SDN與NFV技術在數據中心建設中的應用及發展探析

張蘭蘭 馮影

摘要：數據中心作為人工智能新興技術得以發展和應用的前提和基礎，不僅關系服務器與存儲器等設備的工作效率，還對保障業務的連續性起著重要作用。將SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）技術和NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）技術引入數據中心網絡建設，可實現靈活組網，在滿足安全要求的多租戶環境下，能更好地為數據中心業務發展提供支持。文章圍繞SDN和NFV技術在數據中心的實踐、SDN與NFV技術的差異以及SDN和NFV技術在數據中心應用中存在的挑戰等方面展開闡述和分析，可為數據中心的網絡重構提供新思路。

關鍵詞：數據中心；SDN技術；NFV技術；網絡建設

中圖分類號：TP391.44；TM73? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0021-03

0 引言

隨著新興技術的不斷發展，人工智能技術的應用越來越普及，承載人工智能業務系統的數據中心的建設顯得尤為重要。傳統的網絡架構體系已無法滿足新環境下網絡資源調度和共享的需求，數據中心建設過程中需要快速實現用戶的需求響應、擴展更加清晰的網絡拓撲圖，讓整個網絡的資源實現靈活共享和調度。從網絡架構方面來看，需要不斷加強技術鉆研，重新構建數據中心網絡架構，這是當前研究的重要方向。SDN技術和NFV技術在數據中心建設中具有較高的應用價值，值得深入探討［1］。本文圍繞SDN及NFV技術在數據中心的具體實踐進行全面介紹，探討兩者的區別與聯系，分析它們在數據中心應用過程中存在的挑戰，同時提出一些參考性的意見和建議。

1 SDN及NFV在數據中心的實踐

SDN的中文釋義為軟件定義網絡，SDN作為一種前沿的技術，強調軟件在網絡系統中的重要性，其理念是開放性、虛擬化、可編程。SDN技術可以完全消除網絡硬件上的差異，讓數據中心用戶可以將注意力集中到業務本身，而不必關心網絡硬件兼容及底層軟件實現的問題。處于起步階段的計算機，每個硬件都有自己的任務，結構復雜、體積龐大，而現代PC硬件的作用已被大大削弱，只起到承載平臺和性能支持的作用，真正重要的是安裝硬件之上的各類應用軟件。SDN技術可以支持實現網絡硬件與業務的分離，通過SDN直接進行遠程配置，只需提供系統運行所需的網絡帶寬、各種協議接口等硬件平臺就可以實現數據中心網絡的部署。部署完成后，用戶可直接使用，不需要了解網絡設備具體的部署情況及部署方式，類似于把整個數據中心做成一個黑箱，通過SDN技術，生成用戶的操作面板。

SDN可以大幅降低對數據中心網絡設備的維護及人員的投入。在未來的數據中心建設項目中，只需將設備上架、接線、聯網，就可以由網絡工程師在遠端完成設備相關配置，實現自動管理，免去用戶繁重的配置和調試工作，大大節省人力和時間成本。系統上線運行后，亦可通過軟件面板對各項參數指標進行監控，如果出現問題，隨時可以遠程修改，簡化了維保和巡檢的流程，可以減少工作量、提高工作效率。

除SDN技術外，NFV技術也受到關注。NFV 的中文解釋是網絡功能虛擬化，該技術通過軟件處理可以實現多種功能，例如采用X86架構的硬件與虛擬化技術相結合，能降低大量不同型號專業設備的使用成本和管理難度。NFV 利用虛擬化技術，通過統一的虛擬化軟、硬件平臺實現硬件功能，避免了專有硬件的各種特性對網絡使用造成的限制，使網絡靈活性更高［2］。簡單來說，NFV 就是通過部署虛擬化技術，將網絡設備（服務器、存儲器等）虛擬化，使數據中心的運行和維護變得更加簡單。

從以上介紹可以看出，應用SDN技術的目標是將硬件作為純粹的運營平臺使用，將網絡設備變為白盒，實現網絡功能自定義；而NFV更像是處于手工配置維護與SDN的中間地帶，雖然不需要全部依賴硬件及人工配置，但是與實現SDN功能的具體要求有不小差距。SDN目前已成為行業爭相追逐和努力的方向，但由于SDN目前尚無統一標準，網絡巨頭之間也存在技術壁壘，因此SDN自身所設想的功能并不能在現階段的實際應用中全部實現。這些現狀造成了SDN和NFV兩個陣營的存在。即使處于實驗室研究階段，SDN也基本是根據各廠商制定的標準和思路進行設計，只能在自家網絡設備上運行使用，難以做到設備兼容和通用。例如，“思科”給出的ACI解決方案采用的是“思科”私有的OpFlex協議，目前只能應用于Nexus系列交換機中；“華為”針對SDN環境提出采用OpenFlow和NETCONF協議，把配置數據及協議信息以XML形式進行事先存儲的解決方案，該方案可以實現SDN的部分功能，簡化網絡配置難度；其他各廠商對SDN提出的方案也分別進入試驗階段，但都面臨著無法兼容的問題，缺少在數據中心內實現多廠商設備共通的SDN解決方案。在技術實現層面上，雖然不同廠商對NFV的執行標準有所區別，目前也不能支持互通互用，但是NFV的技術門檻和實現難度都較低，因此可行性較高。盡管NFV 技術還達不到軟件定義網絡的真正水平，但也是網絡走向軟件化道路至關重要的一個節點，可視為SDN初級階段的實現。

2 SDN與NFV的差異

2.1 標準制定情況不同

SDN擁有自己的協議標準，其中較著名的OpenFlow協議由ONF（開放網絡論壇）提出。NFV 則是從實踐中來，沒有相關的實現標準，完全出于網絡應用需求而制定。在制定NFV標準方面，“思科”是最早的實現者，其他網絡廠商即使NFV技術理念高度一致，在網絡設備的實現上也存在差異，在不能實現互通的情況下，跟隨“思科”推出了類似的虛擬化功能［2］。

2.2 理論支撐情況不同

SDN 有基本的理論支撐，而NFV則是從實際出發，缺乏足夠的理論支撐。SDN 技術新穎，有望引領網絡變革，目前仍處于發展階段，盡管已經應用到一定程度，但仍存在一些亟待解決的問題。

2.3 技術上存在差異

SDN的產生是為了解決傳統網絡發展緩慢、維護成本高的問題，服務商嘗試構建新型網絡架構，希望能將控制面（各種軟件）與硬件進行解耦，實現底層操作系統、基礎軟件協議及增值業務軟件的開源自研［3］。NFV對現有網絡和業務影響不大，相對穩定可行，能發揮一定的增益作用。

2.4 兩者實現理念不同

SDN的理念是將網絡設備的控制和轉發功能解耦，使網絡設備的控制面可直接編程，將網絡服務從底層硬件設備中抽象出來，并將決策轉移到虛擬網絡控制平面。硬件繼續引導和處理流量，控制平面決定將流量發送目的地，不需要依賴硬件設備［4］。NFV 也是一種網絡架構，它將傳統物理設備的網絡功能封裝成獨立的模塊化軟件，通過在硬件設備上運行不同的模塊化軟件，在單一硬件設備上實現多樣化的網絡功能，NFV的目標是將所有物理網絡資源進行虛擬化，允許網絡在不添加更多設備的情況下增長，而目標的實現依賴于硬件設備［5］。

除了以上幾點，SDN和NFV的不同之處還表現在目標、關鍵點、起源等方面，具體差異見表1。綜上所述，NFV技術屬于平滑漸進式演進，而SDN對現有網絡架構方案可以說是顛覆性的改變，雖然與NFV的理念有很大不同且不可避免地存在一些需要解決和優化的問題，但是其具有新穎的技術和先進的理念，因此發展空間要大于 NFV。

3 SDN和NFV在數據中心應用中面臨的挑戰

3.1 可靠性問題

數據中心對可靠性的要求達到? 99.999%，幾乎要求做到萬無一失?；谕ㄓ梅掌鞯奶摂M化核心網絡設備雖然兼容性強、部署靈活，但是可靠性比專用高性能網絡設備低。虛擬化核心網絡設備的可靠性較低的原因在于主流系統是基于開源的KVM平臺開發，雖然開源程度高，有豐富的部署經驗，但是對于處理器沒有虛擬化擴展的老版本服務器來說，KVM全虛擬化可靠性差且運行效率極低。

3.2 關于利益轉讓的疑慮

雖然軟件可以通過不同的平臺進行編譯，非常靈活，但是這些軟件技術最終還是要依靠轉發芯片的硬件實現流量轉發。在現有情況下，芯片企業不愿冒險進行大規模嘗試，盡管SDN是網絡發展的趨勢，但就目前而言，市場份額和發展方向并不明朗，單一針對SDN的需求開發新芯片、架設流水線將耗費大量資金。由于芯片產品線較少，轉發芯片對軟件和虛擬化技術的支持嚴重不足，因此對網絡軟件技術的進步造成了進一步的阻礙。從另一方面看，全世界能提供網絡芯片的企業屈指可數，芯片巨頭企業對SDN和NFV技術的普及還存在一定疑慮，擔憂新興技術帶來的變革會導致企業地位和話語權降低?！八伎啤彪m然推出了ACI策略，但是從根本上是要保住智能硬件的作用，而非任由軟件對其網絡設備進行配置。以“思科”為代表的傳統網絡設備廠商和一些研究SDN的軟件科研人員和學者形成了2個陣營的對峙。廠商希望路由交換設備可以主導市場，如果軟件落地，管理所有功能，硬件只能做配角，將嚴重威脅傳統廠商的利益。利益上有矛盾也是SDN發展緩慢的一個原因。

3.3 行業標準的制定

目前，還沒有一個統一的行業標準，雖然SDN有 OpenFlow 協議，但是各網絡廠商對 OpenFlow 的理解和技術實現并不一樣，在具體實現上差別很大，因此不能實現互通。NFV則不存在完全屬于私有技術的可參照的統一標準，無法在不同廠商的設備之間支持虛擬化，這些難點也成為阻礙SDN技術進入數據中心的障礙。雖然數據中心已經開始使用SDN和NFV技術，但是SDN技術只實現部分功能，并不能顯示這一技術的優越性，因此實際上給數據中心帶來的并不是真正意義上的革命。

針對以上問題，本文提出如下建議：首先，虛擬化核心網絡設備可靠性較低的問題可通過推動VMware平臺進一步開放解決，推動SDN廠商對接私有云引入SDN。其次，完善和優化控制器軟件架構和性能，推動相關廠商發布符合OpenFlow協議規范的芯片。最后，制定行業標準，進一步標準化SDN架構，按照 ONF（開放網絡基金會）等組織的定義進行分層，按照ETSI（歐洲電信標準協會）標準對NFV進行定義，在數據中心混合組網時，統一接口標準，明確SDN和NFV融合架構模式。

4 結語

綜上所述，將SDN和NFV技術引入數據中心建設中，可以提升系統的靈活性及資源整合的力度，打破傳統網絡架構的束縛，使數據中心適應部署新技術的要求。應用過程雖然存在挑戰，但是SDN和NFV技術能夠帶給業界的改變超過了技術本身，網絡架構及運維模式的改變隨著技術進步不斷凸顯，需要不斷探索和實踐。

5 參考文獻

［1］趙輝，丁鳴，程青松，等.SDN與NFV技術在云數據中心的規模應用［J］.電信科學，2016，32（1）：144-151.

［2］宮良.SDN/NFV技術在未來城域網中的應用［J］.廣播與電視技術，2018，45（1）：16-20.

［3］王磊.基于NFV與SDN高度融合的網絡虛擬化體系解析［J］.電視技術，2022，46（4）：165-169.

［4］林華，薛靜宜.軟件定義網絡（SDN）/網絡功能虛擬化（NFV）技術研究及部署［J］.廣播電視網絡，2022，29（1）：106-108.

［5］張小容.5G移動通信網絡架構中SDN和NFV的應用略論［J］.長江信息通信，2021，34（8）：219-221.

*黃河交通學院智能汽車計算機視覺工程研究中心項目（22KYGJ01）。

【作者簡介】張蘭蘭，女，河南鹿邑人，碩士，任職于黃河交通學院智能工程學院，助教，研究方向：圖形圖像處理與模式識別；馮影，女，河南焦作人，碩士，任職于黃河交通學院智能工程學院，助教，研究方向：教育技術學。

【引用本文】張蘭蘭，馮影.SDN與NFV技術在數據中心建設中的應用及發展探析［J］.企業科技與發展，2023（5）：21-23.