SDN与NFV技术在数据中心建设中的应用及发展探析

张兰兰 冯影

摘要：数据中心作为人工智能新兴技术得以发展和应用的前提和基础，不仅关系服务器与存储器等设备的工作效率，还对保障业务的连续性起着重要作用。将SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术和NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）技术引入数据中心网络建设，可实现灵活组网，在满足安全要求的多租户环境下，能更好地为数据中心业务发展提供支持。文章围绕SDN和NFV技术在数据中心的实践、SDN与NFV技术的差异以及SDN和NFV技术在数据中心应用中存在的挑战等方面展开阐述和分析，可为数据中心的网络重构提供新思路。

关键词：数据中心；SDN技术；NFV技术；网络建设

中图分类号：TP391.44；TM73  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）05-0021-03

0 引言

随着新兴技术的不断发展，人工智能技术的应用越来越普及，承载人工智能业务系统的数据中心的建设显得尤为重要。传统的网络架构体系已无法满足新环境下网络资源调度和共享的需求，数据中心建设过程中需要快速实现用户的需求响应、扩展更加清晰的网络拓扑图，让整个网络的资源实现灵活共享和调度。从网络架构方面来看，需要不断加强技术钻研，重新构建数据中心网络架构，这是当前研究的重要方向。SDN技术和NFV技术在数据中心建设中具有较高的应用价值，值得深入探讨［1］。本文围绕SDN及NFV技术在数据中心的具体实践进行全面介绍，探讨两者的区别与联系，分析它们在数据中心应用过程中存在的挑战，同时提出一些参考性的意见和建议。

1 SDN及NFV在数据中心的实践

SDN的中文释义为软件定义网络，SDN作为一种前沿的技术，强调软件在网络系统中的重要性，其理念是开放性、虚拟化、可编程。SDN技术可以完全消除网络硬件上的差异，让数据中心用户可以将注意力集中到业务本身，而不必关心网络硬件兼容及底层软件实现的问题。处于起步阶段的计算机，每个硬件都有自己的任务，结构复杂、体积庞大，而现代PC硬件的作用已被大大削弱，只起到承载平台和性能支持的作用，真正重要的是安装硬件之上的各类应用软件。SDN技术可以支持实现网络硬件与业务的分离，通过SDN直接进行远程配置，只需提供系统运行所需的网络带宽、各种协议接口等硬件平台就可以实现数据中心网络的部署。部署完成后，用户可直接使用，不需要了解网络设备具体的部署情况及部署方式，类似于把整个数据中心做成一个黑箱，通过SDN技术，生成用户的操作面板。

SDN可以大幅降低对数据中心网络设备的维护及人员的投入。在未来的数据中心建设项目中，只需将设备上架、接线、联网，就可以由网络工程师在远端完成设备相关配置，实现自动管理，免去用户繁重的配置和调试工作，大大节省人力和时间成本。系统上线运行后，亦可通过软件面板对各项参数指标进行监控，如果出现问题，随时可以远程修改，简化了维保和巡检的流程，可以减少工作量、提高工作效率。

除SDN技术外，NFV技术也受到关注。NFV 的中文解释是网络功能虚拟化，该技术通过软件处理可以实现多种功能，例如采用X86架构的硬件与虚拟化技术相结合，能降低大量不同型号专业设备的使用成本和管理难度。NFV 利用虚拟化技术，通过统一的虚拟化软、硬件平台实现硬件功能，避免了专有硬件的各种特性对网络使用造成的限制，使网络灵活性更高［2］。简单来说，NFV 就是通过部署虚拟化技术，将网络设备（服务器、存储器等）虚拟化，使数据中心的运行和维护变得更加简单。

从以上介绍可以看出，应用SDN技术的目标是将硬件作为纯粹的运营平台使用，将网络设备变为白盒，实现网络功能自定义；而NFV更像是处于手工配置维护与SDN的中间地带，虽然不需要全部依赖硬件及人工配置，但是与实现SDN功能的具体要求有不小差距。SDN目前已成为行业争相追逐和努力的方向，但由于SDN目前尚无统一标准，网络巨头之间也存在技术壁垒，因此SDN自身所设想的功能并不能在现阶段的实际应用中全部实现。这些现状造成了SDN和NFV两个阵营的存在。即使处于实验室研究阶段，SDN也基本是根据各厂商制定的标准和思路进行设计，只能在自家网络设备上运行使用，难以做到设备兼容和通用。例如，“思科”给出的ACI解决方案采用的是“思科”私有的OpFlex协议，目前只能应用于Nexus系列交换机中；“华为”针对SDN环境提出采用OpenFlow和NETCONF协议，把配置数据及协议信息以XML形式进行事先存储的解决方案，该方案可以实现SDN的部分功能，简化网络配置难度；其他各厂商对SDN提出的方案也分别进入试验阶段，但都面临着无法兼容的问题，缺少在数据中心内实现多厂商设备共通的SDN解决方案。在技术实现层面上，虽然不同厂商对NFV的执行标准有所区别，目前也不能支持互通互用，但是NFV的技术门槛和实现难度都较低，因此可行性较高。尽管NFV 技术还达不到软件定义网络的真正水平，但也是网络走向软件化道路至关重要的一个节点，可视为SDN初级阶段的实现。

2 SDN与NFV的差异

2.1 标准制定情况不同

SDN拥有自己的协议标准，其中较著名的OpenFlow协议由ONF（开放网络论坛）提出。NFV 則是从实践中来，没有相关的实现标准，完全出于网络应用需求而制定。在制定NFV标准方面，“思科”是最早的实现者，其他网络厂商即使NFV技术理念高度一致，在网络设备的实现上也存在差异，在不能实现互通的情况下，跟随“思科”推出了类似的虚拟化功能［2］。

2.2 理论支撑情况不同

SDN 有基本的理论支撑，而NFV则是从实际出发，缺乏足够的理论支撑。SDN 技术新颖，有望引领网络变革，目前仍处于发展阶段，尽管已经应用到一定程度，但仍存在一些亟待解决的问题。

2.3 技术上存在差异

SDN的产生是为了解决传统网络发展缓慢、维护成本高的问题，服务商尝试构建新型网络架构，希望能将控制面（各种软件）与硬件进行解耦，实现底层操作系统、基础软件协议及增值业务软件的开源自研［3］。NFV对现有网络和业务影响不大，相对稳定可行，能发挥一定的增益作用。

2.4 两者实现理念不同

SDN的理念是将网络设备的控制和转发功能解耦，使网络设备的控制面可直接编程，将网络服务从底层硬件设备中抽象出来，并将决策转移到虚拟网络控制平面。硬件继续引导和处理流量，控制平面决定将流量发送目的地，不需要依赖硬件设备［4］。NFV 也是一种网络架构，它将传统物理设备的网络功能封装成独立的模块化软件，通过在硬件设备上运行不同的模块化软件，在单一硬件设备上实现多样化的网络功能，NFV的目标是将所有物理网络资源进行虚拟化，允许网络在不添加更多设备的情况下增长，而目标的实现依赖于硬件设备［5］。

除了以上几点，SDN和NFV的不同之处还表现在目标、关键点、起源等方面，具体差异见表1。综上所述，NFV技术属于平滑渐进式演进，而SDN对现有网络架构方案可以说是颠覆性的改变，虽然与NFV的理念有很大不同且不可避免地存在一些需要解决和优化的问题，但是其具有新颖的技术和先进的理念，因此发展空间要大于 NFV。

3 SDN和NFV在数据中心应用中面临的挑战

3.1 可靠性问题

数据中心对可靠性的要求达到  99.999%，几乎要求做到万无一失。基于通用服务器的虚拟化核心网络设备虽然兼容性强、部署灵活，但是可靠性比专用高性能网络设备低。虚拟化核心网络设备的可靠性较低的原因在于主流系统是基于开源的KVM平台开发，虽然开源程度高，有丰富的部署经验，但是对于处理器没有虚拟化扩展的老版本服务器来说，KVM全虚拟化可靠性差且运行效率极低。

3.2 关于利益转让的疑虑

虽然软件可以通过不同的平台进行编译，非常灵活，但是这些软件技术最终还是要依靠转发芯片的硬件实现流量转发。在现有情况下，芯片企业不愿冒险进行大规模尝试，尽管SDN是网络发展的趋势，但就目前而言，市场份额和发展方向并不明朗，单一针对SDN的需求开发新芯片、架设流水线将耗费大量资金。由于芯片产品线较少，转发芯片对软件和虚拟化技术的支持严重不足，因此对网络软件技术的进步造成了进一步的阻碍。从另一方面看，全世界能提供网络芯片的企业屈指可数，芯片巨头企业对SDN和NFV技术的普及还存在一定疑虑，担忧新兴技术带来的变革会导致企业地位和话语权降低。“思科”虽然推出了ACI策略，但是从根本上是要保住智能硬件的作用，而非任由软件对其网络设备进行配置。以“思科”为代表的传统网络设备厂商和一些研究SDN的软件科研人员和学者形成了2个阵营的对峙。厂商希望路由交换设备可以主导市场，如果软件落地，管理所有功能，硬件只能做配角，将严重威胁传统厂商的利益。利益上有矛盾也是SDN发展缓慢的一个原因。

3.3 行业标准的制定

目前，还没有一个统一的行业标准，虽然SDN有 OpenFlow 协议，但是各网络厂商对 OpenFlow 的理解和技術实现并不一样，在具体实现上差别很大，因此不能实现互通。NFV则不存在完全属于私有技术的可参照的统一标准，无法在不同厂商的设备之间支持虚拟化，这些难点也成为阻碍SDN技术进入数据中心的障碍。虽然数据中心已经开始使用SDN和NFV技术，但是SDN技术只实现部分功能，并不能显示这一技术的优越性，因此实际上给数据中心带来的并不是真正意义上的革命。

针对以上问题，本文提出如下建议：首先，虚拟化核心网络设备可靠性较低的问题可通过推动VMware平台进一步开放解决，推动SDN厂商对接私有云引入SDN。其次，完善和优化控制器软件架构和性能，推动相关厂商发布符合OpenFlow协议规范的芯片。最后，制定行业标准，进一步标准化SDN架构，按照 ONF（开放网络基金会）等组织的定义进行分层，按照ETSI（欧洲电信标准协会）标准对NFV进行定义，在数据中心混合组网时，统一接口标准，明确SDN和NFV融合架构模式。

4 结语

综上所述，将SDN和NFV技术引入数据中心建设中，可以提升系统的灵活性及资源整合的力度，打破传统网络架构的束缚，使数据中心适应部署新技术的要求。应用过程虽然存在挑战，但是SDN和NFV技术能够带给业界的改变超过了技术本身，网络架构及运维模式的改变随着技术进步不断凸显，需要不断探索和实践。

5 参考文献

［1］赵辉，丁鸣，程青松，等.SDN与NFV技术在云数据中心的规模应用［J］.电信科学，2016，32（1）：144-151.

［2］宫良.SDN/NFV技术在未来城域网中的应用［J］.广播与电视技术，2018，45（1）：16-20.

［3］王磊.基于NFV与SDN高度融合的网络虚拟化体系解析［J］.电视技术，2022，46（4）：165-169.

［4］林华，薛静宜.软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）技术研究及部署［J］.广播电视网络，2022，29（1）：106-108.

［5］张小容.5G移动通信网络架构中SDN和NFV的应用略论［J］.长江信息通信，2021，34（8）：219-221.

*黄河交通学院智能汽车计算机视觉工程研究中心项目（22KYGJ01）。

【作者简介】张兰兰，女，河南鹿邑人，硕士，任职于黄河交通学院智能工程学院，助教，研究方向：图形图像处理与模式识别；冯影，女，河南焦作人，硕士，任职于黄河交通学院智能工程学院，助教，研究方向：教育技术学。

【引用本文】张兰兰，冯影.SDN与NFV技术在数据中心建设中的应用及发展探析［J］.企业科技与发展，2023（5）：21-23.