● 摘要
云计算的应用逐渐成为IT服务的主要趋势之一，越来越多的软件与应用程序通过云计算提供弹性、可靠的服务能力。云计算平台面向上层应用提供计算、存储、网络以及安全等配套服务，这些服务相关的管理工作均是云计算平台下的重要基础支撑。虚拟网络是连接虚拟机的网络设施，是虚拟机之间通信的重要渠道。在云计算场景下，虚拟网络不仅承担虚拟机互连的基本功能，还需要在租户隔离控制、网络监控管理等方面提供高效便捷的保障支持。随着虚拟化计算的规模日益增长，研究较为完善的虚拟网络管理方案对于云计算服务具有重要意义。
目前已有的一些虚拟网络管理方案在管理灵活度和保障虚拟网络性能方面各有优缺点。基于虚拟交换形式的方案可以很好地兼容现有网络协议规范以及网络设施的工作机制，保障虚拟网络的性能，但是在租户隔离控制、网络运维管理方面显示出拓展性差、管理成本高等不足；基于层叠网形式的方案通过构建逻辑网络的方法将虚拟网络封装在物理网络中进行统一管理，在管理灵活度显著提升的同时却引入了较高的虚拟网络性能损失。
针对上述问题，本文调研分析软件定义网络（Software-Defined Networking, SDN）技术的发展与优势，结合虚拟网络管理面对的主要问题，提出一种基于SDN的虚拟网络管理方案，实现对虚拟网络高效、灵活的管理。本文的主要工作如下：
1. 结合SDN技术构建虚拟网络环境，设计基于SDN的虚拟网络管理方案总体结构。采用典型的SDN技术架构，由SDN控制器端负责对虚拟网络环境中设备的管理以及与虚拟化计算平台的交互工作，并对SDN控制器端管理程序进行模块化的划分与设计。
2. 设计由OpenFlow协议流表规则控制的虚拟网络互连与隔离方法，解决虚拟网络ARP广播报文集中响应处理、同子网内通信、跨子网三层路由通信以及虚拟机访问Internet等网络互连问题；另外，利用OpenFlow网络设备多级流表的工作机制灵活实现虚拟网络租户隔离的功能需求，隔离单元可拓展性强，同时兼容现有网络协议规范。
3. 设计基于SDN场景下的虚拟网络拓扑结构维护方法，具体包括OpenFlow协议网络拓扑发现机制以及虚拟化平台交互接口，为虚拟网络OpenFlow协议流表规则的管理与网络监控提供基础视图。
4. 设计虚拟网络负载分配算法与网络流量监控方法。由OpenFlow协议实现的虚拟网络路径选择算法以虚拟机为粒度进行路径选择，采用虚拟机负载分配算法可以在全局网络均衡分配虚拟机通信路径，避免负载失衡导致的过度竞争现象。基于OpenFlow协议的网络流量监控方法可以采集以虚拟机为粒度的网络总流量以及Internet访问流量，为云计算平台的监控与计费提供数据支持。
5. 基于上述工作实现虚拟网络管理原型系统FENet，并将FENet作为虚拟网络子模块集成至北京航空航天大学计算机新技术研究所研发的iVIC（Internet based Virtual Computing Infrastructure）平台。实验结果显示，FENet可以准确有效地控制虚拟网络互连与隔离，并且在虚拟网络性能方面比基于层叠网形式的OpenVPN方案提高约30%的网络带宽以及约57%的网络延迟性能。