中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司成都分公司 辛榮寰

S D N在傳送網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討

中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司成都分公司 辛榮寰

未來幾年4G業(yè)務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)將持續(xù)高速發(fā)展，高清視頻流量等寬密集型業(yè)務(wù)流量占比不斷增長(zhǎng)。運(yùn)營(yíng)商希望用較低的成本構(gòu)建安全可靠、配置零活、響應(yīng)迅速的網(wǎng)路，來應(yīng)對(duì)未來業(yè)務(wù)流量的高速增長(zhǎng)，并希望通過更加精確的、差異化的承載能力來提高網(wǎng)絡(luò)盈利能力。而SDN技術(shù)已被大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商寄予厚望。本文通過對(duì)SDN含義、核心本質(zhì)、特征、優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)說明，分析其在傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用-T-SDN。

SDN；OpenFlow；應(yīng)用層；控制層

1.前言

隨著電信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，未來幾年4G業(yè)務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)將持續(xù)高速發(fā)展，高清視頻流量等寬密集型業(yè)務(wù)流量占比不斷增長(zhǎng)。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨幾大問題：

（1）分布式最短路徑算法帶來的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題；（2）目前各廠家的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都過于復(fù)雜；

（3）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議眾多，網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)維困難；

（4）網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新業(yè)務(wù)的部署速度太慢，一個(gè)新的創(chuàng)新應(yīng)用一般需要至少3-5年才能真正得到部署。

很幸運(yùn)，現(xiàn)在已經(jīng)找到了目前系統(tǒng)性的解決以上問題的最好方法，那就是SDN。SDN由于自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，已經(jīng)被大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商寄予厚望。

因而各運(yùn)營(yíng)商如何在網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先部署SDN，是靈活有效降低運(yùn)營(yíng)成本和滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要的關(guān)鍵。

2.SDN的含義

相對(duì)于當(dāng)前分布式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重在構(gòu)建一個(gè)扁平化、簡(jiǎn)潔、集約、柔性、開放的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1 SDN的基本概念

SDN是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，OpenFlow是其核心技術(shù)，通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。SDN的基本架構(gòu)分為三個(gè)層面：從上到下分別為應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。

SDN的架構(gòu)可以類比為人的身體：控制層類似于人的大腦，主要起到對(duì)人身體的總體管控的作用；基礎(chǔ)設(shè)施層的設(shè)備類似于人的四肢，在控制層（大腦）的控制下進(jìn)行各種操作；應(yīng)用層類似于各種創(chuàng)新的想法，控制層在應(yīng)用層的驅(qū)動(dòng)下對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行指揮從而達(dá)到其所需的效果；南向接口和北向接口則分別類似于人體內(nèi)的神經(jīng)和腦電波，主要作用是上傳下達(dá)各種信號(hào)。從類比中可以看出：作為四肢的基礎(chǔ)設(shè)施層，其處理性能一定要高，而其本身可以不做更多的思考而成為“傻”設(shè)備；作為大腦的控制層，其控制邏輯一定要周全，能夠根據(jù)全局的網(wǎng)絡(luò)視圖作出合理的資源調(diào)配決策；作為創(chuàng)新想法的應(yīng)用層，其工作是充分利用大腦提供的能力完成各種花樣翻新的任務(wù)，同時(shí)針對(duì)自身需要向大腦提出新的能力需求。

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，以及基礎(chǔ)API的應(yīng)用開發(fā)；控制層主要功能是接受轉(zhuǎn)發(fā)器注冊(cè)，收集拓?fù)浜唾Y源，計(jì)算內(nèi)部通道并下發(fā)至所有轉(zhuǎn)發(fā)器，接收外部協(xié)議報(bào)文并計(jì)算業(yè)務(wù)路由，為轉(zhuǎn)發(fā)器下發(fā)路由表等?；A(chǔ)設(shè)施層主要功能是管理通道自組織，完成向控制器注冊(cè)和資源收集上報(bào)，外部協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至控制器，接收控制器路由表等。

2.2 SDN的核心本質(zhì)

SDN的本質(zhì)是把網(wǎng)絡(luò)軟件化。是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一次重構(gòu)，使得未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)僅僅通過SDN控制器的編程、增加和升級(jí)控制器上的軟件程序就可以完成新業(yè)務(wù)部署，快速滿足客戶靈活多變的需求。

只有少量用戶業(yè)務(wù)需求是過去做不到的，而大量需求沒有SDN也能做，只是SDN會(huì)使事情做得更快、更簡(jiǎn)單。用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需求是沒有變化，而是在質(zhì)量屬性需求發(fā)生了變化，比如快速新業(yè)務(wù)上線需求、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)需求降低運(yùn)維難度和費(fèi)用，因此SDN只是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一次重構(gòu)。

2.3 SDN的主要特征

目前流行的三種SDN分別為：ONF SDN、ETSI NFV和 Open-Daylight，它們?cè)跇I(yè)界都擁有眾多的擁護(hù)者，從而權(quán)威性不容置疑。雖然這三種不同的架構(gòu)存在不同之處，但在定義上存在共性，從中可以總結(jié)出SDN具備的三大主要特征。

（1）轉(zhuǎn)控分離：

通過統(tǒng)一和開放南向接口，將基礎(chǔ)設(shè)施層的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的差異徹底屏蔽掉，從而使底層網(wǎng)絡(luò)對(duì)上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的透明化成為現(xiàn)實(shí)。分離邏輯網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)后，可以在根據(jù)業(yè)務(wù)需求在邏輯網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行操作，不必收到物理設(shè)備位置的限制。除此之外，多租戶共享也能在邏輯網(wǎng)絡(luò)上得以實(shí)現(xiàn)，租戶網(wǎng)絡(luò)的定制需求也能得以實(shí)現(xiàn)。

（2）集中控制：通過對(duì)邏輯上集中的控制，從而能夠獲得網(wǎng)絡(luò)資源的全局信息，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行全局調(diào)配和優(yōu)化資源，例如負(fù)載均衡、流量控制等。同時(shí)，集中控制可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以在邏輯上被看成一臺(tái)設(shè)備，而僅對(duì)這臺(tái)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)，而不用現(xiàn)場(chǎng)配置具體的物理設(shè)備，這樣能大大提升網(wǎng)絡(luò)控制的便捷度。

（3）開放接口：南向和北向接口作為兩個(gè)開放的接口，可以通過這兩個(gè)接口將應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)無縫的集成起來，從而使得網(wǎng)絡(luò)能由應(yīng)用告知如何運(yùn)行才能更好地滿足應(yīng)用的需求，應(yīng)用的需求包括業(yè)務(wù)的帶寬、業(yè)務(wù)的時(shí)延要求等。除此之外，用戶還能通過這兩個(gè)接口自行開發(fā)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，從而調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源，縮短新業(yè)務(wù)的上限周期。

3.SDN在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用原則和優(yōu)勢(shì)

企業(yè)和電信運(yùn)營(yíng)商正在想方設(shè)法應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)。他們希望其網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)策略動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整并做出響應(yīng)。他們希望能夠自動(dòng)實(shí)施這些策略，這樣他們就可以減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的人工操作和人力成本。他們希望可以在其網(wǎng)絡(luò)中快速部署和運(yùn)行新的應(yīng)用，從而讓業(yè)務(wù)見到成效。而且，他們還希望在推出新功能的同時(shí)不會(huì)中斷已有的業(yè)務(wù)。這是一項(xiàng)很難完成的任務(wù)，但是，SDN有望應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。以下是SDN的6個(gè)原則以及能為客戶帶來的優(yōu)勢(shì)：

（1）清晰地將網(wǎng)絡(luò)軟件劃分為4個(gè)層（平面）：管理、服務(wù)、控制和轉(zhuǎn)發(fā) ― 提供架構(gòu)基礎(chǔ)，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)平面。

（2）將管理、服務(wù)和控制平面的相關(guān)部分集中起來，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并降低運(yùn)營(yíng)成本。

（3）利用云實(shí)現(xiàn)靈活的擴(kuò)展和部署，推動(dòng)基于使用的定價(jià)機(jī)制，以便更快地提供服務(wù)，并關(guān)聯(lián)價(jià)值與成本。

（4）在管理系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、服務(wù)和集成的平臺(tái)，以實(shí)施新的業(yè)務(wù)解決方案。

（5）推動(dòng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，以支持多個(gè)供應(yīng)商異構(gòu)技術(shù)之間的互操作性，從而帶來更多的選擇并降低成本。

（6）將SDN原則廣泛應(yīng)用于包括安全在內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù) ― 從數(shù)據(jù)中心和企業(yè)園區(qū),直至電信運(yùn)營(yíng)商所使用的移動(dòng)和 有線網(wǎng)絡(luò)。

4.SDN在傳送網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討和價(jià)值

4.1 T-SDN的應(yīng)用和價(jià)值

（1）自動(dòng)化：將原離線離散的多個(gè)規(guī)劃和運(yùn)維工具有機(jī)連接，打通端到端業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)，縮短業(yè)務(wù)上市時(shí)間。

（2）虛擬化：設(shè)備虛擬化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理和控制，簡(jiǎn)化運(yùn)維。資源虛擬化，提供差異化帶寬服務(wù)（VTS），增加客戶粘性并帶來增值收入。

（3）協(xié)同性：IP+光多層協(xié)同，多域大網(wǎng)集中管理，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率，節(jié)省建網(wǎng)成本。

（4）彈性：通過傳送設(shè)備的軟件編程控制，實(shí)現(xiàn)線路速率自定義，提升管道的頻譜效率；L0/L1/L2多層自協(xié)商，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)感知選擇最佳映射路徑。

（5）開放性：開放式平臺(tái)，簡(jiǎn)化OSS集成，加快新設(shè)備&新技術(shù)的引入，提供豐富的APP應(yīng)用和各類虛擬增值業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理更敏捷。

4.2 SDN在應(yīng)用中需要考慮的問題

（1）SDN轉(zhuǎn)發(fā)平面的設(shè)計(jì)問題，隨著Open fl ow的規(guī)約不斷發(fā)布，交換機(jī)的流表也從最初的單表結(jié)構(gòu)變?yōu)槎啾斫Y(jié)構(gòu)，流表項(xiàng)匹配字段也支持ipv6、MPLS等，這就意味著Open fl ow交換機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

（2）控制平面的可擴(kuò)展性：隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，需要多控制器的解決方案，而控制單元的數(shù)量和他們之間的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的協(xié)同和交互如何實(shí)現(xiàn)，還需要深入研究。

（3）SDN在控制邏輯上具有一致性。雖然控制平面可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)集中部署控制邏輯，但是數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備卻依然是一個(gè)分布式的系統(tǒng)，延遲是可能存在的，難以保證一致性，有可能造成斷路，丟包的問題。

（4）運(yùn)算壓力大、軟件復(fù)雜度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性存在隱患：為了滿足網(wǎng)絡(luò)的可編程性的需求，應(yīng)用程序需要得到大量對(duì)環(huán)境的控制權(quán)限，但這種控制權(quán)極易導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。

（5）控制器接口尚未標(biāo)準(zhǔn)化。

（6）網(wǎng)絡(luò)集中控制固有的安全隱患，SDN安全問題的獨(dú)特性在于SDN管理的集中性和開放性。控制面安全（監(jiān)聽）、應(yīng)用層安全（蠕蟲，惡意軟件），通過授權(quán)、訪問控制等來解決控制層面的問題，通過控制器提供的編程接口進(jìn)行鑒定應(yīng)用層的應(yīng)用。

5.總結(jié)

目前SDN技術(shù)雖然尚不夠成熟，在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中還沒有得到大規(guī)模的商用。但SDN有著自身得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離的特點(diǎn)可有效降低設(shè)備硬件成本；控制邏輯集中的特點(diǎn)可使得網(wǎng)絡(luò)具有全局的視圖實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合和集中管控；網(wǎng)絡(luò)能力開放化可促進(jìn)更多的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)創(chuàng)新。這三大驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)著SDN的發(fā)展，也使得SDN在傳輸商網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊的發(fā)展前景。

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辛榮寰，高級(jí)工程師，本科，主要從事有線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及規(guī)劃的研究工作。