全球SDN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

中國(guó)聯(lián)通研究院 | 劉楚 趙正一 張沛

全球SDN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

中國(guó)聯(lián)通研究院 | 劉楚 趙正一 張沛

SDN技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，特別是SDN接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理，及實(shí)現(xiàn)異廠商設(shè)備、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通都起到了積極的推動(dòng)作用。

2006年，由斯坦福大學(xué)為主導(dǎo)，聯(lián)合美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation,NSF）以及包括工業(yè)界合作伙伴，共同啟動(dòng)了Clean Slate（Clean-Slate Design for the Internet）項(xiàng)目。在此項(xiàng)目中，Martin Casado博士及其團(tuán)隊(duì)成員提出了Ethane架構(gòu)，作為企業(yè)網(wǎng)安全的子項(xiàng)，其被認(rèn)為是SDN概念及OpenFlow技術(shù)的發(fā)展源頭。該架構(gòu)通過(guò)一個(gè)中央控制器向基于流（Flow）的以太網(wǎng)交換機(jī)下發(fā)策略，從而對(duì)流的準(zhǔn)入和路由進(jìn)行統(tǒng)一管理。

在此基礎(chǔ)上，2007年，Martin Casado博士聯(lián)合Nick McKeown、Scott Shenker教授（加州大學(xué)伯克利分校），共同創(chuàng)建了致力于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的Nicira公司，并最先提出了SDN的概念。在2008年，Nick McKeown教授發(fā)表文章《OpenFlow：Enabling Innovation in Campus Networks》，首次提出了OpenFlow協(xié)議。

在此之后，SDN技術(shù)開(kāi)始飛速發(fā)展，并受到互聯(lián)網(wǎng)公司的重視。Google、雅虎等互聯(lián)網(wǎng)公司對(duì)SDN領(lǐng)域的研發(fā)加大投資，并開(kāi)始逐步部署。

在通信設(shè)備商方面，長(zhǎng)久以來(lái)所提供的設(shè)備均是傳統(tǒng)的控制和硬件一體的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)設(shè)備與設(shè)備之間的各類(lèi)協(xié)議進(jìn)行控制和運(yùn)行。SDN的產(chǎn)生對(duì)于設(shè)備商來(lái)說(shuō)同樣是革命性的改變，在未來(lái)SDN組網(wǎng)環(huán)境中，傳統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)不具備成本優(yōu)勢(shì)。隨著SDN市場(chǎng)前景的日趨明確，為了在未來(lái)SDN網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)一席之地，各通信設(shè)備商也開(kāi)始積極投入SDN技術(shù)、設(shè)備以及解決方案的探索和研究之中。隨著SDN標(biāo)準(zhǔn)的日趨成熟和完善及OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，思科、華為等廠商也陸續(xù)推出了自己的SDN的解決方案。

圖1 SDN基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 ONF組織架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)理念是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，并實(shí)現(xiàn)可編程化控制。其中，應(yīng)用層包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用；控制層主要是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、狀態(tài)信息等；基礎(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。SDN包括如下基本特征。

控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離：轉(zhuǎn)發(fā)面是一個(gè)受控轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)邏輯由分離出去的控制面進(jìn)行控制，其核心控制協(xié)議就是OpenFlow協(xié)議。

邏輯上的集中控制：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)元均有獨(dú)立的控制面，網(wǎng)元間通過(guò)控制協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；對(duì)于SDN網(wǎng)絡(luò)，將單個(gè)網(wǎng)元的控制面抽離處理，統(tǒng)一成一個(gè)獨(dú)立于設(shè)備的控制平面，因而可以擁有網(wǎng)絡(luò)級(jí)的狀態(tài)，并根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

開(kāi)放API：對(duì)應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)資源操作的接口。通過(guò)API接口，應(yīng)用層可以告知網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)行才能更好地滿(mǎn)足業(yè)務(wù)帶寬、時(shí)延、計(jì)費(fèi)等需求；應(yīng)用層可以由客戶(hù)根據(jù)自己的需求進(jìn)行定制。

SDN標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)展

SDN已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，將會(huì)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過(guò)程中的重要代表；同時(shí)，SDN作為一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和架構(gòu)，推動(dòng)其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化則顯得尤為重要。一方面，運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行技術(shù)研究工作時(shí)，應(yīng)關(guān)注核心技術(shù)的研究和核心專(zhuān)利的申請(qǐng)，積極參加相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議和組織，爭(zhēng)取引導(dǎo)SDN產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；另一方面，SDN技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，特別是SDN接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理，及實(shí)現(xiàn)異廠商設(shè)備、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通都起到了積極的推動(dòng)作用。

ONF

2011年，在雅虎、Google、德國(guó)電信等幾家公司的倡議下，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（Open Networking Foundation，ONF）成立，其致力于軟件定義網(wǎng)絡(luò)及OpenFlow技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化（規(guī)范制定）以及商業(yè)化，也是目前最為活躍的SDN標(biāo)準(zhǔn)化組織。

該組織主要關(guān)注S D N及OpenFlow技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化（規(guī)范制定）以及商業(yè)化。目前，ONF由董事會(huì)成員及會(huì)員兩部分組成。董事會(huì)成員主要包括部分運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)及軟件公司，包括德國(guó)電信、日本NTT、Facebook、Google、微軟、Verizon、雅虎以及高盛等8家成員；會(huì)員則包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、服務(wù)器虛擬化廠商、網(wǎng)絡(luò)虛擬化廠商、測(cè)試儀表廠商等在內(nèi)的80多家成員。

2012年，SDN成為全球網(wǎng)絡(luò)界最炙手可熱的焦點(diǎn)，ONF創(chuàng)始至今，已經(jīng)為設(shè)備和軟件提供商、服務(wù)提供商及電信運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)眾多機(jī)遇。因此ONF成員數(shù)量也快速擴(kuò)張。ONF成員也在不同領(lǐng)域開(kāi)展了SDN的技術(shù)研究和部署。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商中的中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)成為ONF組織的成員，而中國(guó)電信也在積極申請(qǐng)中。

ONF組織架構(gòu)如圖2所示，其中技術(shù)工作組是其主要的技術(shù)研究部門(mén)，包括擴(kuò)展性組、配置和管理組、測(cè)試和互操作組、遷移組、市場(chǎng)培育組、結(jié)構(gòu)框架組、轉(zhuǎn)發(fā)抽象組和光傳輸組等8個(gè)子工作組，此外，ONF設(shè)置有5個(gè)討論組，分別是專(zhuān)題討論組、無(wú)線(xiàn)傳輸組、安全組，技能驗(yàn)證組和日本組。

目前ONF最主要研究成果是OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)和OpenFlow-CONFIG標(biāo)準(zhǔn)（即OpenFlow配置和管理協(xié)議）。OpenFlow協(xié)議用來(lái)描述控制器和交換機(jī)之間交互所用信息的標(biāo)準(zhǔn)，以及控制器和交換機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)。各版本OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)及其相應(yīng)特點(diǎn)如表1所示。

OpenFlow配置和管理協(xié)議（OF-CONFIG）由配置和管理工作組制定和維護(hù)，是OpenFlow協(xié)議的同伴協(xié)議，是在包含OpenFlow交換機(jī)的運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，除OpenFlow協(xié)議之外的接口配置和管理協(xié)議規(guī)范，目前采用NETCONF協(xié)議進(jìn)行傳輸。各版本OFCONFIG標(biāo)準(zhǔn)及其相應(yīng)的特點(diǎn)如表2所示。

IETF

IETF成立于1985年底，是全球互聯(lián)網(wǎng)最具權(quán)威的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的研發(fā)和制定，當(dāng)前絕大多數(shù)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出自IETF。與ONF相比較，IETF更多是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商主導(dǎo)，聚焦于SDN相關(guān)功能和技術(shù)如何在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)上。

IETF早期有兩個(gè)與SDN相關(guān)的研究項(xiàng)目/工作組，分別是轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離組（ForCES，forwarding and control element separation）和應(yīng)用層流量?jī)?yōu)化工作組（ALTO，application-layer traffic optimization）。其中，F(xiàn)orCES已經(jīng)發(fā)布了9個(gè)RFC，主要涉及需求、框架、協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)單元模型、MIB等；ALTO主要通過(guò)為應(yīng)用層提供更多的網(wǎng)絡(luò)信息，完成應(yīng)用層的流量?jī)?yōu)化，用于判斷的參數(shù)包括最大帶寬、最少跨域、最低成本等等。ALTO的研究思想體現(xiàn)了SDN向上層應(yīng)用開(kāi)放接口的理念，這種開(kāi)放部分網(wǎng)絡(luò)信息以?xún)?yōu)化應(yīng)用的做法，從廣義上講也是SDN的一種實(shí)現(xiàn)類(lèi)型。

此外，IETF還著手制定I2RS標(biāo)準(zhǔn)。I2RS的核心思想是在目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由及轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)放新的接口來(lái)與外部控制層通信，外部控制層通過(guò)設(shè)備反饋的事件、拓?fù)渥兓?、流量統(tǒng)計(jì)等信息來(lái)動(dòng)態(tài)地下發(fā)路由狀態(tài)、策略等到各個(gè)設(shè)備上去?？梢钥闯?，I2RS延用了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中正在使用的路由、轉(zhuǎn)發(fā)等結(jié)構(gòu)與功能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的擴(kuò)展與豐富。

表1 各版本OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)

圖3 IETF中定義的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，IETF 也以軟件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（software driven network）為出發(fā)點(diǎn)研究SDN，成立了SDN BOF，并提出了IETF定義的SDN架構(gòu)，如圖3所示。

ONF中的OpenFlow協(xié)議強(qiáng)調(diào)的是設(shè)備控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化。而IETF中定義的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是設(shè)備的可編程性，即開(kāi)放北向API接口，為用戶(hù)創(chuàng)新提供有力保證。

ITU-T

ITU-T也在近期開(kāi)展了對(duì)SDN的相關(guān)研究。通過(guò)與ONF的聯(lián)絡(luò)協(xié)商，ITU-T明確了將針對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行SDN場(chǎng)景對(duì)象、相關(guān)架構(gòu)的研究。

在2013年2月的SG13（Future networks including cloud computing, mobile and nextgeneration networks）全會(huì)上，將原有的28個(gè)Question重組為19個(gè)Question，并對(duì)SDN強(qiáng)相關(guān)的Question進(jìn)行了重命名。其中，承接上一研究期，修改Q14在研項(xiàng)目Y.FNsdn研究范圍從而覆蓋SDN定義、總體特征、功能需求和架構(gòu)。圖4示出了Y.FNsdn標(biāo)準(zhǔn)中所定義的SDN 框架。

SG 13主要面向SDN功能需求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，而SG 11則結(jié)合SG 13的工作，開(kāi)展SDN信令需求和協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。2013年2月在日內(nèi)瓦召開(kāi)的SG 11全會(huì)上，確定了以下幾個(gè)方向的研究議題。

軟件定義的寬帶接入網(wǎng)（SBAN）應(yīng)用場(chǎng)景及信令需求（Q.SBAN）；SDN的信令架構(gòu)（Q.Supplement-SDN）；基于寬帶網(wǎng)關(guān)的靈活網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)組合信令需求（Q.SBNG）；跨層優(yōu)化的接口和信令需求（Q.CSO）；支持IPv6的標(biāo)準(zhǔn)化智能可編程接口應(yīng)用場(chǎng)景及信令需求（Q.IPv6UIP）。

與此同時(shí)，2013年2月SG15 Q12/Q14的中間會(huì)議也開(kāi)始研究SDN對(duì)傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響，并根據(jù)會(huì)議提交的多篇文稿制定了SDN在傳送網(wǎng)方面的Living List，這些研究點(diǎn)將會(huì)是SG15 Q12/Q14后續(xù)SDN研究的重點(diǎn)。

ETSI

國(guó)際主流運(yùn)營(yíng)商發(fā)起成立了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化行業(yè)規(guī)范工作組(NFV ISG)并于2013年1月召開(kāi)了第一次會(huì)議。本工作組將制定支持虛擬功能硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施的要求和架構(gòu)規(guī)范以及發(fā)展網(wǎng)絡(luò)功能的指南。工作組的工作將視情況整合現(xiàn)有的虛擬化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并與其他標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在開(kāi)展的工作相配合。

NFV 和SDN 是互補(bǔ)的，但又不相互依賴(lài)。雖然二者的結(jié)合可能產(chǎn)生更高的價(jià)值，但NFV 的實(shí)現(xiàn)可以不使用SDN。

CCSA

CCSA已開(kāi)始在TC1和TC3設(shè)立SDN研究任務(wù)，預(yù)研SDN的應(yīng)用場(chǎng)景/需求和問(wèn)題分析、術(shù)語(yǔ)及定義、系統(tǒng)架構(gòu)和功能模型、設(shè)備技術(shù)規(guī)范、互通規(guī)范和測(cè)試規(guī)范等。

2012年8月，TC1召開(kāi)了“未來(lái)網(wǎng)絡(luò)與SDN”專(zhuān)題研討會(huì)，主要對(duì)SDN應(yīng)用及發(fā)展，架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。2013年1月，TC1成立了“未來(lái)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（FDN）”特別工作組，分別在應(yīng)用場(chǎng)景、功能架構(gòu)、接口協(xié)議方面專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)開(kāi)展研究。2012年12月，TC6 WG1（傳輸工作組）針對(duì)“軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”進(jìn)行了研究立項(xiàng)，該項(xiàng)目將針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的需求和特點(diǎn)，提出面向光傳送網(wǎng)的SDN關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。

小結(jié)

毫無(wú)疑問(wèn)，SDN是下一代互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商而言，對(duì)SDN仍是初步涉及，對(duì)SDN在電信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也仍在嘗試與探索。無(wú)論已經(jīng)廣泛深入，還是仍在初步嘗試，以SDN為代表的新一代技術(shù)已經(jīng)對(duì)整個(gè)市場(chǎng)格局產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變，SDN對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也將帶來(lái)革命性的影響。

SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、組網(wǎng)架構(gòu)和運(yùn)維模式都存在潛在的影響，傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)軟件化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、運(yùn)行和管理都面臨系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)，建議運(yùn)營(yíng)商積極開(kāi)展SDN的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新，以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、迎接挑戰(zhàn)。