软件定义网络

软件定义网络解决传统网络问题的探究

摘要

SDN是近年来继云计算后，学术界和产业界最为关注的网络技术。首先介绍了传统网络存在的问题；然后介绍了SDN的产生背景、体系架构以及关键技术；最后分析了SDN对传统网络问题的解决。

关键词：软件定义网络；OpenFlow；开放网络

第一章引言

软件定义网络（Software Defined Network，SDN），是由美国斯坦福大学CLean State课题研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

传统网络的世界是水平标准和开放的，每个网元可以和周边网元进行完美互联；计算机的世界则不仅水平标准和开放，同时垂直也是标准和开放的，从下到上有硬件、驱动、操作系统、编程平台、应用软件等等，编程者可以很容易地创造各种应用。

和计算机对比，在垂直方向，从某个角度来说，网络是“相对封闭”和没有“框架”的，在垂直方向创造应用、部署业务是相对困难的。但SDN将在整个网络（不仅仅是网元）的垂直方向，让网络开放、标准化、可编程，从而让人们更容易、更有效地使用网络资源。所以，SDN不能丢掉网络水平方向标准、易互通、节点智能的优势。

第二章传统网络存在的问题

目前，随着互联网爆炸式地增长，除了规模和发展远超之前所有曾出现的数据网络，业务的快速创新也很令人眼花缭乱。近年来，随着各种实时业务如视频语音、云数据中心和移动业务的迅速发展，人们突然发现，传统网络已经无法满足当前的需求：

1、缺失的体验保证

到目前为止，绝大多数IP网络都是基于无连接的，只有基于大宽带的粗放带宽保障措施，质量保证和监控基本处于放弃状态。其后果就是，业务只有连通，而无体验的保证，从而导致业务质量受损。

2、低效的业务部署

由于网络和业务割裂，目前大部分网络的配置是通过命令行或者网管、由管理员手工配置的，本身是一个静态的网络。当遇到需要网络及时做出调整的动态业务时，就显得非常低效，甚至无法实施。

3、缓慢的业务适应

网络无法满足业务的需求，需求持续数年的特性和架构调整、引入新设备，才能满足新业务的需求。例如：云数据中心的虚拟机和虚拟网络运营业务，传统二层的VLAN机制无法满足扩展性，对交换机设备提出了新承载协议的要求，此时物理网络设备更加无法及时适应，靠软件实现的虚拟Switch、通过VxLAN或NvGRE的Overlay的方式，才绕过了物理

交换机对的限制。

多年来，人们确实想出了一些解决问题的办法，但是常常是解决了一个问题，另一个问题又冒出来了。因为大家忽略了这些问题是传统网络的基本属性决定的，以IP为代表（以太网也在其列）的这种业务无需知道网络、网络也无需知道业务的解耦模式，造就了互联网的快速业务创新，同时也造成了业务和网络的天然割裂，不从网络基础架构入手，问题很难得到根本的解决。

第三章SDN体系结构

3.1 SDN的产生背景

SDN是起源于美国斯坦福大学实验室的研究项目的技术，并不是在其产生时就具有该名称。2006年斯坦福的学生Casado M和他的导师Mc Keown N教授受其研究项目Ethane[1]启发，提出了Open Flow的概念。该项目试图通过一个集中式的控制器，让网络管理员可以方便地定义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通信的安全控制。在随后的2008年，Mc Keown N等人在ACM SIGCOMM 发表了题为Open Flow: enabling innovation in campus networks[2]的论文。文中首次详细地介绍Open Flow的概念，即将传统网络设备的数据平面和控制平面两个功能模块相分离，通过集中式的控制器（controller）以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置。这种网络架构为网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性，从而更容易推动网络的革新与发展。在此基础上，基于Open Flow为网络带来的可编程特性，Mc Keown教授进一步提出了SDN 最早的概念[3]。

由此可见，SDN的产生与Open Flow协议密切相关。现在业界普遍将基于Open Flow 协议的SDN视为狭义SDN。

随着SDN的发展，越来越多的厂商加入SDN的研究行列。由于不同行业、不同应用对SDN有着各自不同的需求，因此在谈论SDN时通常也有着不同的理解。在网络科研领域，利用SDN快速地部署和试验创新的网络架构与通信协议；大型互联网公司希望SDN提供掌握网络深层信息的可编程接口，以优化和提升业务体验；云服务提供商希望SDN提供网络虚拟化和自动配置，以适应其扩展性和多租户需求；ISP希望利用SDN简化网络管理以及实现快速灵活的业务提供；企业网用户希望SDN实现私有云的自动配置和降低设备采购成本。基于这些需求，在思科等厂商的推动下，IETF、IEEE等标准组织去除了SDN与Open Flow的必然联系，保留了可编程特性，从而扩展出SDN的广义概念，即泛指基于开放接口实现软件可编程的各种基础网络架构，进而将具备控制转发分离、逻辑集中控制、开放API 3个基本特征的网络纳入SDN的广义概念下，目前这一概念的发展由IETF主推。

3.2 SDN的网络架构及关键技术

3.2.1 SDN的网络架构

图1是业界广泛认同的SDN模型架构。该模型架构分为3层，其中基础设施层主要由支持Open Flow协议的SDN交换机组成。控制层主要包含Open Flow控制器及网络操作系统（network operation system, NOS）。控制器是一个平台，该平台向下可以直接与使用Open Flow协议的交换机（以下简称SDN交换机）进行会话；向上，为应用层软件提供开放接口，

用于应用程序检测网络状态、下发控制策略。位于顶层的应用层由众多应用软件构成，这些软件能够根据控制器提供的网络信息执行特定控制算法，并将结果通过控制器转化为流量控制命令，下发到基础设施层的实际设备中。根据上述论述，Open Flow协议、网络虚拟化技术和网络操作系统是SDN区别于传统网络架构的关键技术。

图1 SDN模型架构

3.2.2 OpenFlow协议

从SDN的起源可看出，Open Flow协议是SDN实现控制与转发分离的基础。业界为了推动SDN发展并统一Open Flow标准，组建了标准化组织开放网络基金会（Open Networking Fundation，ONF）[4]。目前，ONF已成为SDN标准制定的重要推动力量，其愿景就是使基于Open Flow协议的SDN成为网络新标准。自2009年10月发布Open Flow标准第一个版本以来，ONF先后发布了1.1、1.2、1.3等版本。Open Flow协议发表的详细情况如表1所示。

表1 OpenFlow协议发表情况

Open Flow规范主要由端口、流表、通信信道和数据结构4部分组成。由于篇幅原因，本文不对该规范做展开论述，主要介绍Open Flow的运行原理。

图2反映了Open Flow对数据分组的处理机制。

一个Open Flow交换机包括一个或者多个流表（flow table）和一个组表（group table）。流表中的每个流条目包括如下3个部分。

匹配（match）：根据数据分组的输入端口、报头字段以及前一个流表传递的信息，匹配已有流条目。