云数据中心网络与SDN技术架构与实现

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前言
第1章　云数据中心网络演进 1
1.1　传统的3-Tier架构 1
1.2　设备“多虚一”——虚拟机框 2
1.2.1　Cisco VSS 2
1.2.2　Juniper VC与H3C IRF 4
1.3　高级STP欺骗——跨设备链路聚合 4
1.3.1　Cisco vPC 4
1.3.2　Juniper MC-LAG和Arista M-LAG 6
1.4　变革3-Tier——向Leaf-Spine演进 6
1.5　初识大二层 9
1.6　插叙——虚拟机的接入 10
1.6.1　VEB 10
1.6.2　Cisco VN-TAG 11
1.6.3　VEPA 12
1.6.4　VEB性能优化 13
1.7　消除STP——Underlay L2MP 14
1.7.1　TRILL 15
1.7.2　SPB 17
1.8　Cisco私有的大二层——FabricPath 19
1.8.1　整体设计 19
1.8.2　控制与转发过程分析 21
1.8.3　其他技术细节 25
1.9　Juniper私有的大二层——QFabric 25
1.9.1　整体设计 26
1.9.2　集中式的控制机制 29
1.9.3　控制与转发过程分析 30
1.10　Brocade私有的大二层——VCS 32
1.10.1　整体设计 33
1.10.2　控制与转发过程分析 33
1.10.3　其他技术细节 35
1.11　跨越数据中心的二层——DCI优化 36
1.11.1　Cisco OTV 36
1.11.2　HUAWEI EVN与H3C EVI 38
1.12　端到端的二层——NVo3的崛起 39
1.12.1　VxLAN 39
1.12.2　NvGRE 41
1.12.3　STT 42
1.12.4　Geneve 43
1.13　新时代的开启——SDN入场 45
1.14　Overlay*新技术——EVPN 46
1.14.1　传统网络对SDN的反击 46
1.14.2　组网与数据模型 47
1.14.3　控制信令的设计 48
1.15　Underlay*新技术——Segment Routing 55
1.15.1　SID与Label 56
1.15.2　控制与转发机制 57
1.15.3　SDN 2.0？ 60
1.16　本章小结 62
第2章　杂谈SDN 63
2.1　SDN与传统网络——新概念下的老问题 63
2.2　转控分离——白盒的曙光 66
2.2.1　芯片级开放 68
2.2.2　操作系统级开放 71
2.2.3　应用级开放 75
2.2.4　机箱级开放 76
2.2.5　白盒的“通”与“痛” 77
2.3　网络可编程——百家争鸣 78
2.3.1　芯片可编程 78
2.3.2　FIB可编程 80
2.3.3　RIB可编程 83
2.3.4　设备配置可编程 85
2.3.5　设备OS和控制器可编程 88
2.3.6　业务可编程 88
2.4　集中式控制——与分布式的哲学之争 89
2.4.1　在功能上找到平衡点 90
2.4.2　在扩展性和可用性上找到平衡点 91
2.5　回归软件本源——从N到D再到S 94
2.5.1　模块管理 94
2.5.2　模块间通信 95
2.5.3　接口协议适配 96
2.5.4　数据库 97
2.5.5　集群与分布式 98
2.5.6　容器与微服务 99
2.6　本章小结 100
第3章　SDDCN概述 101
3.1　需求 101
3.1.1　自动化与集中式控制 101
3.1.2　应用感知 103
3.2　整体架构 105
3.2.1　实现形态 105
3.2.2　功能设计 107
3.3　关键技术 107
3.3.1　网络边缘 107
3.3.2　网络传输 110
3.3.3　服务链 112
3.3.4　可视化 115
3.3.5　安全 117
3.3.6　高可用 120
3.4　本章小结 122
第4章　商用SDDCN解决方案 123
4.1　VMware NSX 123
4.1.1　从NVP到NSX 124
4.1.2　NVP控制平面设计 125
4.1.3　NVP数据平面设计 125
4.1.4　NVP转发过程分析 126
4.1.5　NSX-V整体架构 128
4.1.6　NSX-V管理平面设计 129
4.1.7　NSX-V控制平面设计 130
4.1.8　NSX-V数据平面设计 132
4.1.9　NSX-V转发过程分析 132
4.1.10　NSX-MH与NSX-T 139
4.2　Cisco ACI 140
4.2.1　整体架构 141
4.2.2　管理与控制平面设计 142
4.2.3　数据平面设计 145
4.2.4　转发过程分析 152
4.2.5　议ACI与SDN 154
4.3　Cisco VTS 155
4.3.1　整体架构 156
4.3.2　管理与控制平面设计 158
4.3.3　数据平面设计 159
4.4　Juniper Contrail 162
4.4.1　整体架构 164
4.4.2　管理与控制平面设计 167
4.4.3　数据平面设计 173
4.4.4　转发过程分析 175
4.5　Nuage VCS 176
4.5.1　整体架构 178
4.5.2　管理平面设计 179
4.5.3　控制平面设计 179
4.5.4　数据平面设计 180
4.6　Arista EOS与CloudVison 181
4.6.1　整体架构 183
4.6.2　管理与控制平面设计 185
4.6.3　数据平面设计 187
4.7　HUAWEI AC-DCN 187
4.7.1　整体架构 187
4.7.2　管理平面设计 189
4.7.3　控制平面设计 189
4.7.4　数据平面设计 193
4.8　Bigswitch BCF与BMF 194
4.8.1　整体架构 195
4.8.2　BCF控制平面设计 196
4.8.3　BMF控制平面设计 201
4.8.4　数据平面设计 205
4.9　Midokura Midonet 207
4.9.1　整体架构 207
4.9.2　控制平面设计 210
4.9.3　数据平面设计 213
4.10　PLUMgrid ONS 217
4.10.1　整体架构 217
4.10.2　数据平面设计 219
4.10.3　控制平面设计 221
4.10.4　转发过程分析 222
4.11　Plexxi Switch与Control 225
4.11.1　整体架构 225
4.11.2　数据平面设计 227
4.11.3　控制平面设计 229
4.12　Pluribus 230
4.12.1　Server Switch设计 231
4.12.2　Netvisor设计 232
4.12.3　再议数据中心SDN 235
4.13　本章小结 236
第5章　开源SDDCN：OpenStack Neutron的设计与实现 237
5.1　网络基础 237
5.1.1　网络结构与网络类型 238
5.1.2　VLAN网络类型中流量的处理 239
5.2　软件架构 242
5.2.1　分布式组件 242
5.2.2　Core Plugin与Service Plugin 243
5.3　WSGI与RPC的实现 245
5.3.1　Neutron Server的WSGI 245
5.3.2　Neutron Plugin与Neutron Agent间的RPC 247
5.4　虚拟机启动过程中网络的相关实现 248
5.4.1　虚拟机的启动流程 248
5.4.2　Nova请求Port资源 250
5.4.3　Neutron生成Port资源 250
5.4.4　Neutron将Port相关信息通知给DHCP Agent 252
5.4.5　DHCP Agent将Port相关信息通知给DHCP Server 252
5.4.6　Nova拉起虚拟机并通过相应的Port接入网络 252
5.5　OVS Agent的实现 253
5.5.1　网桥的初始化 253
5.5.2　使能RPC 255
5.6　OVS Agent对Overlay L2的处理 256
5.6.1　标准转发机制 256
5.6.2　arp_responder 258
5.6.3　l2_population 260
5.7　OVS Agent对Overlay L3的处理 261
5.7.1　标准转发机制 261
5.7.2　DVR对东西向流量的处理 262
5.7.3　DVR对南北向流量的处理 267
5.8　Security-Group与FWaaS 268
5.8.1　Neutron-Security-Group 268
5.8.2　FWaaS v1 269
5.8.3　FWaaS v2 269
5.9　LBaaS 270
5.9.1　LBaaS v1 270
5.9.2　LBaaS v2 271
5.9.3　Octavia 271
5.10　TaaS 272
5.11　SFC 274
5.12　L2-Gateway 275
5.13　Dynamic Routing 277
5.14　VPNaaS 279
5.15　Networking-BGPVPN与BagPipe 280
5.15.1　Networking-BGPVPN 280
5.15.2　BagPipe 280
5.16　DragonFlow 282
5.17　OVN 287
5.18　本章小结 290
第6章　开源SDDCN：OpenDaylight相关项目的设计与实现 291
6.1　架构分析 291
6.1.1　AD-SAL架构 292
6.1.2　MD-SAL架构 293
6.1.3　YANG和YANG-Tools 294
6.1.4　MD-SAL的内部设计 294
6.1.5　MD-SAL的集群机制 296
6.1.6　其他 298
6.2　OpenFlow的示例实现 298
6.2.1　OF交换机的上线 299
6.2.2　l2switch获得PacketIn 301
6.2.3　l2switch下发PacketOut和FlowMod 302
6.3　OpenStack Networking-ODL 303
6.3.1　v1 303
6.3.2　v2 304
6.4　Neutron-Northbound的实现 306
6.4.1　对接Networking-ODL 306
6.4.2　RESTful请求的处理示例 306
6.5　Netvirt简介 307
6.5.1　OVSDB-Netvirt和VPNService的合并 307
6.5.2　Genius 309
6.6　Netvirt-OVSDB-Neutron的实现 311
6.6.1　net-virt分支 311
6.6.2　net-virt-providers分支 317
6.7　Netvirt-VPNService的实现 321
6.7.1　elanmanager 323
6.7.2　vpnmanager 326
6.8　SFC的实现 328
6.8.1　sfc-openflow-renderer分支 328
6.8.2　sfc-scf-openflow分支 335
6.9　VTN Manager的实现 336
6.9.1　neutron分支 337
6.9.2　implementation分支 339
6.10　本章小结 342
第7章　开源SDDCN：ONOS相关项目的设计与实现 343
7.1　架构分析 343
7.1.1　分层架构 344
7.1.2　分层架构的实现 345
7.1.3　模块的开发 347
7.1.4　分层架构存在的问题 347
7.1.5　数据存储与集群 348
7.1.6　其他 349
7.2　OpenFlow的示例实现 349
7.2.1　OF交换机的上线 350
7.2.2　fwd获得PacketIn 352
7.2.3　fwd下发PacketOut和FlowMod 356
7.3　ONOSFW的实现 359
7.3.1　vtnmgr分支 359
7.3.2　sfcmgr分支 363
7.4　SONA的实现 365
7.4.1　openstacknode分支 366
7.4.2　openstacknetworking分支 368
7.5　CORD简介 371
7.5.1　R-CORD的架构 372
7.5.2　R-CORD的控制与转发机制 373
7.6　本章小结 376
第8章　学术界相关研究 377
8.1　拓扑 377
8.1.1　FatTree 377
8.1.2　VL2 379
8.1.3　DCell 380
8.1.4　FiConn 382
8.1.5　BCube 384
8.1.6　MDCube 385
8.1.7　CamCube 387
8.2　路由 388
8.2.1　Seattle 388
8.2.2　FatTree 391
8.2.3　VL2 393
8.2.4　PortLand 396
8.2.5　SecondNet 400
8.2.6　SiBF 401
8.2.7　SPAIN 402
8.2.8　WCMP 404
8.2.9　OF-based DLB 406
8.2.10　Flowlet与CONGA 406
8.2.11　Hedera 408
8.2.12　DevoFlow 409
8.2.13　MicroTE 409
8.2.14　Mahout 410
8.2.15　F10 410
8.2.16　DDC 411
8.2.17　SlickFlow 412
8.2.18　COXCast 413
8.2.19　Avalanche 415
8.3　虚拟化 416
8.3.1　NetLord 416
8.3.2　FlowN 418
8.3.3　FlowVisor 420
8.3.4　ADVisor 421
8.3.5　VeRTIGO 423
8.3.6　OpenVirteX 424
8.3.7　CoVisor 426
8.4　服务链 427
8.4.1　pSwitch 427
8.4.2　FlowTags 428
8.4.3　Simple 430
8.4.4　StEERING 432
8.4.5　OpenSCaaS 434
8.4.6　SPFRI 435
8.5　服务质量 437
8.5.1　NetShare 437
8.5.2　Seawall 438
8.5.3　GateKeeper 439
8.5.4　El