奎麗萍，羅桂蘭

(大理學(xué)院　數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，云南　大理　671003)

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軟件定義網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

奎麗萍，羅桂蘭

(大理學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，云南大理671003)

因特網(wǎng)的出現(xiàn)使世界上幾乎所有的東西都能相互聯(lián)系起來，從而誕生了數(shù)字化的社會(huì)，給人們的生活與交流帶來極大的方便。然而傳統(tǒng)的IP因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜而且難以管理，表現(xiàn)在根據(jù)預(yù)先定義好的策略來對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置是極其困難的。新型的基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)能夠有效地改變這種狀況。該新型網(wǎng)絡(luò)能夠使網(wǎng)絡(luò)管理變得容易且還能更好地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。該文介紹了SDN的發(fā)展歷史、特征及研究方向等，重點(diǎn)對(duì)SDN的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用面；控制面；數(shù)據(jù)面

2006年，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)誕生于由美國GENI項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)Clean Slate課題。該研究團(tuán)隊(duì)提出了開放流(OpenFlow)的概念并將其應(yīng)用于校園網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)創(chuàng)新，后續(xù)基于OpenFlow給網(wǎng)絡(luò)帶來可編程特性的SDN概念應(yīng)運(yùn)而生。隨著SDN技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，許多研究者將SDN與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量[1]、網(wǎng)絡(luò)吞吐量[2]及降低能耗[3]等。2009年，SDN概念入圍Technology Review年度十大前沿技術(shù)，自此獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)可和大力支持。國際上的科研機(jī)構(gòu)和IT企業(yè)紛紛對(duì)SDN進(jìn)行研究。2011年3月，由Google、德國電信、微軟、雅虎、NTT等96家單位共同成立了開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)(ONF)，致力于推動(dòng)SDN架構(gòu)、技術(shù)規(guī)劃及相關(guān)的開發(fā)工作。2012年，SDN完成了從實(shí)驗(yàn)技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)部署的重大跨域:覆蓋美國上百所高校的INTERNET2部署了SDN網(wǎng)絡(luò)；德國電信等運(yùn)營(yíng)商開始開發(fā)和部署SDN；谷歌主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面運(yùn)行在OpenFlow上。我國的研究機(jī)構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也十分重視SDN的發(fā)展。中國電信主導(dǎo)提出在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)(NGN)中引入SDN的需求和架構(gòu)研究。中國移動(dòng)則提出了“SDN在WLAN網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用”等課題。

1　SDN的特點(diǎn)

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，控制面與數(shù)據(jù)面相互分離，網(wǎng)絡(luò)的配置與演進(jìn)也更為容易。SDN具有以下4個(gè)特點(diǎn)[4-6]。

1)集中控制。

集中的控制面能夠控制全網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，獲得網(wǎng)絡(luò)資源的全局信息，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行資源的全局調(diào)配和優(yōu)化控制。

2)開放接口。

開放的南向CDPI和北向API接口，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，使得應(yīng)用能告知網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)行才能更好地滿足應(yīng)用的需求。

3)網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

通過南向接口的統(tǒng)一和開放，屏蔽了底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)了底層網(wǎng)絡(luò)對(duì)上層應(yīng)用的透明化。

4)可編程化。

網(wǎng)絡(luò)接口開放，能按軟件編程的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，便于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的創(chuàng)新以及網(wǎng)絡(luò)能力的提升。

SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別就在于它可以通過編寫軟件的方式來靈活定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)功能。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，控制平面功能是分布式地運(yùn)行在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Hub、交換機(jī)和路由器)中的，因此新型網(wǎng)絡(luò)功能的部署需要所有相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的升級(jí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新難以實(shí)現(xiàn)。而SDN將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，并將控制平面集中實(shí)現(xiàn)，這樣新型網(wǎng)絡(luò)功能的部署只需要在控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中的軟件升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)快速靈活地定制網(wǎng)絡(luò)功能。

2　SDN體系結(jié)構(gòu)

SDN體系結(jié)構(gòu)由3個(gè)層面構(gòu)成，從上到下依次為應(yīng)用面、控制面和數(shù)據(jù)面。應(yīng)用面與控制面通過應(yīng)用可編程接口(API)相連接，控制面與數(shù)據(jù)面通過控制數(shù)據(jù)面接口(CDPI)相連接。另外，API接口又稱北向接口，CDPI接口又稱南向接口。SDN基本體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

圖1　SDN基本體系結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)面(DP)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)元素指的是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，可以通過無線方式或者有線方式相連接?？刂茢?shù)據(jù)面接口(CDPI)定義了轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的指令集以及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與控制面設(shè)備之間的通信協(xié)議?？刂泼?CP)被看作是整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，它通過CDPI接口對(duì)數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行編程。CP內(nèi)的所有控制邏輯都是建立在應(yīng)用程序和控制器上；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是CP內(nèi)的系統(tǒng)軟件，為應(yīng)用程序開發(fā)員提供了API，該接口是作為開發(fā)應(yīng)用程序的公用接口，可對(duì)底層的指令集進(jìn)行抽象化。應(yīng)用面(AP)是應(yīng)用程序的集合，應(yīng)用面內(nèi)的應(yīng)用程序利用由API接口提供的功能來執(zhí)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)操作。應(yīng)用程序包含路由、防火墻、負(fù)載平衡和監(jiān)聽等。

上述是目前業(yè)界對(duì)SDN技術(shù)的基本共識(shí)，當(dāng)然不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織都有自己的參考架構(gòu)，研究和關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)也各不相同。其中，相對(duì)最有影響力的ONF組織在SDN的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中占有重要地位，它所理解的SDN主要是從網(wǎng)絡(luò)用戶角度出發(fā)進(jìn)行定義的，可以對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活地定義與操作。ONF組織對(duì)SDN核心架構(gòu)進(jìn)行了明確的定義，同時(shí)還定義了完全開放的SDN南向接口協(xié)議——OpenFlow，并致力于推進(jìn)其標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由思科、IBM、微軟等廠商聯(lián)手推出了名為OpenDaylight的開源SDN項(xiàng)目，雖然該項(xiàng)目并非以制定標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，但很有可能對(duì)業(yè)界產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

根據(jù)每個(gè)層面內(nèi)部的各個(gè)執(zhí)行功能，SDN又可以分成6個(gè)層次，如圖2所示。下面按照從下至上的順序?qū)@6個(gè)層次的運(yùn)行功能進(jìn)行詳細(xì)介紹[8]。

圖2　SDN層次結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣，SDN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是由一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如交換機(jī)、路由器等)組合而成。在SDN中，數(shù)據(jù)面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，其他的智能功能被轉(zhuǎn)移到控制面。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施具有開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，確保在不同的數(shù)據(jù)面和控制面的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)配置和通信的兼容性。這些開放的標(biāo)準(zhǔn)接口能使控制實(shí)體動(dòng)態(tài)地對(duì)不同的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行編程。在SDN/OpenFlow 架構(gòu)中，主要有控制器和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備兩個(gè)元素?？刂破魇且粋€(gè)運(yùn)行在硬件平臺(tái)上的軟件棧，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備是硬件或軟件元素。具有OpenFlow協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備是一個(gè)基于流表的管道，每個(gè)數(shù)據(jù)流表入口包含匹配規(guī)則、執(zhí)行匹配數(shù)據(jù)包行為和數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器3個(gè)部分。

南向接口是控制元素與轉(zhuǎn)發(fā)元素的連接橋梁，是控制面和數(shù)據(jù)面功能分離的關(guān)鍵工具。SDN的南向接口一般采用OpenFlow協(xié)議作為其接口標(biāo)準(zhǔn)，為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的執(zhí)行以及數(shù)據(jù)面和控制面之間的通信信道提供共同的規(guī)劃。向控制層的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供流表信息是南向接口的一個(gè)非常重要的功能。流表信息包含3個(gè)信息資源:1)當(dāng)一個(gè)鏈路或者端口發(fā)生變化時(shí)，基于事件的報(bào)文就會(huì)從轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)送到控制器；2)當(dāng)有數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生時(shí)報(bào)文就由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)給控制器；3)當(dāng)封裝的數(shù)據(jù)報(bào)文不知道如何處理新到達(dá)的數(shù)據(jù)流或者在流表的匹配條目中有一個(gè)明確的“發(fā)送給控制器”的行為時(shí)，發(fā)送設(shè)備就會(huì)將報(bào)文發(fā)送給控制器。

網(wǎng)絡(luò)管理程序能使不同的虛擬機(jī)共享同樣的硬件資源。在一個(gè)云計(jì)算服務(wù)器中，每個(gè)用戶從計(jì)算到存儲(chǔ)都有自己的虛擬資源。SDN的網(wǎng)絡(luò)管理程序能使供應(yīng)商更好地使用物理基礎(chǔ)設(shè)施，不再需要通過大幅提高成本來獲得新的收入。如今，虛擬技術(shù)最令人感興趣的特征之一就是虛擬機(jī)可以很容易地從一臺(tái)物理服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)物理服務(wù)器上，并且可以按要求被創(chuàng)建或撤銷，能夠使服務(wù)提供變得靈活和容易管理。FlowVisor 是最早應(yīng)用于SDN的虛擬化技術(shù)之一。該技術(shù)允許多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)共享OpenFlow網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并提供抽象層?；贠penFlow使交換機(jī)數(shù)據(jù)面進(jìn)行切片，因FlowVisor具有這些優(yōu)點(diǎn)而變得更加容易。

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是最核心的網(wǎng)絡(luò)元素。它提供了一種邏輯集中控制的功能，便于對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一樣，SDN網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS)的重要價(jià)值也是給供應(yīng)商提供一系列服務(wù)的接口。一般的功能都由NOS來提供，如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)配置等。NOS定義了開放的網(wǎng)絡(luò)策略，使得程序開發(fā)員不再需要關(guān)心底層路由元素之間的數(shù)據(jù)分布細(xì)節(jié)，并且能快速地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，降低新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議創(chuàng)建及網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度。

SDN北向接口是一套具有為開發(fā)者提供網(wǎng)絡(luò)高層的邏輯抽象和業(yè)務(wù)模型的可編程接口。北向接口在SDN控制器中的作用是便于網(wǎng)絡(luò)管理者對(duì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與管理。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，SDN則為開放者提供更大的靈活性。控制器的北向接口可以實(shí)現(xiàn)一些基本的、更為通用的網(wǎng)絡(luò)物理/邏輯抽象，如拓?fù)湟晥D、虛擬化網(wǎng)絡(luò)切片、鏈路/網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)庫接口，以API的形式開放出強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，使開發(fā)者可以著力關(guān)注更高層的應(yīng)用業(yè)務(wù)而非底層硬件實(shí)現(xiàn)。與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)類似，只要有足夠的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，SDN控制器才會(huì)有強(qiáng)大的生命力，而友好、完備的北向接口是吸引SDN應(yīng)用開發(fā)者的關(guān)鍵。

虛擬化技術(shù)在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中大致可分為虛擬局域網(wǎng)、虛擬私有網(wǎng)及虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)3類。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足SDN網(wǎng)絡(luò)的需求。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源價(jià)值的最大化，虛擬化必須是端到端的，并且能夠像服務(wù)器虛擬化技術(shù)一樣抽象和池化網(wǎng)絡(luò)資源。這些能力能夠創(chuàng)建出滿足用戶需求的、拓?fù)渑c底層物理網(wǎng)絡(luò)解耦的虛擬網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還使得管理人員能夠動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建基于策略的虛擬網(wǎng)絡(luò)以滿足廣泛的需求。將虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)解耦的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，網(wǎng)絡(luò)管理人員能夠在不影響現(xiàn)有數(shù)據(jù)流的前提下對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整(如擴(kuò)充容量)。另外，支持面向特定用戶的網(wǎng)絡(luò)虛擬化也有助于實(shí)現(xiàn)不同租戶網(wǎng)絡(luò)的隔離。

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，程序語言能更好地解決一些具有挑戰(zhàn)性的問題，如在一個(gè)基于純OpenFlow的SDN網(wǎng)絡(luò)中，很難保證一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)之間不會(huì)出現(xiàn)相互干擾，而程序語言就有助于解決這個(gè)問題。程序語言虛擬化可以提供虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?chuàng)建和程序編寫的能力。這種概念與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言相類似，能使程序員只集中于解決一個(gè)特殊的問題而不需要去關(guān)心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。高級(jí)程序語言要能實(shí)現(xiàn)以下多個(gè)目標(biāo):1)避免與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣采用低級(jí)別和特殊裝置對(duì)整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置；2)提供由網(wǎng)絡(luò)策略來完成的各種管理抽象；3)對(duì)多任務(wù)的解耦(如路由、接入控制和流量工程)；4)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的程序設(shè)計(jì)接口；5)解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則問題；6)解決分布系統(tǒng)中固有的各種競(jìng)爭(zhēng)問題；7)提高分布式?jīng)Q策環(huán)境中沖突分解技術(shù)；8)提供數(shù)據(jù)面路徑設(shè)置上的本地容錯(cuò)能力；9)降低數(shù)據(jù)流處理中的延遲時(shí)間；10)狀態(tài)應(yīng)用程序的創(chuàng)建應(yīng)寬松(如狀態(tài)防火墻應(yīng)用程序)。

資源管理的核心是基于SDN控制器北向接口編排資源管理流程，使得它能夠及時(shí)有效地將上層云計(jì)算業(yè)務(wù)的資源需求反饋給控制器，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路進(jìn)行調(diào)配?？紤]到云計(jì)算等典型業(yè)務(wù)通常需要計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等多種類型資源的協(xié)調(diào)交互，因此對(duì)SDN控制能力的調(diào)用需要被封裝為獨(dú)立的組件，并與相應(yīng)計(jì)算資源控制組件、存儲(chǔ)資源控制組件，以及其他一些功能組件共同工作。在資源管理的主要功能中，對(duì)SDN架構(gòu)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置控制是一個(gè)重要方面，同時(shí)它還需要具備更完善的管理功能，如性能管理、故障管理和安全管理等。它們都將是單獨(dú)的流程，需要在合適的地方調(diào)用SDN控制器的北向接口。一般而言，資源管理通過遠(yuǎn)程調(diào)用基于REST API的控制器接口，在架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與控制器的松耦合，使系統(tǒng)部署更方便，更具有擴(kuò)張性。

通過以上的分析可以看出，SDN體系架構(gòu)最突出的特點(diǎn)就是標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口協(xié)議。它希望所有的底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，這樣控制平面和應(yīng)用平面就不再依賴于底層具體廠商的交互設(shè)備?？刂破矫婵梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的南向接口協(xié)議來控制底層數(shù)據(jù)平面的設(shè)備，從而任何實(shí)現(xiàn)了這套標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議的設(shè)備都可以進(jìn)入市場(chǎng)并投入使用。交換設(shè)備生成廠商可以專注于底層的硬件設(shè)備，甚至交換設(shè)備能夠逐步向白盒化的方向發(fā)展。

3　SDN的研究方向

目前，對(duì)SDN的研究熱點(diǎn)主要集中在服務(wù)質(zhì)量(QoS)、吞吐量、帶寬利用率、可靠性、安全性和節(jié)能等方面。文獻(xiàn)[9]提出了AQSDN和PCaQoS協(xié)議，通過實(shí)驗(yàn)分析得出這兩種協(xié)議能夠在簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提高QoS。文獻(xiàn)[10]針對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用提出了ROIA協(xié)議算法，通過實(shí)驗(yàn)仿真得出該協(xié)議可以很好地提高SDN底層網(wǎng)絡(luò)的QoS。在提高SDN網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面，文獻(xiàn)[11]提出了可編程通用轉(zhuǎn)發(fā)器(ProGFE)技術(shù)，它可以在傳輸大數(shù)據(jù)幀的條件下獲得更高的吞吐量。在提高SDN網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率方面，文獻(xiàn)[12]提出了一種具有可擴(kuò)展的SDN控制器技術(shù)，它能夠在確保傳輸性能的前提下提高帶寬利用率。文獻(xiàn)[13]針對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)可靠性方面提出了一種新型的控制路徑損耗預(yù)期百分比策略技術(shù)。該技術(shù)通過優(yōu)化SDN網(wǎng)絡(luò)控制器的存放位置來達(dá)到最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。文獻(xiàn)[14]通過利用SDN的特征來整合SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以解決無線移動(dòng)SDN網(wǎng)絡(luò)通信安全問題。文獻(xiàn)[15]提出了選擇性貪婪算法和全局貪婪算法，通過理論分析得出這兩種算法能很好地降低SDN網(wǎng)絡(luò)控制層的能量損耗。

4　SDN研究的關(guān)鍵技術(shù)

4.1交換機(jī)及南向接口技術(shù)

SDN交換機(jī)是SDN網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理的設(shè)備。與傳統(tǒng)的交換機(jī)設(shè)備存在差異的是，設(shè)備中的各個(gè)表項(xiàng)是由遠(yuǎn)程控制器統(tǒng)一下發(fā)的，因此各種復(fù)雜的控制邏輯都無須在SDN交換機(jī)中實(shí)現(xiàn)。SDN交換機(jī)只需關(guān)注基于表項(xiàng)的數(shù)據(jù)處理，而數(shù)據(jù)處理的性能也就成為評(píng)價(jià)SDN交換機(jī)優(yōu)劣的最關(guān)鍵指標(biāo)。另外，考慮到SDN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的混合工作問題，支持混合模式的SDN交互機(jī)也是當(dāng)前設(shè)備層技術(shù)研發(fā)的焦點(diǎn)。同時(shí)，隨著虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)和完善，虛擬化環(huán)境將是SDN交換機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景，因此SDN交換機(jī)可能會(huì)有硬件、軟件等多種形態(tài)。

SDN交換機(jī)需要在遠(yuǎn)程控制器的管控下工作，與之相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)和控制指令都需要經(jīng)由SDN的南向接口傳達(dá)。當(dāng)前，最知名的南向接口協(xié)議是OpenFlow。作為一個(gè)開放的協(xié)議，OpenFlow突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商對(duì)設(shè)備能力接口的壁壘，能夠全面解決SDN網(wǎng)絡(luò)中面臨的各種問題。

4.2控制器及北向接口技術(shù)

SDN控制器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，是提升SDN網(wǎng)絡(luò)效率的關(guān)鍵。許多SDN研究人員投身于控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。用于網(wǎng)絡(luò)集中控制的控制器作為SDN網(wǎng)絡(luò)的核心，其性能和安全性非常重要，其可能存在的負(fù)載過大、單點(diǎn)失效等問題一直是SDN領(lǐng)域中亟待解決的問題。

SDN北向接口是通過控制器向上層業(yè)務(wù)應(yīng)用開放的接口，其目標(biāo)是使得業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠便利地調(diào)用底層的網(wǎng)絡(luò)資源。北向接口是直接為業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的，其設(shè)計(jì)需要密切聯(lián)系業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，具有多樣性的特征。同時(shí)，北向接口的設(shè)計(jì)是否合理、便捷，會(huì)直接影響到SDN控制器廠商的市場(chǎng)前景。目前，北向接口還缺少業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，成為當(dāng)前SDN領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。雖然北向接口標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前還很難達(dá)成共識(shí)，但是充分的開放性、便捷性、靈活性將是衡量接口優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。

4.3業(yè)務(wù)應(yīng)用和資源管理技術(shù)

SDN網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是服務(wù)于多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新。因此，隨著SDN技術(shù)的部署和推廣，將會(huì)有越來越多的業(yè)務(wù)應(yīng)用被研發(fā)。這類應(yīng)用將能夠便捷地通過SDN北向接口調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)能力，按需使用網(wǎng)絡(luò)資源。

SDN被廣泛地應(yīng)用在云數(shù)據(jù)中心、寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等種種場(chǎng)景中。SDN通過標(biāo)準(zhǔn)的南向接口屏蔽了底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)了資源的虛擬化，同時(shí)開放了靈活的北向接口供上層業(yè)務(wù)按需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源。云計(jì)算領(lǐng)域中的OpenStack就是可以工作在SDN應(yīng)用層的云管理平臺(tái)，通過在其網(wǎng)絡(luò)資源管理組件中增加SDN管理插件，管理者和使用者可利用SDN北向接口便捷地調(diào)用SDN控制器對(duì)外開放的網(wǎng)絡(luò)能力。因此，網(wǎng)絡(luò)資源可以和其他類型的虛擬化資源一樣，以抽象的資源能力呈現(xiàn)給業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)者，開發(fā)者無須針對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異耗費(fèi)大量開銷從事額外的適配工作。這有助于業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速創(chuàng)新。

5　SDN的應(yīng)用

在SDN關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，SDN的應(yīng)用場(chǎng)景也變得越來越多。應(yīng)用場(chǎng)景的多元化在促進(jìn)SDN技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也決定了其未來發(fā)展的方向。SDN的應(yīng)用場(chǎng)景主要是由其技術(shù)特點(diǎn)所決定的，表1列出了SDN技術(shù)適用的部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分類、特征和可能的應(yīng)用方式。

5.1SDN在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將靈活的網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)與具有時(shí)間意識(shí)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心應(yīng)用。這種新型的結(jié)合網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心選擇、路徑計(jì)算和帶寬資源分配等功能。另外，即使在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞較大的情況下，該結(jié)合網(wǎng)絡(luò)也能有效提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證各種應(yīng)用服務(wù)的可靠性[16]。

5.2SDN在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

NEC公司在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中采用SDN集中控制器監(jiān)控各種無線信道質(zhì)量和負(fù)載狀況，還可以在多種移動(dòng)通信方式之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換，保證終端用戶的服務(wù)質(zhì)量。此外，還利用OpenFlow智能流量管理功能對(duì)移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能管理，如可以在通信量相對(duì)較少的夜晚對(duì)網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行匯集，關(guān)閉多余的無線中轉(zhuǎn)站點(diǎn)的電源，從而節(jié)省能源。

表1　SDN技術(shù)可能適用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用一欄表

5.3SDN在虛擬化技術(shù)中的應(yīng)用

中國電信股份有限公司北京研究院將SDN技術(shù)與虛擬化技術(shù)相融合，應(yīng)用于移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，該架構(gòu)可融合2G/3G、LTE及Wi-Fi等多種接入技術(shù)，解決了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨的大數(shù)據(jù)處理問題。該新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)容量統(tǒng)籌調(diào)度、快速部署業(yè)務(wù)、提升網(wǎng)絡(luò)智能等方面亦具有優(yōu)勢(shì)[17]。

6　結(jié)束語

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為解決長(zhǎng)期存在于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各種問題創(chuàng)造了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，將打破傳

統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟硬件一體化垂直開發(fā)模式。SDN網(wǎng)絡(luò)只有數(shù)據(jù)層、控制層和應(yīng)用層3層架構(gòu)。在這種新型體系架構(gòu)中，最底層交換設(shè)備只需要提供最基本、最簡(jiǎn)單的功能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的傳輸數(shù)據(jù)，所有復(fù)雜功能和智能化策略都由上層來處理。架構(gòu)的中間為控制層，該層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最核心的組件，是主導(dǎo)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵。架構(gòu)的上層為應(yīng)用層，該層是今后整個(gè)產(chǎn)業(yè)主要的利潤(rùn)來源。通過開放的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，將極大地降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)開放的門檻，會(huì)有大量的新型服務(wù)出現(xiàn)，滿足用戶的各種需求，獲得商業(yè)價(jià)值。

SDN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功地為下一代網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路，為研究創(chuàng)新和軟件開發(fā)提供了平臺(tái)，并促進(jìn)其他領(lǐng)域的進(jìn)步。在不久的將來，SDN網(wǎng)絡(luò)會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。目前，國外正在對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)展開深入的研究，我國政府、科研院校和通信企業(yè)也應(yīng)該重視SDN技術(shù)發(fā)展的重大意義，加大各方面資源的投入力度，搶占SDN技術(shù)的制高點(diǎn)。

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Development Status and Analysis of Soft Defined Network

KUI Liping，LUO Guilan

(School of Mathematics and Computer，Dali University，Dali 671003，China)

The Internet has led to the creation of a digital society，where almost everything is connected and is accessible from anywhere.Thus，it brings great convenience to people’s life and communication.However，traditional IP networks are complex and very hard to manage.It is very difficult to configure the network according to predefined policies.The new software-defined network (SDN) can efficiently change this state by separating the control from forwarding.This network can simplify network management and better facilitate network evolution.This paper describes the development history，characters and research direction of the soft defined network，and focuses on the introduction of the architecture，key technology and application.

soft defined network; application plane; control plane; data plane

2014-11-30

奎麗萍(1986-)，女，碩士，主要從事SDN與網(wǎng)絡(luò)通信方面的研究。

TP393.02

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.030