的存儲容量和更快的查詢速度，也對控制器的工作效率提出了更高的要求。盡管當前已有若干開源SDN控制器，但受制于性能和可擴展性等，它們所能管理的網絡規模還有限，尚不具備直接的商業化運營的能力。因此，隨著大數據浪潮的到來，我們迫切需要可面向云計算數據中心的高性能SDN控制器。

1.3 DCFabric：面向云計算的SDN開源控制器

為了能盡快推進SDN技術在云計算數據中心的產業化應用進程，在國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目“軟件定義網絡（SDN）關鍵技術研發與示范”的資助下，上海寬帶中心、武漢綠網、中國電信聯合設計開發了面向云計算數據中心的開源SDN控制器——DCFabric控制器（http://www.sdn863.org.cn/）。

圖：DCFabric控制器架構

相較于其他開源SDN控制器，DCFabric具有以下的主要特性：

1）基于高效C語言，借助于高效的內存管理能力和多線程優化，DCFabric具有強大的拓撲發現（單實例>1000個交換機）、消息處理和流表下發能力（>100,000 OpenFlow流表/S）。

2）針對數據中心網絡流量特點創新地提出了基于流表預先下發和流表聚合的SFabric算法，突破了物理OpenFlow交換機流表數量限制和通信路徑建立的抖動等難題，從而實現了基于物理OpenFlow交換機的超大規模組網與高效交換。

3）架構簡潔，南向接口只支持OpenFlow和OVSDB，基于四種基礎服務，致力于云計算環境下的網絡交換。

4）易于擴展，可方便靈活的進行系統定制，實現各種場景下的SDN應用。

2.SFabric算法

當前主流的SDN網絡中的流表下發方式主要有兩種：前應式（Proactive）和反應式（Reactive）。由于在云計算環境下的NAT等功能的要求，反應式的流表下發是必不可少的。受制于OpenFlow流表下發的不確定性和并發性下發的復雜性，通信路徑的建立常會出現由于交換機和控制器之間的多次Packet-in消息和流表下發的交互而帶來的長時間劇烈抖動，且隨著通信路徑的增長而快速惡化。再加上交換機TCAM流表容量有限帶來的限制，已有的云計算數據中心內的SDN方案一般采用基于傳統交換網上的通道技術的OVERLAY網絡方案：控制器只控制網絡邊界的虛擬交換機。這不僅會帶來由于封包、解包所帶來的性能下降問題，而且會導致在物理網絡上的網絡流量的不可視、不可控等問題。

針對上述兩個問題，SFabric創新性的提出了“兩步式”流表下發法和基于交換機ID的流表聚合，從而提高了控制器的效率和降低了流表數量。當控制器完成網絡拓撲發現以后，SFabric首先每一個交換機分配一個唯一的Switch ID，然后會為每對交換機計算兩條有向的通信路徑。計算路徑時主要有兩個問題需要考慮：一是到同一個目的交換機的路徑應該是收斂的，即到同一個目的交換機的所有路徑應該是構成一個以其為根節點的樹；二是出于流量均衡等因素，應該把所有的路徑在整個網絡拓撲中做到均勻分布。

計算好路徑以后，控制器就會把路徑信息以OpenFlow流表的形式裝載到交換機中。由于網絡中到每一個目的交換機的路徑構成一個樹，所以需要下發的OpenFlow流表只需要把目的交換機的Switch ID作為匹配字段即可。由于而不需要關心路徑的起始點，所以所有交換機中的流表的個數最多只有n條，其中n表示網絡中交換機的個數。因此，SFabric可預先構建好交換機級別的路由規劃，從而為后續數據包的端到端單播路徑建立做好提前準備。考慮到與其它現有OpenFlow交換機和網卡的兼容 性，SFabric推薦采用VLAN ID作為Switch ID存儲字段。

圖. 示例網絡拓撲和SFabric流表

當SFabric構建好轉發路徑以后，系統就完成了初始化程序。由于網絡中交換機之間的轉發路徑都已建立，當主機實際通信時，控制器只需在主機的接入交換機上下發對數據包進行打標簽的一個流表即可。考慮圖1中連接在交換機1和6上的兩個主機Host A和Host B（其IP和MAC分別為IP_A、MAC_A和IP_B、MAC_B），當其需要通信時，SFabric首先查詢其所對應的接入交換機的Switch ID分別是1和6，然后只需在這兩個交換機的Table1分別下發如圖中所示的兩個流表來對數據包添加Vlan標簽。

3.基于DCFabric的OpenStack高效網絡

**3.1當前OpenStack主要網絡架構：OverLay

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OverLay網絡的主要缺點如下：

1）需要耗費主機的CPU資源進行數據的封包和解包過程

2）封包、解包的低效導致了VM的有限的網絡吞吐量（<2.5 Gpbs in 10GE鏈路）

3）在物理網絡上的流量的不可視帶來的不可控問題

4）南北向流量都需要從網絡節點通過帶來的流量瓶頸問題

5）網絡配置的復雜性帶來的配置困難和低可靠性

**3.2基于DCFabric的全物理OpenFlow交換機網絡

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為了能更好的發揮SDN在OpenStack中的應用潛力，避免Overlay網絡帶來的各項難題，我們提出了基于物理OpenFlow交換機和DCFabric的高效網絡方案，其主要優點如下：

1）無須封包、解包帶來的高網絡吞吐量，10 Gbps環境下的虛擬機最大網絡帶寬可以達到9.3 Gpbs以上；

2）VM的南北向流量可以直接通過物理交換網轉發，不僅南北向帶寬可以達到線性速度，而且NAT、Floating IP和負載均衡等高級網絡功能都可在控制器的統一調度下由交換機來實現；

3）基于標準OpenFlow協議，無廠商綁定，造價較傳統網絡方案可大幅降低，而且網絡可動態線性擴展；

4）物理網絡中流量可視帶來的可管可控優勢，可支持網絡安全功能和流量工程等功能擴展，提高系統的靈活性。

圖：基于DCFabric的OpenStack高效網絡架構

審核編輯：郭婷