計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展

熊建 熊軍

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)日益龐大復(fù)雜起來，那么計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向又如何呢？軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)構(gòu)建開放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。SDN認(rèn)為不應(yīng)無限制地增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象以屏蔽底層復(fù)雜度，為上層提供簡單的、高效的配置和管理，以支持未來的新網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);未來;發(fā)展

隨著信息化的不斷發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋了社會(huì)的各行各業(yè)，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可缺少的，那么計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是什么，主要是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，未來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又如何呢，我們希望無論從網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度、網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)的可控制管理性、網(wǎng)絡(luò)的安全性等方面都有所提高。

一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

從上世紀(jì)50年代開始至今已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷程了，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)主機(jī)非常昂貴，因此計(jì)算機(jī)之間的通信、信息交換、資源共享就需要用到，相對(duì)便宜的網(wǎng)絡(luò)通信線路和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為了共享計(jì)算機(jī)主機(jī)資源和進(jìn)行信息的綜合傳輸及處理，便形成了第一代的以單個(gè)的主機(jī)為中心的聯(lián)機(jī)終端網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

終端到主機(jī)都單獨(dú)占有一條通信的線路，使得線路利用率低，主機(jī)的cpu負(fù)載大消耗高，那么利用效率則低，提供資源共享的主機(jī)如果出現(xiàn)問題，那么所有終端都無法在網(wǎng)絡(luò)上通信交互數(shù)據(jù)，在這樣的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)形式下，就必須改進(jìn)，在遠(yuǎn)程終端聚集的地方設(shè)置一個(gè)終端集中器，把所有的終端聚集到終端集中器里，而且終端到集中器之間是低速線路，而終端到主機(jī)是高速線路，這樣使得主機(jī)只要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理而不需要承擔(dān)大量的通信負(fù)載工作壓力，大大提高了主機(jī)的利用率。

二、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

為了使不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的兼容性和互操作管理性更加緊密;更好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的資源共享，現(xiàn)代社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的OSI模型，OSI模型分為7層，分層的思想使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)變成了對(duì)各層及層與層之間接口的設(shè)計(jì)，所以易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，各層功能明確相互獨(dú)立，下層為上層提供了很好的服務(wù)。在目前的商用網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，TCP/IP協(xié)議（網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議）是網(wǎng)絡(luò)通信中最基本的協(xié)議，所有的網(wǎng)絡(luò)都是建立在此協(xié)議基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。便出現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，該模型按照OSI模型演變而來，分為了應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層四個(gè)層。

1.以太網(wǎng)的作用

目前主要以以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，它將傳統(tǒng)的三層數(shù)據(jù)中心交換架構(gòu)變成了一層或二層結(jié)構(gòu)，目的是為了提升高度虛擬化和支持目前云的數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性、性能和彈性。

服務(wù)器的虛擬化廣泛應(yīng)用改變了這些設(shè)備，使靜態(tài)架構(gòu)變成了虛擬機(jī)，它們能夠在多個(gè)服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸，從而大大拓展了數(shù)據(jù)中心的整體容量。應(yīng)用程序也變得越來越復(fù)雜，它們的許多功能分散到了不同的系統(tǒng)和組件上，然后在各個(gè)服務(wù)器之間通信。

大量服務(wù)器之間的流量增加了傳統(tǒng)三層交換架構(gòu)的負(fù)擔(dān)，限制了可擴(kuò)展性。現(xiàn)在數(shù)據(jù)必須經(jīng)過多跳網(wǎng)絡(luò)才能到達(dá)目標(biāo)，從而增加了延遲和導(dǎo)致性能下降。性能和可靠性進(jìn)一步受到普遍使用的生成樹協(xié)議（STP）的影響，雖然STP足夠應(yīng)付傳統(tǒng)流量注和應(yīng)用架構(gòu)，但是這種方法存在缺陷且比較脆弱，它的帶寬使用效率不高。以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)（TRILL）和最短路徑橋接（SPB）通?？梢蕴娲鷱?fù)雜且效率低下的三層網(wǎng)絡(luò)和生成樹。這種協(xié)議技術(shù)簡化了應(yīng)用程序的工作方式，不需要知道正確的可達(dá)路徑，只要考慮自己應(yīng)該做什么。節(jié)點(diǎn)可以直接將所有數(shù)據(jù)包發(fā)送給結(jié)構(gòu)，然后由結(jié)構(gòu)來決定該如何將數(shù)據(jù)包傳輸給目標(biāo)地址。

2.未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

451研究集團(tuán)首席分析師說：“結(jié)構(gòu)允許同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)會(huì)話，但是所有系統(tǒng)仍然看起來像是彼此相鄰的。以太網(wǎng)交換結(jié)構(gòu)技術(shù)綜述中指出，結(jié)構(gòu)支持用“基于流的細(xì)粒度負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)相同代價(jià)的二層和三層多路轉(zhuǎn)發(fā)”。按此想要發(fā)展網(wǎng)絡(luò)那么“結(jié)構(gòu)”被視為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必由之路。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向就是為了解決，簡化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分配和管理部署。

三、未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SDN

1.SDN技術(shù)介紹

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），是由美國斯坦福大學(xué)clean slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心技術(shù)“OpenFlow”通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，并實(shí)現(xiàn)可編程化控制，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。其典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為設(shè)備層、控制層、應(yīng)用層3層，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;設(shè)備層負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

路由器的設(shè)計(jì)上看，它由軟件控制和硬件數(shù)據(jù)通道組成。軟件控制包括管理（CLI，SNMP）以及路由協(xié)議（OSPF，ISIS，BGP）等。數(shù)據(jù)通道包括針對(duì)每個(gè)包的查詢、交換和緩存。如果將網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備視為被管理的資源，那么參考操作系統(tǒng)的原理，可以抽象出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Network OS）的概念，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一方面抽象了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，同時(shí)還為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一的管理視圖和編程接口。這樣，基于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)這個(gè)平臺(tái)，用戶可以開發(fā)各種應(yīng)用程序，通過軟件來定義邏輯上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詽M足對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的不同需求，而無需關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

SDN提出控制層面的抽象，目前的MAC層和IP層能做到很好的抽象但是對(duì)于控制接口來說并沒有作用，我們以處理高復(fù)雜度（因?yàn)橛刑嗟膹?fù)雜功能加入到了體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，比如OSPF，BGP，組播，區(qū)分服務(wù)，流量，NAT，防火墻，MPLS，冗余層等等）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹f(xié)議、算法和控制來讓網(wǎng)絡(luò)工作，我們完全可以對(duì)控制層進(jìn)行簡單、正確的抽象。SDN給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃與管理提供了極大的靈活性，我們可以選擇集中式或是分布式的控制，對(duì)微量流（如校園網(wǎng)的流）或是聚合流（如主干網(wǎng)的流）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的流表項(xiàng)匹配，可以選擇虛擬實(shí)現(xiàn)或是物理實(shí)現(xiàn)。

隨著云計(jì)算、虛擬化、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)從以往關(guān)注最多的交換機(jī)、路由器、安全設(shè)備等能力的提高，轉(zhuǎn)換為對(duì)如何精簡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量的需求。網(wǎng)絡(luò)的作用不單單集中在信息交換、提升業(yè)務(wù)發(fā)展水平的層面。未來網(wǎng)絡(luò)逐漸從面向連接轉(zhuǎn)為面向應(yīng)用，這就對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新挑戰(zhàn)，在這種大背景下，SDN作為新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，即時(shí)登上網(wǎng)絡(luò)舞臺(tái)，成為引領(lǐng)變革的新主角。

2.SDN的發(fā)展

SDN的熱潮絕不是一蹴而就，其技術(shù)的演進(jìn)和應(yīng)用經(jīng)歷了長久的發(fā)展。在2006年，SDN誕生于美國GENI項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)Clean Slate課題，斯坦福大學(xué)Nick教授為首的研究團(tuán)隊(duì)提出了OpenFlow的概念并用于校園網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)創(chuàng)新，后續(xù)基于OpenFlow給網(wǎng)絡(luò)帶來可編程的特性，SDN的概念因此應(yīng)運(yùn)而生。

在2010年1月，Google開始采用SDN和OpenFlow，在2012年初，谷歌全部的數(shù)據(jù)中心骨干連接已經(jīng)都采用SDN架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)利用率提升到95%，有效提升了網(wǎng)絡(luò)的可管理、可編程、網(wǎng)絡(luò)利用率以及成本效益。

未來將繼續(xù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)開放發(fā)展方向，搭建廠商與最終用戶之間的橋梁;共同推進(jìn)SDN及其他前沿技術(shù)的發(fā)展，為新一輪網(wǎng)絡(luò)變革和發(fā)展貢獻(xiàn)力量。SDN被眾多機(jī)構(gòu)認(rèn)為是顛覆性創(chuàng)新，SDN快速發(fā)展，已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)參考模式之一。那么無論未來的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展是否成功，提出了SDN這種技術(shù)就是一種成功。