當前，網(wǎng)絡已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代社會發(fā)展以及技術進步的重要基礎設施之一，它深深地改變了人們的生產(chǎn)、生活和學習方式；然而，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構越來越不能滿足當今企業(yè)、運營商以及用戶的需求。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)由極其復雜的交換機、路由器、終端以及其他設備組成，這些網(wǎng)絡設備使用著封閉、專有的內(nèi)部接口，并運行著大量的分布式協(xié)議。在這種網(wǎng)絡環(huán)境中，對于網(wǎng)絡管理人員、第三方開發(fā)人員（包括研究人員），甚至設備商來說，網(wǎng)絡創(chuàng)新都是十分困難的。
例如，研究人員不能夠驗證他們的新想法；網(wǎng)絡運營商難以針對其需求定制并優(yōu)化網(wǎng)絡，難以使得他們的收益最大化；甚至對于設備商來說，也不能及時地創(chuàng)新以滿足用戶的需求。
封閉的網(wǎng)絡設備所帶來的結果是：網(wǎng)絡依舊面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，如安全性、健壯性、可管理性以及移動性等等；網(wǎng)絡維護成本仍然居高不下，網(wǎng)絡管理需要大量的人工配置等等。
近年來，逐漸興起的SDN 正試圖打破這種僵局，并成為了近年來學術界和工業(yè)界討論的熱點。
1 SDN 的架構
1.1 SDN 架構的特點
SDN是軟件定義網(wǎng)絡的簡稱，其核心理念是使網(wǎng)絡軟件化并充分開放，從而使得網(wǎng)絡能夠像軟件一樣便捷、靈活，以此提高網(wǎng)絡的創(chuàng)新能力。通常意義上來講，SDN 是指從發(fā)展而來的一種新型的網(wǎng)絡架構，其前身是斯坦福的用于企業(yè)集中安全控制的Ethane 項目。
2008年斯坦福大學的Nick Mckeown 教授將其命名為OpenFlow，后經(jīng)由斯坦福項目推廣，以及在大型網(wǎng)絡- 全球網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境(GENI) 項目中的應用，該概念被逐漸擴展并成為了。
圖1 描述了SDN 架構的邏輯視圖。SDN 的基本網(wǎng)絡要素包括：邏輯上集中的SDN 控制器，它是基于軟件的控制器，負責維護全局網(wǎng)絡視圖，并且向上層應用提供用于實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的可編程接口（通常也稱為“ 北向接口”）；控制應用程序，該程序運行在控制器之上，通過控制器提供的全局網(wǎng)絡視圖，控制應用程序可以把整個網(wǎng)絡定義成為一個邏輯的交換機，同時，利用控制器提供的應用編程接口，網(wǎng)絡人員能夠靈活地編寫多種網(wǎng)絡應用，如路由、多播、安全、接入控制、帶寬管理、流量工程、服務質量等；轉發(fā)抽象，轉發(fā)抽象通常稱為“ 南向接口”，SDN 控制器通過利用SDN提供的轉發(fā)平面的網(wǎng)絡抽象來構建全局網(wǎng)絡視圖。
圖1 SDN架構
由此可知SDN 的基本特征：
控制與轉發(fā)分離。轉發(fā)平面由受控轉發(fā)的設備組成，轉發(fā)方式以及業(yè)務邏輯由運行在分離出去的控制面上的控制應用所控制。
控制平面與轉發(fā)平面之間的開放接口。SDN 為控制平面提供開放的網(wǎng)絡操作接口，也稱為可編程接口。通過這種方式，控制應用只需要關注自身邏輯，而不需要關注底層更多的實現(xiàn)細節(jié)。
邏輯上的集中控制。邏輯上集中的控制平面可以控制多個轉發(fā)面設備，也就是控制整個物理網(wǎng)絡，因而可以獲得全局的網(wǎng)絡狀態(tài)視圖，并根據(jù)該全局網(wǎng)絡狀態(tài)視圖實現(xiàn)對網(wǎng)絡的優(yōu)化控制。
1.2 SDN 的實例——OpenFlow
提到SDN，必然要涉及控制平面與轉發(fā)平面之間的接口定義，作為架構中控制平面與轉發(fā)平面之間轉發(fā)抽象定義的第一個實例，協(xié)議在提出的初期就受到業(yè)界的廣泛關注，后經(jīng)過GENI 項目的推進以及多家IT/互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的參與，現(xiàn)已形成強大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。因此，業(yè)界普遍選擇OpenFlow 協(xié)議作為中控制平面與轉發(fā)平面之間的通信接口，并圍繞其建立一系列的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、控制應用以及相關的組件等。
OpenFlow 的成功與其簡單高效的特點密不可分。OpenFlow 架構十分簡潔，如圖2 所示，OpenFlow交換機由內(nèi)部轉發(fā)流表以及用來與外部控制器進行通信的安全通道組成。為了使遠端的控制應用能夠對轉發(fā)平面的網(wǎng)絡設備進行編程，OpenFlow 協(xié)議指定了一系列基本操作。通過，SDN 控制應用可以直接訪問并操控轉發(fā)平面中的網(wǎng)絡設備，交換機則使用流表流水線來進行數(shù)據(jù)包匹配與數(shù)據(jù)包轉發(fā)。
圖2 OpenFIow架構
圖3 ODenFIow流表示例
如圖3 所示，OpenFlow 交換機中的每個流表中含有多條流表項，每條流流表項由匹配域、優(yōu)先級、統(tǒng)計域以及一系列的轉發(fā)指令組成�？刂破骺梢岳肙penFlow 協(xié)議對這些流表項進行添加、刪除或者修改操作，當數(shù)據(jù)包匹配到某個流表項時，該表項對應的指令集合將被觸發(fā)。OpenFlow 支持最基本的動作，包括轉發(fā)、丟棄、群組操作、入隊以及加/去標簽等。OpenFlow 通過對網(wǎng)絡中“ 流”的控制來達到對網(wǎng)絡進行靈活控制的目的。
此外，OpenFlow 支持的多種控制方式也有利于其在多種網(wǎng)絡環(huán)境中的部署。首先，基于OpenFlow 的完全不會受網(wǎng)絡規(guī)模的影響，分布式控制器能夠很好地提高網(wǎng)絡的可擴展性。其次，OpenFlow 中對“流”的定義十分靈活，這也就使得能夠對網(wǎng)絡進行更靈活的控制。例如，在需要進行細粒度控制的網(wǎng)絡場景中，可以逐流建立流表項并通過逐微流的精確匹配實現(xiàn)對網(wǎng)絡的精確控制；在流量較大的網(wǎng)絡環(huán)境中，可以使用通配流表來對匯聚流進行轉發(fā)，降低流表項數(shù)目對轉發(fā)節(jié)點內(nèi)存空間的沖擊。
最后，控制平面建立流表項的方式也十分靈活�？刂破矫婕瓤梢员粍拥亟⒘鞅眄�，由新流來觸發(fā)流表項的建立，也可以主動地建立流表，提前對轉發(fā)設備的轉發(fā)行為進行配置，從而提高轉發(fā)效率。OpenFlow 細粒度的、基于流的轉發(fā)能力，使得網(wǎng)絡控制變得十分靈活，使其能夠實時地對網(wǎng)絡應用、用戶、會話的需求做出不同的響應。
1.3 SDN 網(wǎng)絡虛擬化工具——FlowVisor
網(wǎng)絡虛擬化是未來網(wǎng)絡的發(fā)展方向之一。在基于OpenFlow 的中，F(xiàn)lowVisor 能夠有效地實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化。
FlowVisor是一個特殊的控制器，主要作為OpenFlow 交換機與多個OpenFlow 控制器之間的透明代理。FlowVisor 可以將物理網(wǎng)絡分成多個邏輯網(wǎng)絡，也稱為網(wǎng)絡分片，并為網(wǎng)絡管理人員提供廣泛定義的規(guī)則以實現(xiàn)對網(wǎng)絡的管理。FlowVisor通過抽象層來分割物理網(wǎng)絡，它位于一組交換機和SDN 或多個網(wǎng)絡之間，可管理帶寬的使用、CPU 利用率的管理統(tǒng)計和流表的配置等，這十分類似于管理程序位于服務器硬件和軟件之間，以支持多個虛擬操作系統(tǒng)的運行。正如管理程序依賴于標準x86 指令來虛擬化服務器一樣，F(xiàn)lowVisor 使用標準OpenFlow 指令集來管理交換機。由于所有這些規(guī)則都是通過流量表定義的，因此，無論是從帶寬還是CPU 使用率來看，網(wǎng)絡虛擬化幾乎沒有增加額外的開銷。
目前FlowVisor 已經(jīng)被部署在美國各地的一些大型校園網(wǎng)中（例如斯坦福）。兩個以研究為重點的大型網(wǎng)絡GENI 和Internet 2 上也在使用進行網(wǎng)絡虛擬化的管理。
2 SDN 的發(fā)展與應用
2.1 SDN 廣受關注
當前，SDN 已逐漸成為了學術界、工業(yè)界以及標準化組織廣泛關注并討論的熱點。
在學術界方面，近年來，世界各國紛紛開展了圍繞著SDN 的科研項目。美國科學基金會（NSF）支持的計劃[4] 在OpenFlow 發(fā)展的初期就率先對OpenFlow 予以了資金支持并實施了“GENI EntERPrise”計劃。目前，OpenFlow 已經(jīng)在美國多所高校、以及其他的多個科研機構中得到部署。歐盟第七框架計劃也于2010 年開始支持SDN 的相關研究，并支持了OFELIA[5] 、SPARC[6] 以及等研究項目。2012 年4 月，領域中又誕生了一個新的研究機構：美國斯坦福大學與伯克利大學聯(lián)合12 家公司成立了開放網(wǎng)絡研究中心（ONRC），其中包括了Cisco、、華為及Juniper 等網(wǎng)絡公司。目前，SDN 的相關研究已經(jīng)遍布全球的各個角落，比較有影響力的研究機構包括斯坦福大學、普林斯頓大學、康乃爾大學、多倫多大學、巴西CPqD、愛立信研究中心、NEC 研究中心、研究中心、德國電信T-Labs 研究中心等等。于此同時，SDN/OpenFlow 也在多個國家得到部署，主要包括：美國、巴西、加拿大、德國、英國、意大利、西班牙、日本等。
SDN在得到學術界的普遍認可的同時，工業(yè)界也對這種新的網(wǎng)絡架構表達出濃厚的興趣。從推出開始，NEC 公司就對OpenFlow 的相關硬件進行了跟進性的開發(fā)，并推出了多款支持OpenFlow 協(xié)議的交換機。此外，HP、Junifer、pronto 等公司也相繼推出了支持OpenFlow 的交換機、路由器、無線網(wǎng)絡接入點（AP）等網(wǎng)絡設備。2011 年，開放網(wǎng)絡基金會成立[9]，專門負責OpenFlow 標準和規(guī)范的維護和發(fā)展，并召開了第一屆開放網(wǎng)絡峰會，為OpenFlow 和SDN 做了很好的介紹和推廣，該基金會成員基本涵蓋了所有網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)領域的商業(yè)巨頭。在2012 年初召開的第二屆開放網(wǎng)絡峰會上，Cisco 宣布投入億美元于一個專門致力于SDN 產(chǎn)品研發(fā)的內(nèi)部創(chuàng)業(yè)公司Insieme；宣布已經(jīng)在其全球各地的數(shù)據(jù)中心骨干網(wǎng)絡中大規(guī)模地使用。最近，F(xiàn)acebook 也宣布在其數(shù)據(jù)中心中使用了OpenFlow/SDN 技術。
在標準化方面，開放網(wǎng)絡基金會（ONF）致力于推動SDN 技術的標準化和商業(yè)化，已于2012 年4 月發(fā)布了協(xié)議的最新v1.3 版本。此外，作為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準的主要制訂者，互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）也在積極開展SDN 的相關工作。2011 年月IETF 第82 次會議上的SDNP BoF 吸引了包括運營商以及設備商在內(nèi)的多人參加，主要討論了SDN 的需求、架構以及典型的應用場景。在第84 次會議上，SDN 更是成為技術全會的熱門話題，Cisco、以及馬里蘭大學分別進行了相關的主題演講。此外，負責進行互聯(lián)網(wǎng)演進相關的相對長期性研究的互聯(lián)網(wǎng)研究任務組（IRTF），也于會議上舉行了SDNRG 會議，并引起的極大關注。
2.2 SDN 發(fā)展迅速
經(jīng)過了幾年的發(fā)展，SDN 的相關技術正呈現(xiàn)著百花齊放的發(fā)展態(tài)勢。
在控制平面方面，從第一個控制器平臺NOX 開始，業(yè)界已逐漸出現(xiàn)一系列的基于OpenFlow 的網(wǎng)絡控制器平臺。這些控制器平臺在向下封裝與交換機通信的OpenFlow 協(xié)議的同時，也向上層網(wǎng)絡控制應用提供相對更高層的開放編程接口。當前主流的控制器平臺主要包括：NOX，，Onix，F(xiàn)loodlight，Beacon 以及等。
在轉發(fā)設備方面，SDN 的轉發(fā)設備已不再局限于有線轉發(fā)設備。支持OpenFlow 的轉發(fā)設備能夠部署在更廣闊的網(wǎng)絡環(huán)境中，如適用于虛擬環(huán)境的Open vSwitch 以及能夠工作在無線環(huán)境中的Pantou 等。于此同時，隨著設備廠商的加入，支持的轉發(fā)設備也正逐漸從基于軟件的轉發(fā)設備向基于高速硬件的轉發(fā)設備過渡。
在控制平面與轉發(fā)平面的通信接口方面，開放網(wǎng)絡基金會ONF 于年6 月發(fā)布了Openflow v1.3 版本。與早期版本相比，新版本的協(xié)議更加靈活。除了保留版本中對多級表、群組表、標簽以及虛端口等特性的支持，以及OpenFlow v1.2 版本中對IPv6 以及可擴展匹配的支持之外，版本規(guī)范了基于參數(shù)類型、長度和數(shù)值（TLV）的能力表達框架，還增加了對逐流計量以及IPv6 擴展頭處理等功能的支持。OpenFlow v1.4 版本的標準化工作計劃也將在2013 年上半年完成。
隨著SDN 相關技術研究的不斷深入，其研究活動主要可以在以下方面展開：
（1）SDN 控制應用的研究。
這種開放的網(wǎng)絡架構能夠用于多種網(wǎng)絡環(huán)境中，不同場景中SDN 控制應用需要從不同的網(wǎng)絡環(huán)境特點出發(fā)，因地制宜，合理有效地進行有針對性的控制應用設計。
（2）SDN 網(wǎng)絡抽象。在SDN 架構中，控制器平臺向上層控制應用提供高層抽象應用程序編程接口（API），也稱為“ 北向接口”。現(xiàn)有的控制器平臺實現(xiàn)已經(jīng)提供了一些基本的抽象，然而利用基本抽象來編寫網(wǎng)絡控制程序往往也是比較復雜并且容易出錯，如何去設計更高層的網(wǎng)絡編程抽象也是一個需要解決的問題。當前，業(yè)界比較認可的編程API 需求有提供通用的編程抽象，能夠支持多種網(wǎng)絡環(huán)境中的不同的網(wǎng)絡控制功能；提供高層抽象，使編程人員能夠更容易地控制網(wǎng)絡；提供分布式抽象，以支持網(wǎng)絡和應用的可擴展性，使程序的編寫不受底層網(wǎng)絡分布式結構的束縛；提供支持模塊化的控制程序；提供可移植性，使控制程序能夠得到最大限度的重用等等。
（3）SDN 調(diào)試及排錯技術。由于的行為完全由軟件決定，與所有程序一樣，這些控制程序同樣會存在一定的漏洞，驗證網(wǎng)絡行為與控制策略的一致性也成為了現(xiàn)階段的重要問題。
當前的解決方案有：利用模型校驗以及符號執(zhí)行去驗證控制器代碼的正確性；利用斷點及數(shù)據(jù)包回溯技術來對SDN 進行排錯；以及通過對數(shù)據(jù)平面配置的靜態(tài)分析來檢查網(wǎng)絡的聯(lián)通及隔離錯誤等等。
（4）分布式控制平面的設計。雖然OpenFlow 支持分布式控制，但將網(wǎng)絡智能邏輯上集中化之后所帶來的可用性、可擴展性等問題仍需完善。
在分布式SDN 架構中，控制器之間的信息復制決定了系統(tǒng)的可擴展性，在信息全復制的情況下，整個系統(tǒng)將很快會陷入系統(tǒng)瓶頸，因此需要對網(wǎng)絡中各種信息的更新頻率進行更為精確的分析，從而能夠給出較為有效的解決方案。
（5） 硬件優(yōu)化技術。利用的特性來對轉發(fā)硬件進行優(yōu)化，OpenFlow 協(xié)議從v1.1 版本之后將轉發(fā)面抽象成多級流水線，十分類似于當今交換機ASIC 以及網(wǎng)絡處理器的結構。那么，如何在不過分增加轉發(fā)硬件復雜度的前提下，盡可能地提高轉發(fā)平面的可編程能力（如可定義的表/流水線結構）也是一個需要進一步研究的重要問題。
隨著研究的不斷深入以及技術的持續(xù)發(fā)展，SDN 關鍵技術將逐漸趨于完善，未來的網(wǎng)絡將會越來越依賴于軟件，因此互聯(lián)網(wǎng)將可能會進入SDN 時代。
2.3 SDN 應用廣泛
SDN 能夠在多種網(wǎng)絡環(huán)境中得到應用，包括數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、企業(yè)網(wǎng)絡、廣域網(wǎng)以及移動網(wǎng)絡等。
首先，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡環(huán)境中使用SDN，可以將網(wǎng)絡和計算資源更加緊密地聯(lián)系在一起，從而實現(xiàn)高效的控制。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，利用SDN 的優(yōu)勢，可以有效地進行數(shù)據(jù)中心中的路徑優(yōu)化和負載均衡，提高數(shù)據(jù)中心中資源利用率以及降低數(shù)據(jù)中心的能量消耗。另一方面，在多個數(shù)據(jù)中心之間利用SDN 網(wǎng)絡虛擬化技術以及邏輯上集中式的控制技術，可以輕松地實現(xiàn)應用到虛擬專用網(wǎng)（VPN）的映射以及虛擬機的遷移。
其次，使用傳統(tǒng)技術對大型企業(yè)網(wǎng)絡進行管理是一種十分復雜的任務。在企業(yè)網(wǎng)絡中利用SDN 技術，能夠極大地減輕網(wǎng)絡管理的復雜度，企業(yè)網(wǎng)絡管理人員只需要通過定義整網(wǎng)的管理策略就能夠直接對企業(yè)網(wǎng)絡進行控制，而不需要進行逐設備的配置，提高了企業(yè)網(wǎng)絡的可靠性。
最后，在廣域網(wǎng)及移動網(wǎng)絡中使用SDN 技術也將可能具有眾多好處。SDN 邏輯上集中的控制平面能夠更好地實現(xiàn)網(wǎng)絡融合，使統(tǒng)一管理成為可能。利用SDN 技術可以在固定網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡中實現(xiàn)無縫控制、提高VPN 管理的靈活性等。已有企業(yè)公司利用OpenFlow 技術對移動網(wǎng)絡進行高效、靈活的網(wǎng)絡管理，并實現(xiàn)了多種移動通信方式之間的實時動態(tài)切換以及移動回程網(wǎng)絡的節(jié)能功能。在運營商網(wǎng)絡中利用SDN 技術不但能夠降低網(wǎng)絡管理難度，還能夠加快業(yè)務部署速度，提高網(wǎng)絡服務的適應能力。
3 結束語
通過控制與轉發(fā)的分離，SDN 能夠降低網(wǎng)絡管控的復雜度，提高網(wǎng)絡的可靠性及安全性，提供多種粒度的網(wǎng)絡控制，從而提高用戶體驗并促進網(wǎng)絡創(chuàng)新。當前SDN 已逐漸成為了學術界、工業(yè)界以及標準化組織廣泛關注并討論的熱點。未來網(wǎng)絡將越來越依賴于軟件，SDN這種新穎的、動態(tài)的網(wǎng)絡架構將得到更廣泛的應用，進而促進網(wǎng)絡技術的不斷創(chuàng)新。
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本文標題：軟件定義網(wǎng)絡：正在進行的網(wǎng)絡變革
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