蔡力群

摘要： 主要研究了SDN網(wǎng)絡(luò)及SDN控制器的組成及產(chǎn)生的意義，并以IP網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)優(yōu)的案例具體說(shuō)明了SDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。從與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN網(wǎng)絡(luò)相比較入手，闡明了SDN網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，及新產(chǎn)生的協(xié)議及作用。著重分析了SDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)及遇到需解決的問(wèn)題。以IP網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)為例，闡述了SDN網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重新架構(gòu)的意義。

Abstract： This paper mainly studies the composition and significance of SDN network and SDN controller. And the cases of IP network flow optimization are used to illustrate the advantages of SDN network. Compared with the traditional network and SDN network， this paper expounds the structure of SDN network， the new protocol and the role. This paper analyzes the advantages of SDN network and the problems that need to be solved. The backbone network in IP network is taken as the example to expound the significance of SDN network to the whole network.

關(guān)鍵詞： SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；南北協(xié)議；SDN控制器；PCE+流量調(diào)優(yōu)；Agile Controller-WAN軟件

Key words： SDN network architecture；north-south agreement；SDN controller；PCE+ traffic optimization；Agile Controller-WAN software

中圖分類號(hào)：TP393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0085-03

0 引言

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，移動(dòng)技術(shù)更新日益加速的時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)公司的崛起，對(duì)運(yùn)營(yíng)商造成了前所未有的挑戰(zhàn)，促使運(yùn)營(yíng)商對(duì)自身網(wǎng)絡(luò)為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，提出了一系列的訴求。為解決網(wǎng)絡(luò)快速創(chuàng)新慢，管理滯后，設(shè)備龐大，技術(shù)發(fā)展緩慢的問(wèn)題，從網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)開(kāi)始，利用SDN網(wǎng)絡(luò)新的思維方式，使用原有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面相分離的原則，采用SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，從而加快技術(shù)創(chuàng)新，業(yè)務(wù)部署，打造一個(gè)開(kāi)放智能高效的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

1 產(chǎn)生背景

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代社會(huì)中有著越來(lái)越重要的地位，其中又?jǐn)?shù)IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛，在IP協(xié)議誕生之初，IP協(xié)議僅為Internet服務(wù)。隨著IP技術(shù)的發(fā)展，逐步用來(lái)承載語(yǔ)音、Vpn等業(yè)務(wù)。隨著承載業(yè)務(wù)的多樣化，業(yè)務(wù)規(guī)模也逐漸向著泛在化和超寬帶化發(fā)展演進(jìn)。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)將向下一代IP網(wǎng)絡(luò)（NGI）過(guò)渡。同時(shí)IP業(yè)務(wù)商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式也將發(fā)生改變。這就造成了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商面臨諸多問(wèn)題，比如：管理運(yùn)維復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新困難；設(shè)備日益臃腫等，這時(shí)NFV/SDN技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV（Network Function Virtvalization），是采用虛擬化技術(shù)，將傳統(tǒng)電信設(shè)備的軟件與硬件解耦，基于通用計(jì)算，存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)功能，提升管理和維護(hù)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。SDN（Software Definef Network）即軟件定義網(wǎng)絡(luò)。2000年由美國(guó)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)。遵循4個(gè)原則：①控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離原則；②集中化控制原則；③網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可編程；④開(kāi)放的接口。SDN的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)軟件化，提升網(wǎng)絡(luò)可編程能力，是一次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)，而不是一種新特性、新功能。SDN將比原來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更好、更快、更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)各種功能特性?，F(xiàn)在的IP網(wǎng)絡(luò)管理多且復(fù)雜，命令行多，真正痛點(diǎn)是業(yè)務(wù)部署慢，對(duì)網(wǎng)絡(luò)集中控制，把控制面集中到一個(gè)軟件（SDN控制器）進(jìn)行控制，于是很多事情就解決了。如圖1所示。

2 SDN架構(gòu)模型

隨著ONF（Open Network Foundation）組織、NFV產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的推動(dòng)以及運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商、設(shè)備生產(chǎn)商的積極投入，SDN模型也逐漸達(dá)成了共識(shí)。如圖2所示。

協(xié)同應(yīng)用層：主要是與控制器通信的軟件應(yīng)用程序。用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的擴(kuò)展。完成用戶意圖的各種上層應(yīng)用程序，此類應(yīng)用程序（APP）稱為協(xié)同層應(yīng)用程序，典型的協(xié)同層應(yīng)用包括OSS、openstack等。OSS負(fù)責(zé)整網(wǎng)的業(yè)務(wù)協(xié)同，而Openstack則在數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算，存儲(chǔ)的協(xié)同。OpenStack是目前最活躍的一個(gè)開(kāi)源云計(jì)算管理平臺(tái)，提供了網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)的功能。協(xié)同應(yīng)用層和控制層之間定義為北向接口（NBI，Northbound Intterface）。其中網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議（Netconf）是南北向都應(yīng)用的協(xié)議。北向接口位于控制層與應(yīng)用層之間，將控制器提供的網(wǎng)絡(luò)能力和信息進(jìn)行抽象并開(kāi)放給應(yīng)用層使用。它決定SDN發(fā)展方向與價(jià)值，意義重大。

北向接口主要包含幾種接口：REST和RESTful 服務(wù)。REST（Representational State Transfer）是一種基于軟件架構(gòu)風(fēng)格的WWW.基于REST架構(gòu)的服務(wù)成為RESTful服務(wù)。Restful接口，用于網(wǎng)絡(luò)管理，端口管理，業(yè)務(wù)管理。NetConf和RESTful同時(shí)也是東西向的協(xié)議。Openstack Plug-In 接口用于網(wǎng)絡(luò)管理，防火墻管理，路由器管理。

NetConf接口：用于管理SNC.路由器和交換機(jī)設(shè)備；基于XML的網(wǎng)絡(luò)配置和管理協(xié)議。

NetStream也是北向接口，它是一種基于通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的通信流量和資源使用情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)流量信息的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。主要應(yīng)用于基于時(shí)間或流量的計(jì)費(fèi)和對(duì)賬，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和分析，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，應(yīng)用監(jiān)控和分析，用戶監(jiān)控和分析。

控制層：控制層是系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑和邊界業(yè)務(wù)路由的生成，并負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化事件。它的實(shí)現(xiàn)實(shí)體就是SDN控制器，也是SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下最核心的部件。還有一些其它的協(xié)同層應(yīng)用程序如安全APP，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)APP客戶端等。其核心功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換路徑計(jì)算和邊界業(yè)務(wù)路由計(jì)算。包括一個(gè)邏輯上集中的SDN控制器，能很好的完成網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度和控制。協(xié)同應(yīng)用層與轉(zhuǎn)發(fā)層之間的接口定義為南向接口（SBI，Southbound Interface）。南向網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備層進(jìn)行管控與調(diào)度，包括鏈路發(fā)現(xiàn) 拓?fù)涔芾?策略制定 表項(xiàng)下發(fā)。也需要通過(guò)明確定義的應(yīng)用層接口要求，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行綜合管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控。南向接口主要包含的幾種CLI接口：用于管理防火墻； MROSI接口：用于與U2000對(duì)接；SNMP接口：用于管理路由器設(shè)備；SFTP接口：用于從U2000獲取性能數(shù)據(jù)。如圖3所示。

基礎(chǔ)層架構(gòu)層或轉(zhuǎn)發(fā)層：包括物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器。提供可編程，高速硬件和軟件。

在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中，控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面是分離的，轉(zhuǎn)發(fā)層主要由轉(zhuǎn)發(fā)器和連接轉(zhuǎn)發(fā)器的線路構(gòu)成基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，這一層負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中需要轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)則是由控制層生成的，而不是轉(zhuǎn)發(fā)器。轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)可以是2層轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)或者3層轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。轉(zhuǎn)發(fā)層一個(gè)方面上報(bào)網(wǎng)絡(luò)資源信息和狀態(tài)，另外一個(gè)方面接收控制層下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)信息。

在SDN中的定位處于基礎(chǔ)架構(gòu)層與控制層之間 定義為OpenFlow協(xié)議，是構(gòu)建SDN網(wǎng)絡(luò)的基本要素。是非常著名的南向接口協(xié)議。它是用來(lái)作為OpenFlow控制器和轉(zhuǎn)發(fā)器之間的通信協(xié)議。OpenFlow是平面接口或基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。定義控制器通信控制器之間的平臺(tái)和數(shù)據(jù)平面設(shè)備，如物理和虛擬交換機(jī)以及路由器。包括OpenFlow PCEP SNMP OVSDB 等協(xié)議。

南向接口中網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議（NETCONF）定義是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML（Extensible Markup Language）的網(wǎng)絡(luò)配置和管理協(xié)議。NETCONF提供了按照操作和刪除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的機(jī)制；用來(lái)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)管協(xié)議。提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的操作以及RPC調(diào)用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理。使用SSH傳輸協(xié)議。

南向接口簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是廣泛用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用來(lái)收集，管理，修改設(shè)備信息。作為TCP/IP協(xié)議族的一部分，SNMP消息被封裝為UDP報(bào)文在Internet中傳輸。作用是網(wǎng)管站（NMS），代理（Agent）和被管理設(shè)備。

東西向接口 包括Restful接口和SFTP接口Restful接口：NetMatrix提供網(wǎng)絡(luò)資源接口，uTraffic通過(guò)此接口向NetMatrix獲取網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)。uTraffic提供實(shí)時(shí)流量接口，NetMatrix通過(guò)此接口向uTraffic獲取實(shí)時(shí)流量信息，用于顯示實(shí)時(shí)流量情況和流量趨勢(shì)。

SFDP接口 是NetMatrix通過(guò)此接口獲取uTraffic采集的歷史流量數(shù)據(jù)

3 SDN網(wǎng)絡(luò)及SDN控制器

在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)歸屬由SDN控制器控制，那么對(duì)SDN控制器的可靠性問(wèn)題顯得尤為重要。

①傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò)可靠性的對(duì)比如圖4所示。

②SDN控制器的可靠性問(wèn)題主要涉及有4個(gè)方面如圖5所示。

③SDN控制器架構(gòu)性能需求。

第一時(shí)間指標(biāo)及網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間性能分析：要求在部署控制器情況，網(wǎng)絡(luò)的收斂時(shí)間和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)情況下的故障收斂時(shí)間相當(dāng)。

第二空間指標(biāo)：及實(shí)現(xiàn)技術(shù)DC內(nèi)要求支持百萬(wàn)級(jí)以上OVS（OpenvSwitch）能力；DCI/METEO/CORE，每臺(tái)控制器管控2000臺(tái)設(shè)備；IPRAN接入場(chǎng)景，每臺(tái)控制器管控20000臺(tái)設(shè)備。

④SDN網(wǎng)絡(luò)價(jià)值。

第一快速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新 SDN的可編程和開(kāi)放性，使得我們可以快速開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，加速業(yè)務(wù)創(chuàng)新。第二SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)，消除了很多IETF的協(xié)議。協(xié)議的祛除，意味著學(xué)習(xí)成本的下降，運(yùn)維成本的下降，部署業(yè)務(wù)速度的提升。第三網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通用化。第四業(yè)務(wù)自動(dòng)化：自行完成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的部署，提供網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化能力。第五網(wǎng)絡(luò)路徑調(diào)優(yōu)和流量調(diào)優(yōu)：當(dāng)采用SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN控制器可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)智能調(diào)整網(wǎng)絡(luò)路徑，達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)吞吐的目的。第六SDN是對(duì)電信網(wǎng)絡(luò)的一次重構(gòu)，在SDN時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)大部分業(yè)務(wù)需求，能夠像IT應(yīng)用一樣快速的進(jìn)行調(diào)整，快速部署新業(yè)務(wù)。

4 SDN 的主要應(yīng)用場(chǎng)景

①主要有基于SDN/NFV的以數(shù)據(jù)中心（DC）的網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

②隨著企業(yè)業(yè)務(wù)的逐步云化，資源集中管理 、網(wǎng)絡(luò)可靈活調(diào)整、 高速、 低時(shí)延的專用的面向數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的承載網(wǎng)絡(luò)也是需要解決的問(wèn)題，SDN使能DCI（數(shù)據(jù)中心二層互聯(lián)）可以滿足這個(gè)的需求。

③不斷高速增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)流量促使電信行業(yè)不斷探索降低骨干網(wǎng)絡(luò)的成本。

以MPLS骨干網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)應(yīng)用SDN組網(wǎng)為例，說(shuō)明SDN如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)的過(guò)程。組網(wǎng)架構(gòu)如圖6所示。

包含了 WAN（IP CORE）解決方案，DCI解決方案，CloudVPN解決方案 PCE+流量調(diào)優(yōu)解決方案組成。

其中，Agile Controller-WAN 是核心部件，主要面向WAN（IP CORE）場(chǎng)景 DCI場(chǎng)景和Cloud Vpn場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)WAN領(lǐng)域的快速發(fā)放，域內(nèi)流量調(diào)優(yōu)，簡(jiǎn)化現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)，降低既有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。

Agile Controller-WAN 通過(guò)提供業(yè)務(wù)隨需 、網(wǎng)絡(luò)隨調(diào)、 電信級(jí)可靠性、 可視化、 開(kāi)放創(chuàng)新， 解決運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)部署慢，網(wǎng)絡(luò)利用率低，維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題。

PCE+流量調(diào)優(yōu) PCE（Path Computation Element）是一種基于MPLS TE的集中算路模式，解決了傳統(tǒng)MPLS TE獨(dú)立算路的限制。由隧道的Ingress節(jié)點(diǎn)PCC（Path Compution Client）向PCE Server請(qǐng)求路徑計(jì)算，PCE Server返回算路結(jié)果后，PCC觸發(fā)RSVP-TE協(xié)議建立LSP。

主要包括：①PCC（轉(zhuǎn)發(fā)器）負(fù)責(zé)TE隧道創(chuàng)建、帶寬標(biāo)簽資源預(yù)留，是TE隧道的所有者及管理者。

②PCE Server（控制器）是算路中心，通過(guò)IGP-TE收集網(wǎng)絡(luò)資源信息（TEDB-Traffic Engineering Database）信息，并負(fù)責(zé)集中算路。

③PCE+是基于PCE技術(shù)的演進(jìn)，和PCE的主要區(qū)別是：PCE（也稱為Passive Stateless PCE）：轉(zhuǎn)發(fā)器上報(bào)LSP信息但是不托管（Delegation），即控制器不會(huì)主動(dòng)下發(fā)信息給轉(zhuǎn)發(fā)器。同時(shí)控制器僅能收到TEDB信息，收不到網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)相關(guān)信息（LSP-DB-Label Switched Path Database），無(wú)權(quán)以全局最優(yōu)為目標(biāo)對(duì)不同PCC的路徑做主動(dòng)調(diào)優(yōu)。

④PCE+（也稱為Active Stateful PCE）：轉(zhuǎn)發(fā)器授權(quán)控制器管理托管的LSP，同時(shí)控制器基于PCEP協(xié)議收集LSP-DB信息，并基于LSP-DB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算，從而以全局最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)優(yōu)。

⑤PCEP（Path Computation Element Communication Protocol）協(xié)議是PCC和PCE Server之間的通信協(xié)議，用來(lái)收集整網(wǎng)RSVP-TE LSP信息，并基于此提供集中算路服務(wù)。PECP僅提供了PCE南向接口的標(biāo)準(zhǔn)定義，但不包含PCE計(jì)算的方法，PCE+擁有自己的集中網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，支持基于COST、帶寬、時(shí)延等SLA進(jìn)行路徑計(jì)算。

⑥PCE for SR-TE：除了RSVP-TE之外，PCEP也支持收集SR-TE LSP信息，為SR-TE LSP進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

⑦包括 北向協(xié)議 RESTCONF、 Syslog client、 AAA、 SFTP 、client 、SNMP agent 。南向協(xié)議 SNMP client NETCONF、 SFTP Server、 Trap Server、 PCEP 、BGP、 BGP-LS/GP 。目前最多開(kāi)發(fā)就是南北向協(xié)議是Openflow 和Openstack兩大協(xié)議平臺(tái)，各項(xiàng)技術(shù)處于逐步完善階段。

以上綜述，從以SDN組網(wǎng)的Agile Controller-WAN軟件的應(yīng)用，說(shuō)明了加快了運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)部署業(yè)務(wù)，減少了工作量，無(wú)需要多部門和廠商配合。提高網(wǎng)絡(luò)效率，快速反應(yīng)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行全局調(diào)整，而且對(duì)調(diào)優(yōu)結(jié)果能及時(shí)感知。使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)操作簡(jiǎn)單，且定位時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從闡明SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成，再到IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SDN組網(wǎng)，詳述了SDN網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的重新架構(gòu)產(chǎn)生的重大意義。綜述解決了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一系列的改造，采取了通信領(lǐng)域最新產(chǎn)生的新協(xié)議，新標(biāo)準(zhǔn)。從而逐步完善對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的改造。打造一個(gè)全新的適應(yīng)時(shí)代要求的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

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