SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展論文
1前言
為了滿(mǎn)足未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需要，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內已經(jīng)形成了“當前是采取新的設計理念、創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )體系構架的時(shí)候”的趨勢，對以后網(wǎng)絡(luò )的體系架構提出了本質(zhì)上變革和多業(yè)務(wù)功能開(kāi)發(fā)需。軟件定義網(wǎng)絡(luò )SDN的出現使得研究人員有了全新的研究理念。從SDN的提出、發(fā)展、基本理論介紹入手，對SDN的技術(shù)特征、邏輯構架作了相應的分析，對SDN的國內外研究現狀與標準化進(jìn)行作了適當的闡述，提出了未來(lái)發(fā)展過(guò)程中SDN面臨的機遇與挑戰，并對可能的探索方向作了相應的總結。
2SDN起源與概念
2006年，斯坦福大學(xué)開(kāi)始實(shí)施“Clean-SlateDesignfortheInternet”項目，該項目的目標是探索與傳統網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不一樣的全新的互聯(lián)網(wǎng)思想，解決現在基礎網(wǎng)絡(luò )構架的局限性，以高效地推動(dòng)創(chuàng )新科技與新型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展。在這個(gè)項目中，斯坦福大學(xué)的NickMcKeown教授和他的學(xué)生MartinCasado等設計了一種Ethane網(wǎng)絡(luò )技術(shù)架構，它是向以流為基礎的以太網(wǎng)交換機經(jīng)過(guò)集中控制器發(fā)送路由策略與控制信息，實(shí)現對流的控制和路由的統一。之后NickMcKeown教授與MartinCasado等研究人員提出OpenFlow的理念，其基本觀(guān)點(diǎn)是將現有網(wǎng)絡(luò )設備的路由控制平面與數據轉發(fā)平面相分離，以標準化接口的形式采取一個(gè)集中控制器對各種網(wǎng)絡(luò )設施作相應的管理與配置，而這些網(wǎng)絡(luò )設施只執行接收控制器的命令和轉發(fā)操作。這種網(wǎng)絡(luò )架構為網(wǎng)絡(luò )資源靈活性設計、高效集中的管理和分布式的使用提供了強有力的支持，有效推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)一步革新與發(fā)展。因為OpenFLow具備開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )編程接口，所以Ethane被業(yè)界普遍認為是SDN技術(shù)的起源與雛形理念。作為一種新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，SND經(jīng)過(guò)對網(wǎng)絡(luò )設施數據平面與控制平面的分離，將網(wǎng)絡(luò )控制與資源調度能力抽象為應用程序接口（API:ApplicationProgrammingInterface），并將其提供給應用層，從而構建了可編程的、具有開(kāi)放性的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，在對各種底層網(wǎng)絡(luò )資源虛擬化的前提下，能夠對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中的管理與控制。與傳統網(wǎng)絡(luò )將控制系統嵌入到網(wǎng)絡(luò )設施中相對比，SDN能夠將網(wǎng)絡(luò )設施的控制能力集中到中央控制器，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)操作系統使得業(yè)務(wù)配置與網(wǎng)絡(luò )控制更加自動(dòng)化、更加靈活。
3SDN體系架構與標準化進(jìn)程
3.1SDN體系架構
從現網(wǎng)數據通信路由交換設備設計上來(lái)看，它由控制、轉發(fā)和管理三個(gè)平面組成，從功能邏輯上進(jìn)行3個(gè)不同層次的劃分，各負其責。其中控制層面需要支持的各種規范與協(xié)議，如IGP、BGP、Multi-Casting、QOS、TE、NAT、firewall、MPLS、VPN等，已經(jīng)使得路由器的實(shí)現與設計流程都非常復雜。SDN目的就是把整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的控制平面功能從傳統網(wǎng)絡(luò )設備硬件中剝離出來(lái)，由單獨的服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò )的集中控制和管理。軟件定義網(wǎng)絡(luò )體系結構圖，是ONF（OpenNetwork-ingFoundation:開(kāi)放基金會(huì )）提出的SDN的典型構架，從上到下，SDN網(wǎng)絡(luò )體系構架包括應用層、控制層與基礎設備層3部分。其中應用層在上層，包含各種不同的應用與業(yè)務(wù)，控制層在中層，負責對網(wǎng)絡(luò )資源的調度作相應的處理，對狀態(tài)信息與網(wǎng)絡(luò )拓補作適當的維護，基礎設備層在下層，主要具有狀態(tài)采集、數據轉發(fā)與處理功能。SDN有兩個(gè)關(guān)鍵的接口，分別是控制層與應用層之間的接口以及基礎設備層與控制層之間的接口，這兩個(gè)接口在SDN構架中占據十分重要的地位。其中，基礎設備層中的經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)設施與控制層中控制軟件之間的接口叫做控制數據面接口；應用層各個(gè)應用與控制層之間的接口叫做API接口；OpenFlow網(wǎng)絡(luò )主要由3個(gè)部分組成，分別是：OpenFlow協(xié)議、安全通道與OpenFlow交換由流表。OpenFlow交換接到報文數據后，第一步是對流表作相應的查找，找到對應匹配的轉發(fā)報文數據，并給出相關(guān)操作。如果沒(méi)有找到表項匹配，就把報文數據轉發(fā)到控制層中，讓控制器負責其下一步的轉發(fā)動(dòng)作�？刂破鹘�(jīng)過(guò)OpenFlow協(xié)議來(lái)操作，并對OpenFlow交換中的流表作相應的更新，從而能夠集中對網(wǎng)絡(luò )流量進(jìn)行控制與管理�？刂茖訉Φ讓踊ヂ�(lián)網(wǎng)基礎資源作相應的抽象，為上層應用層提供全局的虛擬化視圖，完全通過(guò)軟件實(shí)現，脫離了網(wǎng)絡(luò )控制功能與硬件網(wǎng)絡(luò )設施之間的緊耦合捆綁�？刂茖訛閼脤犹峁┝司邆溟_(kāi)放性的接口，能夠對控制器執行編程操作，來(lái)實(shí)現對應用的網(wǎng)絡(luò )流量以及各種流量模型的控制，從而方便網(wǎng)絡(luò )對流量的感知，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)智能化的實(shí)現。
3.2SDN架構的特征
從上述介紹中能夠看出，歸納總結起來(lái)，SDN應具備的3大特點(diǎn)：
�。�1）集中化控制：通過(guò)SDN的三層結構，控制器的`集中控制可以獲取互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的所有信息，并可以按照業(yè)務(wù)的實(shí)際需要對資源進(jìn)行全局的優(yōu)化與配置，例如負載平衡、QOS、流量工程等。與此同時(shí)，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)集中控制功能能夠在邏輯層面被看做是由一臺網(wǎng)絡(luò )設施執行維護與運行功能，不用到現場(chǎng)對物理設施作相應的配置，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò )維護與控制方便性的全面提升。
�。�2）開(kāi)放接口：通過(guò)北向與南向接口的開(kāi)放，使得網(wǎng)絡(luò )能夠與各類(lèi)業(yè)務(wù)需要無(wú)縫銜接，經(jīng)過(guò)開(kāi)放接口人為靈活地使用編程的方式通知網(wǎng)絡(luò )怎樣工作才更能符合業(yè)務(wù)的需要，比如延遲、帶寬、服務(wù)類(lèi)型、計費等對路由的影響等。同時(shí)，通過(guò)可編程接口，可以使得用戶(hù)自主對資源進(jìn)行調用，對網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使得新業(yè)務(wù)的上線(xiàn)周期明顯縮短。
�。�3）網(wǎng)絡(luò )資源虛擬化：通過(guò)南向接口的開(kāi)放，能夠對底層物理轉發(fā)設施間的差別進(jìn)行屏蔽，使得底層網(wǎng)絡(luò )對上層應用具備較強的透明性。當物理網(wǎng)絡(luò )與邏輯網(wǎng)絡(luò )分離開(kāi)后，邏輯網(wǎng)絡(luò )能夠按照實(shí)際業(yè)務(wù)的要求，在不受到物理設施所處位置的約束條件下進(jìn)行遷移與配置。而且，邏輯網(wǎng)絡(luò )還能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )定制與多用戶(hù)的共享需要。SDN的轉發(fā)平面與控制平面的分離，使得把控制器從傳統互聯(lián)網(wǎng)設施中抽離出來(lái)并集中控制有了可供參考的依據。南向接口理念（OpenFlow）的提出，使得底層網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)設施的集中控制與管理成為了可能。對上層應用來(lái)說(shuō)，物理網(wǎng)絡(luò )具有透明化的特點(diǎn)。SDN的體系架構和多樣化的標準接口，未來(lái)會(huì )促進(jìn)網(wǎng)絡(luò )能力更加方便地調用，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也更容易的被創(chuàng )新。
3.3SDN標準化進(jìn)程
ONF是推動(dòng)SDN網(wǎng)絡(luò )規范化工作的國際組織之一。ONF標準組織為SDN體系規范化的首個(gè)接口就是OpenFlow，當前有關(guān)規范的定義已經(jīng)更新到了1.4版本。雖然ONF是制定SDN標準的主要組織，而牽涉到互聯(lián)網(wǎng)虛擬化規范制定的則是ETSINFV（NetworkFunctionVirtualization：網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化）。而且，許多有關(guān)的規范化組織也都在大力進(jìn)行SDN標準的制定，例如IETF（InternetEngineeringTaskForce：互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）、ITU-T（ITU-TforITUTelecommunicationStan-dardizationSector：國際通信聯(lián)盟電信規范化組織）等。NFV主要是部署大量服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器的容量堆疊和虛擬化實(shí)現存儲容量的擴大，其目標是希望經(jīng)過(guò)采取行業(yè)內標準的交換機、儲存、服務(wù)器以及規范化互聯(lián)網(wǎng)虛擬化技術(shù)所承載的軟件功能，確保能夠靈活地加載各種軟件，從而可以在用戶(hù)端、控制器以及數據中心實(shí)現靈活的配置與部署，使得各種業(yè)務(wù)部署的復雜度與難度都得以顯著(zhù)下降。IETF研究在傳統網(wǎng)絡(luò )各類(lèi)協(xié)議的基礎上，在網(wǎng)絡(luò )層與應用層之間添加SDN插件來(lái)開(kāi)展開(kāi)放式能力的封裝，以對已有的各種IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與路由協(xié)議進(jìn)行重用與保留。ITU-T研究組是討論SDN構架與信令需求的探索工作，對SDN協(xié)議兼容性、消息的實(shí)現協(xié)議與機制、消息參考架構、消息需求等標準的制定，并將確保能夠與ONF制定的OF-CONFIG與OpenFlow協(xié)議具有較好的兼容性�？傮w來(lái)說(shuō)，SDN目前雖然在市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始了應用，但是各研究機構對SDN的研究標準還有待統一和未來(lái)進(jìn)一步的完善發(fā)展。
4SDN技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展
SDN將網(wǎng)絡(luò )底層的各類(lèi)實(shí)體資源虛擬化--軟件可以實(shí)時(shí)地對SDN網(wǎng)絡(luò )中的轉發(fā)設備通過(guò)北向接口編程的方式進(jìn)行重新定義和重寫(xiě)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )只需要具備基本轉發(fā)功能的硬件設備就可以了，大大降低了網(wǎng)絡(luò )對設備各項功能的依賴(lài)程度；實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制集中化，業(yè)務(wù)配置虛擬化，設備硬件商品化，使得網(wǎng)絡(luò )的規模和性能迅速和靈活地擴充。SDN技術(shù)的興起在面臨眾多挑戰的同時(shí)，也帶來(lái)了很多發(fā)展機遇。SDN可擴展性的探索使得SDN具有深入發(fā)展的可能性，OpenFlow協(xié)議已經(jīng)成為SDN使用最為普遍的一種南向接口標準，但是該協(xié)議仍然不夠完善，版本仍然處于快速更新中。SDN的業(yè)界應用沒(méi)有一個(gè)統一詳細的技術(shù)協(xié)議標準，而且一些關(guān)鍵技術(shù)的研究突破還有待時(shí)日。SDN技術(shù)探索現在主要在如下幾點(diǎn)進(jìn)行：
�。�1）SDN跨域通信與規模部署研究；
�。�2）傳統網(wǎng)絡(luò )與SDN共存問(wèn)題研究；
�。�3）SDN在大數據應用與數據中心的研究；
�。�4）SDN網(wǎng)絡(luò )的安全以及控制器的熱備份等問(wèn)題的研究；
�。�5）SDN與其他新型網(wǎng)絡(luò )架構融合的研究。
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