SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

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1前言

為了滿足未來互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需要，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了“當(dāng)前是采取新的設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架的時(shí)候”的趨勢(shì)，對(duì)以后網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)提出了本質(zhì)上變革和多業(yè)務(wù)功能開發(fā)需。軟件定義網(wǎng)絡(luò)sdn的出現(xiàn)使得研究人員有了全新的研究理念。從SDN的提出、發(fā)展、基本理論介紹入手，對(duì)SDN的技術(shù)特征、邏輯構(gòu)架作了相應(yīng)的分析，對(duì)SDN的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行作了適當(dāng)?shù)年U述，提出了未來發(fā)展過程中SDN面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并對(duì)可能的探索方向作了相應(yīng)的總結(jié)。

2SDN起源與概念

2006年，斯坦福大學(xué)開始實(shí)施“Clean-SlateDesignfortheInternet”項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是探索與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不一樣的全新的互聯(lián)網(wǎng)思想，解決現(xiàn)在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的局限性，以高效地推動(dòng)創(chuàng)新科技與新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。在這個(gè)項(xiàng)目中，斯坦福大學(xué)的NickMcKeown教授和他的學(xué)生MartinCasado等設(shè)計(jì)了一種Ethane網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)，它是向以流為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)過集中控制器發(fā)送路由策略與控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)流的控制和路由的統(tǒng)一。之后NickMcKeown教授與MartinCasado等研究人員提出OpenFlow的理念，其基本觀點(diǎn)是將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面相分離，以標(biāo)準(zhǔn)化接口的形式采取一個(gè)集中控制器對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)施作相應(yīng)的管理與配置，而這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)施只執(zhí)行接收控制器的命令和轉(zhuǎn)發(fā)操作。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)資源靈活性設(shè)計(jì)、高效集中的管理和分布式的使用提供了強(qiáng)有力的支持，有效推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步革新與發(fā)展。因?yàn)镺penFLow具備開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)編程接口，所以Ethane被業(yè)界普遍認(rèn)為是SDN技術(shù)的起源與雛形理念。作為一種新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，SND經(jīng)過對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施數(shù)據(jù)平面與控制平面的分離，將網(wǎng)絡(luò)控制與資源調(diào)度能力抽象為應(yīng)用程序接口（API:ApplicationProgrammingInterface），并將其提供給應(yīng)用層，從而構(gòu)建了可編程的、具有開放性的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，在對(duì)各種底層網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的前提下，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中的管理與控制。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將控制系統(tǒng)嵌入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中相對(duì)比，SDN能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)設(shè)施的控制能力集中到中央控制器，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)使得業(yè)務(wù)配置與網(wǎng)絡(luò)控制更加自動(dòng)化、更加靈活。

3SDN體系架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

3.1SDN體系架構(gòu)

從現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信路由交換設(shè)備設(shè)計(jì)上來看，它由控制、轉(zhuǎn)發(fā)和管理三個(gè)平面組成，從功能邏輯上進(jìn)行3個(gè)不同層次的劃分，各負(fù)其責(zé)。其中控制層面需要支持的各種規(guī)范與協(xié)議，如IGP、BGP、Multi-Casting、QOS、TE、NAT、firewall、MPLS、VPN等，已經(jīng)使得路由器的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)流程都非常復(fù)雜。SDN目的就是把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制平面功能從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件中剝離出來，由單獨(dú)的服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理。軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖，是ONF（OpenNetwork-ingFoundation:開放基金會(huì)）提出的SDN的典型構(gòu)架，從上到下，SDN網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架包括應(yīng)用層、控制層與基礎(chǔ)設(shè)備層3部分。其中應(yīng)用層在上層，包含各種不同的應(yīng)用與業(yè)務(wù)，控制層在中層，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度作相應(yīng)的處理，對(duì)狀態(tài)信息與網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)作適當(dāng)?shù)木S護(hù)，基礎(chǔ)設(shè)備層在下層，主要具有狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理功能。SDN有兩個(gè)關(guān)鍵的接口，分別是控制層與應(yīng)用層之間的接口以及基礎(chǔ)設(shè)備層與控制層之間的接口，這兩個(gè)接口在SDN構(gòu)架中占據(jù)十分重要的地位。其中，基礎(chǔ)設(shè)備層中的經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施與控制層中控制軟件之間的接口叫做控制數(shù)據(jù)面接口；應(yīng)用層各個(gè)應(yīng)用與控制層之間的接口叫做API接口；OpenFlow網(wǎng)絡(luò)主要由3個(gè)部分組成，分別是：OpenFlow協(xié)議、安全通道與OpenFlow交換由流表。OpenFlow交換接到報(bào)文數(shù)據(jù)后，第一步是對(duì)流表作相應(yīng)的查找，找到對(duì)應(yīng)匹配的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文數(shù)據(jù)，并給出相關(guān)操作。如果沒有找到表項(xiàng)匹配，就把報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制層中，讓控制器負(fù)責(zé)其下一步的轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作?？刂破鹘?jīng)過OpenFlow協(xié)議來操作，并對(duì)OpenFlow交換中的流表作相應(yīng)的更新，從而能夠集中對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行控制與管理。控制層對(duì)底層互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)資源作相應(yīng)的抽象，為上層應(yīng)用層提供全局的虛擬化視圖，完全通過軟件實(shí)現(xiàn)，脫離了網(wǎng)絡(luò)控制功能與硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)施之間的緊耦合捆綁?？刂茖訛閼?yīng)用層提供了具備開放性的接口，能夠?qū)刂破鲌?zhí)行編程操作，來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)流量以及各種流量模型的控制，從而方便網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量的感知，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)智能化的實(shí)現(xiàn)。

3.2SDN架構(gòu)的特征

從上述介紹中能夠看出，歸納總結(jié)起來，SDN應(yīng)具備的3大特點(diǎn)：

（1）集中化控制：通過SDN的三層結(jié)構(gòu)，控制器的集中控制可以獲取互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的所有信息，并可以按照業(yè)務(wù)的實(shí)際需要對(duì)資源進(jìn)行全局的優(yōu)化與配置，例如負(fù)載平衡、QOS、流量工程等。與此同時(shí)，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)通過集中控制功能能夠在邏輯層面被看做是由一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施執(zhí)行維護(hù)與運(yùn)行功能，不用到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)物理設(shè)施作相應(yīng)的配置，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與控制方便性的全面提升。

（2）開放接口：通過北向與南向接口的開放，使得網(wǎng)絡(luò)能夠與各類業(yè)務(wù)需要無縫銜接，經(jīng)過開放接口人為靈活地使用編程的方式通知網(wǎng)絡(luò)怎樣工作才更能符合業(yè)務(wù)的需要，比如延遲、帶寬、服務(wù)類型、計(jì)費(fèi)等對(duì)路由的影響等。同時(shí)，通過可編程接口，可以使得用戶自主對(duì)資源進(jìn)行調(diào)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行開發(fā)，使得新業(yè)務(wù)的上線周期明顯縮短。

（3）網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化：通過南向接口的開放，能夠?qū)Φ讓游锢磙D(zhuǎn)發(fā)設(shè)施間的差別進(jìn)行屏蔽，使得底層網(wǎng)絡(luò)對(duì)上層應(yīng)用具備較強(qiáng)的透明性。當(dāng)物理網(wǎng)絡(luò)與邏輯網(wǎng)絡(luò)分離開后，邏輯網(wǎng)絡(luò)能夠按照實(shí)際業(yè)務(wù)的要求，在不受到物理設(shè)施所處位置的約束條件下進(jìn)行遷移與配置。而且，邏輯網(wǎng)絡(luò)還能夠滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)定制與多用戶的共享需要。SDN的轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面的分離，使得把控制器從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施中抽離出來并集中控制有了可供參考的依據(jù)。南向接口理念（OpenFlow）的提出，使得底層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施的集中控制與管理成為了可能。對(duì)上層應(yīng)用來說，物理網(wǎng)絡(luò)具有透明化的特點(diǎn)。SDN的體系架構(gòu)和多樣化的標(biāo)準(zhǔn)接口，未來會(huì)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)能力更加方便地調(diào)用，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也更容易的被創(chuàng)新。

3.3SDN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

ONF是推動(dòng)SDN網(wǎng)絡(luò)規(guī)范化工作的國(guó)際組織之一。ONF標(biāo)準(zhǔn)組織為SDN體系規(guī)范化的首個(gè)接口就是OpenFlow，當(dāng)前有關(guān)規(guī)范的定義已經(jīng)更新到了1.4版本。雖然ONF是制定SDN標(biāo)準(zhǔn)的主要組織，而牽涉到互聯(lián)網(wǎng)虛擬化規(guī)范制定的則是ETSINFV（NetworkFunctionVirtualization：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）。而且，許多有關(guān)的規(guī)范化組織也都在大力進(jìn)行SDN標(biāo)準(zhǔn)的制定，例如IETF（InternetEngineeringTaskForce：互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）、ITU-T（ITU-TforITUTelecommunicationStan-dardizationSector：國(guó)際通信聯(lián)盟電信規(guī)范化組織）等。NFV主要是部署大量服務(wù)器，通過服務(wù)器的容量堆疊和虛擬化實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)容量的擴(kuò)大，其目標(biāo)是希望經(jīng)過采取行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)、儲(chǔ)存、服務(wù)器以及規(guī)范化互聯(lián)網(wǎng)虛擬化技術(shù)所承載的軟件功能，確保能夠靈活地加載各種軟件，從而可以在用戶端、控制器以及數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)靈活的配置與部署，使得各種業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度與難度都得以顯著下降。IETF研究在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各類協(xié)議的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間添加SDN插件來開展開放式能力的封裝，以對(duì)已有的各種IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與路由協(xié)議進(jìn)行重用與保留。ITU-T研究組是討論SDN構(gòu)架與信令需求的探索工作，對(duì)SDN協(xié)議兼容性、消息的實(shí)現(xiàn)協(xié)議與機(jī)制、消息參考架構(gòu)、消息需求等標(biāo)準(zhǔn)的制定，并將確保能夠與ONF制定的OF-CONFIG與OpenFlow協(xié)議具有較好的兼容性。總體來說，SDN目前雖然在市場(chǎng)上已經(jīng)開始了應(yīng)用，但是各研究機(jī)構(gòu)對(duì)SDN的研究標(biāo)準(zhǔn)還有待統(tǒng)一和未來進(jìn)一步的完善發(fā)展。

4SDN技術(shù)在未來的發(fā)展

SDN將網(wǎng)絡(luò)底層的各類實(shí)體資源虛擬化--軟件可以實(shí)時(shí)地對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過北向接口編程的方式進(jìn)行重新定義和重寫，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要具備基本轉(zhuǎn)發(fā)功能的硬件設(shè)備就可以了，大大降低了網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備各項(xiàng)功能的依賴程度；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制集中化，業(yè)務(wù)配置虛擬化，設(shè)備硬件商品化，使得網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和性能迅速和靈活地?cái)U(kuò)充。SDN技術(shù)的興起在面臨眾多挑戰(zhàn)的同時(shí)，也帶來了很多發(fā)展機(jī)遇。SDN可擴(kuò)展性的探索使得SDN具有深入發(fā)展的可能性，OpenFlow協(xié)議已經(jīng)成為SDN使用最為普遍的一種南向接口標(biāo)準(zhǔn)，但是該協(xié)議仍然不夠完善，版本仍然處于快速更新中。SDN的業(yè)界應(yīng)用沒有一個(gè)統(tǒng)一詳細(xì)的技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而且一些關(guān)鍵技術(shù)的研究突破還有待時(shí)日。SDN技術(shù)探索現(xiàn)在主要在如下幾點(diǎn)進(jìn)行：

（1）SDN跨域通信與規(guī)模部署研究；

（2）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN共存問題研究；

（3）SDN在大數(shù)據(jù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)中心的研究；

（4）SDN網(wǎng)絡(luò)的安全以及控制器的熱備份等問題的研究；

（5）SDN與其他新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的研究。

作者：陳偉東 單位：中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司