文｜黃 濤 胡 坤

互聯(lián)網(wǎng)也擺脫不了自我否定的宿命

任何事物都擺脫不了產(chǎn)生，發(fā)展，蛻變，最終被替代的宿命，上世紀九十年代基于IP技術(shù)發(fā)展起來的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是這樣。最初的互聯(lián)網(wǎng)是為單一的數(shù)據(jù)通信需求而設(shè)計，其設(shè)計目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的健壯性和支持底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的異構(gòu)性，并且默認互聯(lián)的用戶屬于相互信任的團體。因此，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)僅支持盡力而為的服務(wù)，遵循“核心簡單，邊緣智能”的設(shè)計原則，網(wǎng)絡(luò)智能部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端上。這種體系結(jié)構(gòu)簡單，但保證了高效的互通和良好的演進性，并且一直沿用至今。

然而近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，大量新型接入技術(shù)如WiMAX、WiFi、無線局域網(wǎng)、藍牙，大量新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如移動自組織網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化日益嚴重。同時，隨著各種如M2M、P2P、SaaS、云計算、網(wǎng)格、普適計算和多樣化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式出現(xiàn)，各種新協(xié)議不斷疊加。這些新技術(shù)和應(yīng)用在推動整個通信領(lǐng)域進步的同時，也直接導(dǎo)致傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系擴展性差，網(wǎng)絡(luò)升級改造，新業(yè)務(wù)部署和日常的維護管理的困難日益凸顯，網(wǎng)絡(luò)對于設(shè)備的依賴性持續(xù)增強，缺失標準和公共的API，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備壟斷，難以按照業(yè)務(wù)需求實時配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化能力減弱，所有業(yè)務(wù)都承載在同一張物理網(wǎng)絡(luò)上，但卻難以按照邏輯功能進行區(qū)分，傳統(tǒng)的“核心簡單”的互聯(lián)網(wǎng)難以滿足網(wǎng)絡(luò)對可控、可管迫切的需求。有人把現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)戲稱是嚴重“鈣化”，復(fù)雜糾纏的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致了緩慢的業(yè)務(wù)發(fā)放和業(yè)務(wù)創(chuàng)新過程，最終導(dǎo)致了簡單粗放的管道商業(yè)模式。

互聯(lián)網(wǎng)的神話有待于繼續(xù)

圖1 ONF給出的SDN定義為業(yè)界廣泛接受

正如我們注定要跨越2012年12月21日這個被瑪雅占卜學(xué)家預(yù)言為世界的末日一樣，互聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)發(fā)展為擁有超過數(shù)億臺主機的復(fù)雜的超級信息系統(tǒng)，并正在深刻地影響著人類經(jīng)濟生活。一切都需要繼續(xù)，但是，互聯(lián)網(wǎng)如何繼續(xù)演繹其賴以成功的基本優(yōu)點如開放性原則、端到端原則、透明性原則、功能分層等，同時如何突破正在成為阻礙互聯(lián)網(wǎng)進一步發(fā)展的瓶頸和障礙，全球的網(wǎng)絡(luò)專家都在思考和探索，包括最初倡導(dǎo)并奠定互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)的鼻祖。

國際上對于未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑的探索分兩類：分布式Overlay方式和物理網(wǎng)絡(luò)方式，分布式Overlay方式以PlanetLab為典型代表，物理網(wǎng)絡(luò)方式以O(shè)penFlow為典型代表。PlanetLab是一種覆蓋網(wǎng)方式的大規(guī)模試驗網(wǎng)，節(jié)點大都由感興趣的研究機構(gòu)提供，所有節(jié)點通過當前互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)基礎(chǔ)連接，節(jié)點之間通過隧道或者其他方式互聯(lián)形成覆蓋網(wǎng)絡(luò)。OpenFlow是2008年正式發(fā)布的一種新的未來互聯(lián)網(wǎng)的探索方法，其主要思想是實現(xiàn)控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離，通過控制平面的可編程實現(xiàn)新技術(shù)的驗證。OpenFlow提供了開放源代碼的純軟件版本，同時通過與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商合作，可以在現(xiàn)網(wǎng)路由器上部署可編程、自配置的硬件板卡。如圖1所示。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），是由美國斯坦福大學(xué)Clean slate 研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，最早的倡導(dǎo)者是美國斯坦福大學(xué)的Nick McKeown教授。SDN描繪了美好的網(wǎng)絡(luò)演進前景：控制轉(zhuǎn)發(fā)分離：控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面之間采用標準接口協(xié)議OpenFlow，控制設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)表和端口狀態(tài)；集中式控制：控制器構(gòu)建整網(wǎng)視圖，基于整網(wǎng)視圖進行集中式路由決策，集中控制轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備行為；控制軟件客戶化定制：控制器軟件多樣化，開放可編程，甚至開源，客戶化定制；支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化：采用一個控制器時，整網(wǎng)作為一個整體集中控制；采用多個控制器時，基于整網(wǎng)視圖劃分虛擬網(wǎng)絡(luò)，由不同的控制器分別集中控制。當然，SDN與OpenFlow的核心價值并非僅限于傳輸與控制分離、軟件與硬件分開、集中管控、接口開放、網(wǎng)絡(luò)虛化，更重要的是它為網(wǎng)絡(luò)的開放創(chuàng)新打開了一扇窗戶。

圖2 OpenFlow交換機組成

管窺Openflow

每個OF交換機（Switch）都有一張流表，進行包查找和轉(zhuǎn)發(fā)。交換機可以通過OF協(xié)議經(jīng)一個安全通道連接到外部控制器（Controller）對流表進行查詢和管理。如圖2所示。

流表包括包頭域、活動計數(shù)器、以及執(zhí)行行動。對每一個包進行查找，如果匹配則執(zhí)行策略，否則通過安全通道將包轉(zhuǎn)發(fā)到控制器，控制器決策相關(guān)行為。

安全通道用來連接交換機和控制器，所有安全通道必須遵守OpenFlow協(xié)議?？刂破骺梢耘渲?、管理交換機、接收交換機的事件信息，并通過交換機發(fā)出網(wǎng)包等。

OpenFlow協(xié)議支持三種消息類型：controller-to-switch，asynchronous（異步）和symmetric（對稱），每一類消息又有多個子消息類型。controller-to-switch消息由控制器發(fā)起，用來對Switch進行狀態(tài)查詢和修改配置等操作；synchronous消息由switch發(fā)起，用來將某些網(wǎng)絡(luò)異步事件或交換機狀態(tài)變化更新到控制器；symmetric消息可由交換機或控制器發(fā)起，無需通過請求建立，用來檢測對方是否在線、建立連接等。

所謂虛擬交換（vSwitch）是利用虛擬平臺，通過軟件方式形成交換機部件，跟傳統(tǒng)物理交換機相比，虛擬交換機具備配置靈活和成本低廉的特點，其以開源技術(shù)為基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)為可移植的代碼?；谶@一理念，OpenFlow生態(tài)鏈中的四個關(guān)鍵組件：Open vSwitch、FlowVisor、NOX、Mininet。

Open vSwitch（OVS）以開源技術(shù)為基礎(chǔ)，定位為一個產(chǎn)品級質(zhì)量的多層虛擬交換機，通過支持可編程擴展來實現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)自動化。FlowVisor建立在OpenFlow硬件上，它是一個特殊的OpenFlow控制器，主要是作為OpenFlow交換機網(wǎng)絡(luò)和其他標準OpenFlow控制器之間的透明代理。FlowVisor通過抽象層來分割物理網(wǎng)絡(luò)，管理帶寬、CPU利用率和流量表。其基本要素是網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片是由一組文本配置文件來定義的。FlowVisor以帶寬、拓撲結(jié)構(gòu)、流量、CPU資源，轉(zhuǎn)發(fā)表等五個策略進行虛擬化和切片隔離。NOX從建立網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的層面提供更高的抽象層來管理底層的各種資源，極大的改善了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)管理的效率。而從整個網(wǎng)絡(luò)的角度來看，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)該是抽象網(wǎng)絡(luò)中的各種資源，為網(wǎng)絡(luò)管理提供易用的接口。Mininet 是一套功能強大，但又靈活方便的輕量級網(wǎng)絡(luò)研究平臺，利用這個平臺，研究者在自己的個人筆記本上就可以利用它搭建一套媲美真實硬件環(huán)境的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)并可以輕易地在筆記本電腦上測試一個軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對基于Openflow、Open vSwitch的各種協(xié)議等進行開發(fā)驗證，或者驗證自己的想法，甚至把代碼遷移到真實的硬件環(huán)境中來。

當然，OpenFlow也并非就一定是我們期盼的救世主，它目前也存在問題，其技術(shù)成熟度依然有待發(fā)展，協(xié)議復(fù)雜度依然是危機，硬件成本依然是門檻，路徑能力匹配依然有待發(fā)展，流表同步開銷依然繼續(xù)著路由表的夢魘，“信息流”依然存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)安全依然存在甚至加劇。

SDN的標準化進程

國際標準化組織在行動。ONF（Open Networking Foundation）是制定SDN/OpenFlow技術(shù)規(guī)范的牽頭組織，自2010年初發(fā)布第一個版本V1.0以來，ONF已經(jīng)發(fā)布了多個版本的OpenFlow規(guī)范。同時，還發(fā)布了OpenFlow管理和配置協(xié)議的第一個版本OF-Config 1.0&1.1，以及OFTest1.0，OF-Hybrid 1.0。IETF早期有兩個與SDN相關(guān)的研究項目/工作組，分別是ForCES和ALTO。ForCES (Forwarding and Control Element Separation)定義一種架構(gòu)和相關(guān)機制，用于在邏輯上分離的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間交互信息，已經(jīng)發(fā)布了9個RFC，主要涉及需求、框架、協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)單元模型、MIB等。ALTO (Applicaiton-Layer Traffic Optimization)，主要通過為應(yīng)用層提供更多網(wǎng)絡(luò)信息，來完成應(yīng)用層的流量優(yōu)化。目前，IETF也以軟件驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)（Software Driven Network）為出發(fā)來研究SDN，成立了SDN BOF。ITU-T在SG13組（Future networks including mobile and NGN）設(shè)立了SDN的研究任務(wù)，相關(guān)工作在WP5組（Future Network）Q21研究，將SDN納入了Y.3011（Framework of network virtualization for future networks）的范疇，目前成立了兩個項目，F(xiàn)Nsdn-fm和Y.fnsdn，分別面向SDN的需求和框架網(wǎng)絡(luò)虛擬化已經(jīng)作為工作重點之一。

SDN的產(chǎn)業(yè)環(huán)境與未來展望

一個新生事物從實驗室、孵化器走向產(chǎn)業(yè)化，固然有可以預(yù)見的“彎路”要走，但是當產(chǎn)業(yè)界的眼睛從旁觀轉(zhuǎn)為關(guān)注的時候，情況也許正在悄悄地發(fā)生著變化……

在美國，AT&T、Verizon等運供應(yīng)商認為SDN有助于提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力，但不是取代當前的網(wǎng)絡(luò), 更傾向于采用“Network Functions Virtualisation（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）”的概念名稱，但是他們也正在計劃聯(lián)合BT（英國電信）、Orange、DT（德國電信）等在ETSI框架之下成立專門的Industry Specification Group (ISG)組織。日本NTT自主研發(fā)了Virtual Network Controller Ver2.0，主要用于多個數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)一服務(wù)和按需配置。NTT通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化，將位于日本和香港的數(shù)據(jù)中心組合，實現(xiàn)了虛擬化數(shù)據(jù)中心，并計劃在2012年底將位于美國、英國和新加坡的數(shù)據(jù)中心融入其中，用戶可以在NTT全球數(shù)據(jù)中心之間實現(xiàn)自由遷移。

互聯(lián)網(wǎng)公司Google在其數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（G-Scale）上部署SDN，2010年1月開始采用SDN/OpenFlow，2012年初，Google全部數(shù)據(jù)中心骨干連接已經(jīng)都采用這種架構(gòu)。目的是更有效的運行廣域網(wǎng)，提高鏈路利用率，保護高優(yōu)先級流量，基于容錯目的，分布式部署了多個Controller。提升了網(wǎng)絡(luò)的可管理、可編程、以及成本效益，網(wǎng)絡(luò)利用率提升到95%。

自2009年初，國內(nèi)有運營商開始與華為、中興、愛立信、諾西等主流廠家共同進行電信核心網(wǎng)虛擬化、云化研究，并開發(fā)支持“軟核心網(wǎng)”理念的云交換原型系統(tǒng)，另外在C-RAN、云WLAN等方面開展嘗試提出在2013年要召集SDN設(shè)備進行測試，加強架構(gòu)研究，深入研究SDN對電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的潛在影響和應(yīng)對策略，注重標準工作，積極參與ONF等國際組織，并嘗試以IDC為切入點進行實驗，待成功后再進行拓展。2011年11月，由中國科學(xué)院、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等單位發(fā)起，由劉韻潔等多名中國工程院院士領(lǐng)銜的南京（中國）未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心成立，致力于推動中國未來網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新，2012年12月成立了未來網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造業(yè)界，Cisco、Ericsson、華為等制造商都認為SDN將成為網(wǎng)絡(luò)演進的方向和手段，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化、網(wǎng)絡(luò)控制軟件化將成為趨勢。同時都已經(jīng)發(fā)布了有關(guān)產(chǎn)品，例如：Cisco發(fā)布了Cisco ONE（Open Network Environment，允許客戶利用各種協(xié)議，而不僅僅是OpenFlow對網(wǎng)絡(luò)進行編程），Ericsson發(fā)布了SSR（Smart Services Router）、華為發(fā)布了支持OpenFlow 1.2的路由器NE40E以及支持多版本Openflow的控制器SOX（Smartnetwork Openflow Controller）。另外，傳統(tǒng)的IT制造企業(yè)也相繼發(fā)布SDN產(chǎn)品，例如：HP發(fā)布HP Virtual Application Networks SDN Controller；IBM發(fā)布自有openflow控制器PNC，其在X86服務(wù)器上運行Openflow 1.0，最大支持50臺交換機，基于Web的RESTful北向應(yīng)用編程接口(API)。一些新興的制造企業(yè)也開始試水SDN,并試圖把SDN與云計算、CDN等嫁接演進，如Nicira基于開源技術(shù)OpenFlow和OpenvSwitch創(chuàng)建了網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺（NVP），實現(xiàn)SDN和網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化 Nicira提供開源云平臺OpenStack發(fā)布的核心網(wǎng)絡(luò)方案Quantum Bigswitch公司提供了Big Network Controller、Big Virtual Switch等商用產(chǎn)品。

2012年開始，傳統(tǒng)交換芯片供貨商相繼推出商用產(chǎn)品，開發(fā)出支持Openflow協(xié)議的芯片用于的交換機中，并在產(chǎn)業(yè)布局方面開始動作，如Intel收購Fulcrum Microsystems和SDN服務(wù)商WindRiver，從計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域芯片提供的全覆蓋。Cisco、Juniper、華為等公司在自身高端路由器產(chǎn)品上多采用自研芯片，由于現(xiàn)階段SDN產(chǎn)品功能和實現(xiàn)相對簡單，尚未有企業(yè)專用自研芯片問世。

與此同時，全球商業(yè)界也預(yù)感到了SDN的價值和機遇。例如：國際著名咨詢公司Gartner在2012年10月將SDN列為未來五年IT領(lǐng)域的十大關(guān)鍵技術(shù)之一；著名網(wǎng)站InfoWorld2011年11月公布了可能影響未來十年的十項新技術(shù)，SDN排列第二；IDC預(yù)測到2016年SDN產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達20億美元之多。

結(jié)束語

OpenFlow將傳統(tǒng)物理固定的硬件定義互聯(lián)網(wǎng)改造成為新型動態(tài)可變的軟件定義互聯(lián)網(wǎng)，但其技術(shù)本身從體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議標準尚待進一步發(fā)展。 OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)層次清晰，網(wǎng)絡(luò)拓撲可重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備PC化、網(wǎng)絡(luò)功能軟件化的方向發(fā)展，目前尚沒有一個號召力足夠強的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供商。對于網(wǎng)絡(luò)運營商對于SDN的部署，近期從數(shù)據(jù)中心內(nèi)部入手，延伸到數(shù)據(jù)中心之間，長期再擴展到IP核心網(wǎng)以及跨多域的CDN部署應(yīng)用是比較可行的思路;但是SDN能在多大程度上解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)存在的諸多弊端，尚需要時間的檢驗，但其確是未來演進的方向，并正在孕育一次網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)變革，將為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新者帶來更多機遇。