沈慶國，黃寥若，駱 堅

(解放軍理工大學通信工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

針對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)由無連接、盡力而為、邊緣智能論等特性帶來的弊端，很多國家紛紛開展未來網(wǎng)絡的研究，以期解決網(wǎng)絡安全、服務質量、擴展性、移動性、可管理性等方面的問題。在所提出的多種新型網(wǎng)絡中，軟件定義網(wǎng)絡SDN(Software-Defined Network)以及網(wǎng)絡虛擬化技術尤其受到高度關注。本文對軟件定義網(wǎng)絡SDN進行介紹，重點分析OpenFlow接口、網(wǎng)絡可編程、網(wǎng)絡虛擬化等技術思想，梳理其技術源流，剖析其本質特點;然后分析SDN在商業(yè)模式、可伸縮性等方面的問題;最后分析其適用范圍，闡述SDN在IP網(wǎng)、光網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡等集成管控方面的應用潛力。

1 網(wǎng)絡可編程化:控制規(guī)則和數(shù)據(jù)轉發(fā)分離

基于策略的管控思想在管理平面和控制平面中得到大量應用［1］。策略是網(wǎng)絡管理和控制規(guī)則，說明了在特定條件下應當采取的網(wǎng)絡管控行為。當一個網(wǎng)絡系統(tǒng)行為方式發(fā)生變化時，只需對其策略進行修改，而不需要修改它的實現(xiàn)。這種策略規(guī)則與網(wǎng)絡系統(tǒng)具體實現(xiàn)相分離的機制，提升了網(wǎng)絡管控能力，同時也為網(wǎng)絡的實現(xiàn)帶來了靈活性。

典型的策略具有“條件－動作”的結構。“條件”指明在具體的網(wǎng)絡狀態(tài)下應該執(zhí)行什么操作行為，可以是分組流條件(IP分組頭部信息)，或者是時間段條件，或者是其他條件(用戶身份條件或設備條件)。由IETF制訂的策略管理框架被學術界和工業(yè)界廣泛接受。該框架主要由策略管理工具(PMT)、策略庫(PR)、策略決策點(PDP)、策略執(zhí)行點(PEP)以及相關協(xié)議等組成，如圖1所示。PMT可編輯、維護策略信息，監(jiān)控策略管理系統(tǒng)的運行狀況。PR用于存儲策略信息，提供信息檢索服務。PR一般使用目錄服務器實現(xiàn)。PDP負責管理轄區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡設備，指定相應設備需執(zhí)行的動作。

圖1 策略管理基本框架

PEP是具體的受控網(wǎng)絡設備，比如路由器、交換機、防火墻等。PEP執(zhí)行PDP發(fā)送來的決策，并將策略執(zhí)行情況、系統(tǒng)狀態(tài)變化以及可用資源信息等告知PDP。不過，由于各網(wǎng)絡設備廠家實現(xiàn)方式不同，PEP有可能不能實現(xiàn)PDP發(fā)來策略所規(guī)定的目標。

策略規(guī)則和網(wǎng)絡實現(xiàn)相分離的思想，在Open-Flow網(wǎng)絡結構中得到進一步發(fā)展。OpenFlow是美國斯坦福大學提出的一種控制平面與數(shù)據(jù)平面相分離的新型網(wǎng)絡體系［2］，在數(shù)據(jù)平面中用十元數(shù)組規(guī)則(即MAC地址、IP地址、套接字端口等)的形式制定數(shù)據(jù)分組轉發(fā)規(guī)則，以便保障分組流傳送服務質量。OpenFlow技術對未來的交換機、路由器、無線網(wǎng)絡網(wǎng)關等各種網(wǎng)絡設備的實現(xiàn)具有較大影響。將來的網(wǎng)絡很可能是這樣的:底層的數(shù)據(jù)通路(交換機、路由器)是簡單的、標準化的，具有設置流量策略表的標準接口，同時采用控制器來控制整個網(wǎng)絡。通過在控制器上透明調用底層設備的接口來進行策略規(guī)則編程，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的靈活管控，讓網(wǎng)絡軟件化。目前已推出基于通用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡可編程環(huán)境，采用C++和Python編程語言，用戶可自行實現(xiàn)新的網(wǎng)絡功能。與基于策略的網(wǎng)絡管控系統(tǒng)相比，OpenFlow既避免了PEP可能不能實現(xiàn)策略目標的問題，同時結構更加清晰、策略規(guī)則產(chǎn)生更加方便和自動化。

2 SDN體系結構

OpenFlow具有網(wǎng)絡設備統(tǒng)一控制和可編程調整等特點。把OpenFlow的策略規(guī)則接口標準化、可編程化等思想進一步擴展，斯坦福大學等提出了軟件定義網(wǎng)絡SDN，其主要思想是使網(wǎng)絡接口開放，能按軟件編程的方式對網(wǎng)絡進行動態(tài)調節(jié)，便于網(wǎng)絡技術創(chuàng)新和能力提升［3］。

圖2 SDN基本框架

如圖2所示，SDN的基本網(wǎng)絡要素包括:

(1)物理網(wǎng)絡轉發(fā)設備，提供標準的分組轉發(fā)功能，支持開放的設備控制接口如OpenFlow，該接口稱為南向接口;

(2)邏輯上集中的SDN控制器，它是可編程的控制器，通過獲取全局網(wǎng)絡拓撲和運行狀態(tài)進行動態(tài)決策，并為上層具體應用提供編程接口(北向接口);

(3)應用程序，該程序運行在控制器之上，利用控制器提供的編程接口，應用程序可以按軟件定義方式把整個網(wǎng)絡映射為一個虛擬網(wǎng)絡，在路由、帶寬管理、服務質量、安全等方面根據(jù)用戶要求進行靈活設置。

需要說明的是，SDN南向接口除了采用Open-Flow之外，還可采用其他協(xié)議。

SDN的基本特征包括:控制與轉發(fā)分離后的集中控制、控制平面與轉發(fā)平面之間的開放接口、網(wǎng)絡虛擬化。集中的控制平面可以控制全網(wǎng)中各個轉發(fā)設備，監(jiān)視整個網(wǎng)絡狀態(tài)，進行全局優(yōu)化控制。網(wǎng)絡虛擬化是指在一個實際的物理網(wǎng)絡上構建多個獨立且互不干擾的虛擬網(wǎng)絡，不同的虛擬網(wǎng)絡可以采用不同的體系結構與協(xié)議棧，以滿足不同用戶的業(yè)務要求。網(wǎng)絡虛擬化與以往的VPN和VLAN有些類似，都是在一個物理網(wǎng)絡上組建多個邏輯網(wǎng)絡，但以往的VPN和VLAN僅在第3層或第2層實現(xiàn)［4］，而 SDN網(wǎng)絡虛擬化涉及的協(xié)議層次更多，能更好地適應傳輸環(huán)境和用戶業(yè)務需求。

3 SDN尚需解決的一些問題

SDN使用戶能夠對各廠商設備進行編程控制，并通過先進的軟件開發(fā)技術將設備可編程提升為網(wǎng)絡可編程。控制面與轉發(fā)面分離后，可突破原有廠商的壟斷，其開放性便于新的組網(wǎng)模式的實現(xiàn)。

OpenFlow實質上是策略系統(tǒng)和跨層次交換技術的靈活實現(xiàn)。同樣，SDN更多的也是在網(wǎng)絡實現(xiàn)上的創(chuàng)新，其核心價值來源于它和上層應用的集成能力，讓電信運營商、服務提供商、企業(yè)快速地推出適應各種上層應用要求的網(wǎng)絡服務。但如何發(fā)揮這些能力，還有很多問題待解決。

(1)SDN的集中控制機制在多自治域互聯(lián)的廣域網(wǎng)中實現(xiàn)比較困難。SDN的集中控制機制更適合在一個自治的局部網(wǎng)絡中使用。當存在多個自治域且每個自治域有不同的管理者時，一個自治域的所有者不愿意把其網(wǎng)絡設備交給其他管理者去控制，因此就會出現(xiàn)各自治域都是由自己的集中控制器管控的情況，而這些自治域控制器之間如何進一步集中控制則有待研究。一種可能的方法是借鑒BGP協(xié)議進行域間信息交換，將SDN域間可達信息、各域轉發(fā)能力和策略封裝為SDN自治域服務API，供其它自治域控制器調用，不過這又回到分布式控制方式了。

(2)控制器存在可擴展問題。全網(wǎng)絡集中進行決策和控制，需要巨大的處理能力和信息收集能力。盡管并行計算、云計算可解決處理能力問題，但整個網(wǎng)絡的狀態(tài)信息如何及時、準確地收集還沒有細致可行的方案。狀態(tài)信息是通過專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上傳，還是使用某種廣播鏈路自動傳播?若是前者，則專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡如何構建、是否可擴展和可軟件定義?若是后者，則廣播式傳播在廣域網(wǎng)中又如何實現(xiàn)?僅僅提供一個OpenFlow接口并不能回答在大規(guī)模廣域網(wǎng)中信息收集問題;況且OpenFlow目前主要支持向網(wǎng)絡設備傳送流表配置數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡設備資源狀態(tài)信息(如鏈路誤碼率、剩余帶寬、內(nèi)存利用率等)上報功能支持不夠。

(3)需要設計清晰的商業(yè)模式，讓SDN應用程序開發(fā)商能夠獲利，企業(yè)用戶能夠降低組網(wǎng)成本。近年來云計算發(fā)展非常迅猛，其獲得成功的一個重要原因就是應用和許可被隨時購買和生效，用戶不需要了解云計算系統(tǒng)基礎設施的細節(jié)和相應的專業(yè)知識，也無需直接進行控制，就能使用這些云計算系統(tǒng)提供的功能［5］。就目前研究狀況看，SDN還沒有提出一種可行的商業(yè)模式，相關的商業(yè)服務如何實現(xiàn)、如何購買還不清楚，但肯定不同于云計算模式。如果讓每個用戶直接編程設置底層網(wǎng)絡，既對用戶的網(wǎng)絡技術能力要求過高(用戶要了解其業(yè)務屬性、流量矩陣、帶寬要求、優(yōu)先級等特征才能有效定制其網(wǎng)絡)，也會讓網(wǎng)絡的安全性、可擴展性大打折扣。

上述這些問題，說明SDN作為一個創(chuàng)新網(wǎng)絡，無論在技術模型上還是商業(yè)模型上還不夠細化，所適用的場景主要還是局部的、自治的組網(wǎng)應用，存在一定的局限性。這種局限性來源于節(jié)點轉發(fā)行為用流表規(guī)則標準化后呈現(xiàn)出簡單性的無形影響，從而有意無意地忽略了大規(guī)模網(wǎng)絡節(jié)點交互下所涌現(xiàn)的復雜性和非線性機制［6］。SDN采取簡化路線來解決復雜網(wǎng)絡問題，即把多自治域系統(tǒng)組成的復雜網(wǎng)絡交給一個邏輯上的集中控制器進行管控，這就違背了復雜系統(tǒng)運作的基本規(guī)律。

由于SDN與目前IP網(wǎng)的轉發(fā)平面并沒有本質差別，SDN技術思想更多的只是在網(wǎng)絡實現(xiàn)上的創(chuàng)新，SDN看重的控制平面分離和開放所能獲得的收益，并不會像軟交換思想在通信網(wǎng)絡向下一代網(wǎng)絡演進中一樣發(fā)揮決定性作用。依據(jù)軟交換技術體系，傳統(tǒng)程控交換的控制和轉發(fā)分離后轉發(fā)平面更靈活了，且軟交換并不強調集中控制，因此軟交換思想取得了巨大成功。而SDN則不具備這樣的特征，只能在局域范圍和特定場合下發(fā)揮作用。

4 SDN技術的應用分析

SDN適合于在自治的、局部的網(wǎng)絡環(huán)境中使用。在一個自治網(wǎng)絡中，傳送層面、交換層面、路由層面等網(wǎng)絡都可采用SDN的集中編程控制方式，而且還可設一個總的控制器在不同層面之間進行一體化管控。目前SDN在數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)、IP網(wǎng)和光網(wǎng)絡集成、無線網(wǎng)絡智能管控等方面的應用，都是這種思路的具體體現(xiàn)。

4.1 支撐云計算的數(shù)據(jù)中心虛擬化聯(lián)網(wǎng)

數(shù)據(jù)中心是云計算服務基礎設施部署的主要場所?；谠朴嬎愕臄?shù)據(jù)量急劇膨脹，使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡面臨著巨大的壓力。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡是一個局域性的二層網(wǎng)絡，傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術已不能滿足云計算的需求，云計算向網(wǎng)絡技術提出了新的挑戰(zhàn)，也為SDN應用提供了機會［7］。

(1)虛擬機本地互聯(lián)。

數(shù)據(jù)中心可能同時運行成千上萬個虛擬機。每個虛擬機都有自己的MAC和IP地址，需要進行各種方式的聯(lián)網(wǎng)。目前，主要通過虛擬交換機vSwitch實現(xiàn)同一臺物理服務器內(nèi)部的虛擬機在二層互聯(lián)，跨物理服務器的虛擬機互聯(lián)交給傳統(tǒng)的二層交換機處理。虛擬交換機vSwitch運行于服務器操作系統(tǒng)內(nèi)部，純軟件實現(xiàn)，簡單方便，但也存在兩大問題:①虛擬機之間的流量監(jiān)控問題，傳統(tǒng)的網(wǎng)管系統(tǒng)無法深入服務器內(nèi)部進行流量監(jiān)控，造成安全隱患;②性能問題，虛擬機網(wǎng)絡流量越大，vSwitch就會占用越多的CPU資源進行報文轉發(fā)，降低了服務器支持更多虛擬機的能力。

解決vSwitch存在問題的思路，是把服務器內(nèi)虛擬機通信流量發(fā)向服務器外部的二層網(wǎng)絡交換機，如圖3所示。網(wǎng)絡交換機采用一種新型轉發(fā)模式，讓這些流量能夠從輸入端口“原路返回”，從而快速實現(xiàn)這些虛擬機之間的通信。傳統(tǒng)的橋接模式的網(wǎng)絡交換機都不支持這種“原路返回”，為此IEEE 802.1工作組正在制訂新的標準，以支持“原路返回”功能［8］。

圖3 將虛擬機間的流量轉移到外部二層交換機

當虛擬機間的流量轉移到外面交換機上后，防火墻、服務質量(QoS)和端口監(jiān)控等常規(guī)聯(lián)網(wǎng)控制功能，都可方便地作用到虛擬機間流量上。當然，虛擬機間流量經(jīng)過外面交換機再返回，會增加虛擬機間通信延遲。

由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡是一個自治的局部網(wǎng)絡，因此可以應用SDN技術，發(fā)揮SDN的集中控制優(yōu)勢。通過統(tǒng)一各二層交換機的網(wǎng)管接口可以實現(xiàn)集中拓撲探測，自動發(fā)現(xiàn)虛擬機間的二層連接群組關系，實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)VLAN的自動構建，做到虛擬機遷移過程中的動態(tài)組網(wǎng)，并保持IP地址不變。所需的原路返回的功能，可以在OpenFlow交換機上編程實現(xiàn)，而無需進行硬件升級。防火墻、QoS等作為SDN應用程序，可以在虛擬機組網(wǎng)路徑上實現(xiàn)動態(tài)插入。

(2)跨數(shù)據(jù)中心二層互聯(lián)。

在云計算環(huán)境下，將會出現(xiàn)跨不同數(shù)據(jù)中心之間分布式計算和虛擬機遷移需求，需跨數(shù)據(jù)中心組建二層交換網(wǎng)絡。由于不同數(shù)據(jù)中心之間難以用光纖直接連接，而需通過城域網(wǎng)或骨干網(wǎng)互聯(lián)，因此目前都是在IP網(wǎng)上建隧道實現(xiàn)二層互聯(lián)，通過IP隧道實現(xiàn)虛擬的二層鏈路(如虛擬出租線路VLL，虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務VPLS等)。這些隧道往往要手工建立，隧道數(shù)量和遠端虛擬局域網(wǎng)數(shù)量成正比，隧道兩端路由器之間要交換學習到的MAC地址信息，因此管理維護較復雜、開銷較大，在云計算模式下這些問題更為嚴重。

思科提出了覆蓋網(wǎng)傳輸虛擬化OTV(Overlay Transport Virtualization)技術。OTV實際上就是多層交換技術，通過在IP分組中封裝以太網(wǎng)報文，提供跨不同以太網(wǎng)的覆蓋網(wǎng)絡，能夠以VLAN方式連接不同數(shù)據(jù)中心的二層網(wǎng)絡。與以往技術相比，OTV配置更加自動化，且OTV使用專用協(xié)議來傳送MAC表以限制MAC地址學習流量。OTV只需設置遠端節(jié)點的IP地址、兩端哪些VLAN要相互聯(lián)結，交換機就會自動建立三層隧道，并在三層隧道虛擬接口上開啟二層交換模式。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡采用SDN技術后，很容易通過編程方式實現(xiàn)OTV技術所需的跨中心MAC地址表傳送、三層隧道自動建立、VLAN互聯(lián)等功能，既不需要升級網(wǎng)絡硬件，又提高了跨數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)性能。所要求的前提條件是不同的數(shù)據(jù)中心二層網(wǎng)絡要有統(tǒng)一的編程管控接口。

上述組網(wǎng)場景涉及多層交換。多層交換是目前網(wǎng)絡產(chǎn)品廣泛應用的技術，比如大量應用的二層交換、三層交換、四層交換等技術。多層交換實際上是跨層設計在交換中的應用。在跨層設計中，底層提供服務的屬性說明，以便高層選擇服務;高層將其服務QoS要求以標記或其它方式通知下層，以便下層進行合適的處理。IP等協(xié)議的一些內(nèi)部特征廣為熟知并相對穩(wěn)定(比如互聯(lián)網(wǎng)傳輸層端口號)，其他層次利用這些特征實現(xiàn)一些額外控制功能，是技術的合理發(fā)展［9］。這種合理性在SDN、OpenFlow等跨層技術上得到進一步體現(xiàn)，它們實質上是跨層次交換策略規(guī)則標準化的、靈活的實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)中應用SDN技術，既發(fā)揮了其自動化、靈活性優(yōu)勢，又將虛擬機組網(wǎng)服務融合在云計算商務模式中，克服了其局限性，成為SDN最成功的一種應用。

4.2 IP網(wǎng)和光網(wǎng)絡一體化重構

面對網(wǎng)絡流量的快速增長的壓力，必須采取新技術對骨干網(wǎng)絡帶寬進一步擴容。目前采取的辦法主要是通過光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡融合提供超大帶寬。

現(xiàn)有的寬帶傳輸網(wǎng)絡技術主要是SDH和DWDM，SDH只能管理一根光纖上的單路波長傳輸，而單路波長的傳輸速率是有上限的;DWDM網(wǎng)可實現(xiàn)在一根光纖上的多路波長傳輸，增加了現(xiàn)有的光纖帶寬，但它缺乏SDH技術所固有的保護和管理能力。進一步擴大容量的出路是光傳送網(wǎng)絡OTN(Optical Tranport Network)，它是下一代傳送網(wǎng)技術。OTN是為管理每個光纖上多個波長傳輸而設計的，它提供了管理每條光纖上每一個波長的能力，它綜合了SDH的優(yōu)點和DWDM的帶寬可擴展性，把SDH的管理控制功能應用到 DWDM光網(wǎng)絡，是密集波分復用DWDM系統(tǒng)能力的提升。通過采用OpenFlow技術，可在光交叉連接節(jié)點中實現(xiàn)虛擬的以太網(wǎng)交換能力，在OTN和IP網(wǎng)絡兩個層面間形成公共控制平面，使光網(wǎng)絡能更好地適應IP網(wǎng)絡流量變化，動態(tài)地按需提供帶寬?；贠penFlow的統(tǒng)一控制平面，比基于GMPLS的統(tǒng)一控制平面更為簡單、靈活性更好，使得光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡能夠應用一致的管控策略，并按軟件定義網(wǎng)絡SDN的思想實現(xiàn)協(xié)同重構［10］。由于光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡相互開放內(nèi)部信息會帶來安全性問題，在它們分別屬于不同運營商時不易解決。因此，這種技術體系首先將在同一運營商同時擁有光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡情況下，在一定范圍(比如城域網(wǎng))獲得應用。

4.3 無線網(wǎng)絡中應用

利用OpenFlow控制技術對無線移動網(wǎng)絡進行高效、靈活的網(wǎng)絡管理，是其提出之初就有的基本設想［2，11］。NEC公司則在移動網(wǎng)絡中加以具體實現(xiàn)和應用［12-14］，它基于SDN集中控制器監(jiān)控某一運營商擁有的各種無線信道質量和負載狀況，可在多種移動通信方式間實現(xiàn)動態(tài)切換，提高終端用戶的服務質量。它還利用OpenFlow智能流量管理功能對移動回傳網(wǎng)絡進行節(jié)能管理，在通信量相對較少的夜晚時段，可以匯集網(wǎng)絡路徑，關閉多余的無線中轉站點的電源，從而節(jié)省能源。

瑞典Karlstad大學等基于SDN和OpenFlow提出了云化無線局域網(wǎng) CloudMAC，通過讓無線接入點(AP)僅具有MAC幀轉發(fā)功能，并將認證、MAC幀處理等功能上移到SDN集中控制器，可以方便地實現(xiàn)AP間無縫切換、跨層地靈巧躲避AP間信號干擾、不改變AP硬件僅靠軟件升級就能部署新組網(wǎng)功能等應用［15］。

中部瑞典大學的研究人員認為OpenFlow簡化節(jié)點分組轉發(fā)行為的特點適合傳感器節(jié)點能力受限的情況。目前傳感器網(wǎng)絡采用自組織聯(lián)網(wǎng)的方式，全網(wǎng)路由難以整體優(yōu)化，端到端通信的可靠性也不高。通過在傳感器節(jié)點中增加流量感知和上報能力，網(wǎng)絡集中控制器能夠獲取全網(wǎng)流量矩陣，識別流量中繼關鍵節(jié)點，調節(jié)全網(wǎng)流量聚合路徑，提高端到端通信可靠性［16］。

5 結束語

本文對軟件定義網(wǎng)絡SDN技術源流和本質特點進行了介紹，指出SDN目前還存在缺乏清晰的商業(yè)模式、全局狀態(tài)收集和集中控制器可伸縮性等問題。

SDN技術思想更多的只是在網(wǎng)絡實現(xiàn)上的創(chuàng)新，對于復雜的大規(guī)模網(wǎng)絡所具有的可觀測性、可控制性問題并沒有突破。因此SDN更適合于在自治的、局部的網(wǎng)絡環(huán)境中使用，比如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、下一代傳送網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡都需多層交換或跨層面控制，都可采用SDN集中控制器進行一體化管控。本文通過分析其典型應用場景，闡述了SDN技術的適用范圍和應用潛力。

雖然SDN蘊涵的眾多理念未必都能實現(xiàn)，而更新的技術體系又必然會出現(xiàn)，但新技術必定包含SDN技術的合理成分，通信網(wǎng)絡就是在融合、分化的不斷循環(huán)中向前發(fā)展的。

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