云平臺SDN關(guān)鍵技術(shù)的研究與展望

李潔

摘 要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Deflned Networking，SDN）構(gòu)建出一種網(wǎng)絡(luò)框架，其將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，為研發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及應(yīng)用和未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一種全新的解決方案。從SDN的起源入手，總結(jié)SDN控制其的發(fā)展過程及SDN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)進(jìn)程。對未來SDN在設(shè)備生產(chǎn)商和運(yùn)營商發(fā)展路徑進(jìn)行了深入的展望。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；SDN控制器；云計(jì)算；ONF

中圖分類號：TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.07.015

0 引言

SDN在2012年得到了廣泛的商用，代表性的事件有VMware收購NicirOrcale收購Xsigo，Google部署SDN網(wǎng)，Cisco宣布開發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境戰(zhàn)略。據(jù)IDC預(yù)測，預(yù)計(jì)到2018年SDN市值將達(dá)35.2億美元，SDN發(fā)展迅速，遠(yuǎn)超市場預(yù)期。

1 SDN相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 SDN起源

SDN起源于斯坦福大學(xué)，作為Clean Slate研究項(xiàng)目的一個(gè)副產(chǎn)品誕生。SDN主要分為狹義SDN與廣義SDN兩種：狹義的SDN主要指OpenFlow，OpenFlow由ONF（open networking foundation，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)基金會）定義的開發(fā)架構(gòu)。廣義的SDN是一個(gè)框架，一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的理念。SDN框架中的網(wǎng)絡(luò)，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，在轉(zhuǎn)發(fā)面這一角度，其是協(xié)議無關(guān)的。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)，管理員疲于奔命處理各種網(wǎng)絡(luò)故障。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面整合在一起，設(shè)備是一臺臺單獨(dú)管理，管理員對網(wǎng)絡(luò)中的很多事情不能在第一時(shí)間獲取信息。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中有各種不同廠家不同版本的設(shè)備，難有一個(gè)統(tǒng)一的平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理。當(dāng)新的業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)時(shí)，管理員需要對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大后，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的工作量，及故障排除的工作量變的難以估計(jì)和判斷。為了解決網(wǎng)絡(luò)中的這些問題，SDN應(yīng)運(yùn)而生，SDN解決這些問題的核心是改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制的方式，及傳統(tǒng)設(shè)備中控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面是整合在一起的，這種控制是完全分布式的，SDN將控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，控制面放到一個(gè)外部服務(wù)器中，由這臺服務(wù)器通過統(tǒng)一的指令集中管理轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的所有設(shè)備。通過集中管理，消除了大量手動配置過程，增加了靈活性，管理員對全網(wǎng)有了整體視圖，提高了業(yè)務(wù)部署的效率。

1.2 0penFlow基本原理

Nick McKenown在2008年發(fā)表的論文<

流（Flow）是指在一段時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過同一網(wǎng)絡(luò)的一系列具有相同屬性的順序發(fā)送的報(bào)文集合，流表（FlowTable）是芯片中的轉(zhuǎn)發(fā)表集合，每張流表由多條流表項(xiàng)（FlowEntry）組成，比如一張表有4K，就是說這張流表由4K條流表項(xiàng)。流表項(xiàng)（FlowEntry）是流表的最小單位，每條流表對應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊粭l流。根據(jù)OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)，每條流表項(xiàng)由六部分組成。

Match Fields包含二層、三層、四層的大部分標(biāo)識，隨著OpenFlow的發(fā)展更多的標(biāo)識被添加到其中，比如VLAN，MPLS，IPV6等也擴(kuò)展到OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)中。因OpenFlow交換機(jī)采用基于流的匹配和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，故在OpenFlow中沒有交換機(jī)和路由器的區(qū)分，統(tǒng)一稱為OpenFlow交換機(jī)。

OpenFlow Channel是指交換機(jī)與控制器之間的鏈接通道，其可以是TCP鏈接，也可以是加密的TLS鏈接。

OpenFlow南向接口，指Controller和交換機(jī)之間的標(biāo)準(zhǔn)消息接口，所有廠家的交換機(jī)，只要遵循OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)，就可以互通。

Controller與交換機(jī)的消息分為三類，分別是Controller-to-Switch消息，Asynchronous消息（Switch-To-Controller消息），Symmetric消息。

1.3 SDN控制器

SDN控制器處于SDN框架的中樞部位，是SDN的重要組件，目前各大廠商在SDN市場的爭奪，主要集中在Controller定義權(quán)及控制權(quán)的爭奪，SDN控制器是SDN的核心，在控制器上有發(fā)言權(quán)，在SDN市場就有話語權(quán)。

Onix

很多SDN Controller是基于Onix模型搭建的，包括Nicira的NVP中所用的Controller和Google的基于OpenFlow的B4 WAN網(wǎng)所用的Controller。Onix是Nicira，Google，NEC，Berkerly大學(xué)參與設(shè)計(jì)，由Nicira主導(dǎo)。Onix是一個(gè)分布式架構(gòu)的Controller模型，被用來控制大型網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性.Onix引入ControlLogic，Controller和物理設(shè)備三層架構(gòu)，每個(gè)Controller只控制部分物理服務(wù)器，并且只發(fā)送匯聚過后的信息到邏輯控制服務(wù)器，邏輯控制服務(wù)器了解全網(wǎng)的拓?fù)淝闆r，達(dá)到分布式控制的目的，從而使整個(gè)方案具有高度可擴(kuò)展性。Onix不開源，知名度不高，但其思想已經(jīng)被很多商業(yè)Controller借用。

FloodLight&Big Network Controller.

FloodLight是Big Switch公司的Big Network Controller的開源版本。Big Network Controller可以支持多達(dá)1000個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可用同時(shí)連接250000臺主機(jī)。FloodLight的內(nèi)核使用Java編寫以便支持跨平臺，提供北向REST API，北向API支持Java和Jython.FloodLight可以方便的集成到OpenStack中。

Ryu

Ryu是NTT實(shí)驗(yàn)室發(fā)起的開源Controller項(xiàng)目，其基于Python開發(fā)。Ryu不僅支持OpenFlow，還支持其他控制協(xié)議，如OF-Config，Netconf等。Ryu得到了OpenStack的支持，在OpenStack中可以直接通過Ryu Controller來配置OVS。 Ryu采用Apache License協(xié)議。

NOX/POX

NOX是Nicira公司開發(fā)的，NOX代表Network Operating System。2008年，Nicira把它貢獻(xiàn)給了開源社區(qū)，它是第一個(gè)OpenFlow Controller，基于C++開發(fā).C++語言高效，靈活，支持多線程，使NOX具有很高的性能。

POX是NOX的Python版本，除了用的編程語言不同，POX還比NOX多了不少別的功能，在功能上屬于NOX的增強(qiáng)版本，但在性能上較C++版本有一定的劣勢。

Trema

Trema是NEC開發(fā)的一個(gè)開源的Controller是用C和Ruby寫的。Trema的目的是打造一個(gè)”O(jiān)penFlowProgramming Framework”.即基于OpenFlow的可編程框架。

Trema提供不少應(yīng)用和服務(wù)，包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)low管理，路由交換，OpenStack插件。

Beacon

Beacon由斯坦福的Ericson等人開發(fā)，Beacon是一款基于Java開發(fā)的開源產(chǎn)品。Beacon具有較高的性能及較強(qiáng)的穩(wěn)定性，已在幾個(gè)項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證。Beacon基于Java開發(fā)，其可跨平臺，支持多線程，通過支持WebUI訪問。Beacon提供OSGi用戶界面，用戶可用通過界面按需添加和刪除組件，具有較高的靈活性。

1.4 SDN標(biāo)準(zhǔn)化

ONF（Open Networking Foundation）

目前在SDN中最具影響力的組織就是ONF，它也是最早開始SDN標(biāo)準(zhǔn)化和推廣工作的組織。ONF由Google，F(xiàn)acebook，MS等公司發(fā)起，成立于2011年。

ONF主要的工作成果包括OpenFlowl.l，1.2，1.3，1.4標(biāo)準(zhǔn)，和OF-Config協(xié)議1.0，1.1.ONF目前已得到設(shè)備廠商HP，Dell，Juniper，Cisco等的支持。ONF分為9個(gè)工作組，協(xié)同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義及市場推廣工作。

ODL（OpenDayLight）

在SDN推出的很長一段時(shí)間，ONF是SDN唯一的標(biāo)準(zhǔn)化組織。2013年4月，由18家著名的IT廠商（包括IBM，Citrix，Redhat，NEC，Intel等0發(fā)起OpenDayLight（簡稱ODL）組織正式成立，ODL的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)開源的SDN Controller。

ODL的要打造一個(gè)開源的基于SDN的框架，這個(gè)框架從上到下包括網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)、北向接口、控制器平臺、南向接口?？蚣艽罱ê煤?，開發(fā)人員可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，換言之，ODL的主要目標(biāo)是打造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的南向接口包括很多類型的協(xié)議，OpenFlow指是其中之一。

IETF（國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）

IETF成立了SDN BOF，專門從事SDN標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工作。IETF曾提出過兩個(gè)與SDN相關(guān)的成果，分別是ALTO（application layer traffic optimization）和ForCES（forwarding and control element separation）. ALTO提出了與SDN類似的思想，對控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行分離。

ITU（國際電信聯(lián)盟）

ITU成立了WP5（Future Network）組對SDN框架進(jìn)行研究，目前其下分立了Y.FNsdn-fm和Y.FNsdn兩個(gè)項(xiàng)目，對SDN的需求和框架進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2 SDN變革影響力

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場中，由設(shè)備商和芯片商控制一切。對設(shè)備商而言，高端交換機(jī)、路由器的軟件系統(tǒng)復(fù)雜性極高，大大提高了競爭門檻，幾家設(shè)備商掌控大部分市場。在SDN誕生后，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，并且轉(zhuǎn)發(fā)面可以提供開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)API接口。這帶來兩個(gè)直接影響，首先網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研發(fā)門檻降低，因其不在需要將復(fù)雜的軟件系統(tǒng)置人交換機(jī)中，中小網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商可以相對容易的研發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有利于白牌市場的發(fā)展，其次為軟件供應(yīng)商甚至個(gè)人開發(fā)者提供了參與應(yīng)用程序開發(fā)和Controller開發(fā)的機(jī)會，傳統(tǒng)的大設(shè)備商很難再控制一切，用戶有了更多的選擇。

大設(shè)備商如Cisco，Juniper為保住市場份額，也積極參與SDN的研發(fā)之中.Juniper收購Contrail System，推出開源的SDN控制器。目前最大規(guī)模的SDN由Google部署，其全球有多個(gè)數(shù)據(jù)中心由SDN聯(lián)通，使其聯(lián)絡(luò)使用率提升到近100%。

2.2 運(yùn)營商

運(yùn)營商作為SDN的用戶，積極參與到SDN技術(shù)的推進(jìn)進(jìn)程中。目前各大運(yùn)營商關(guān)注的下一代網(wǎng)絡(luò)模型叫“智能管道”，SDN有助有優(yōu)化目前運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)，但無法完全取代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型。

NTT DoCoMo是運(yùn)營商開發(fā)的第一個(gè)SDN模型，主要在多個(gè)數(shù)據(jù)中心提供統(tǒng)一服務(wù)和統(tǒng)一配置方面做了加強(qiáng)。NTT在日本、歐洲、北美的數(shù)據(jù)中心部署了DoCoMo。

3 SDN未來展望

SDN是”軟件定義一切”在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的體現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的所有參與者包括用戶、運(yùn)營商、設(shè)備商都希望在SDN的技術(shù)革命中尋求到新的突破點(diǎn)，從目前業(yè)界的反饋來看，SDN必將興起，但不會一統(tǒng)江湖，SDN在具體領(lǐng)域非常合適，特別是安全領(lǐng)域、無線控制、數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)。未來南向接口會開發(fā)化，但在短期內(nèi)難以標(biāo)準(zhǔn)化，其中主要牽扯到利益關(guān)系，南向接口若標(biāo)準(zhǔn)化了，大型設(shè)備商優(yōu)勢就會大打折扣；北向接口因用戶場景的多樣性，會呈現(xiàn)百花齊放的局面；大型設(shè)備商仍然具有優(yōu)勢，但影響力會弱化。SDN雖然處于起步階段，受到技術(shù)成熟度及標(biāo)準(zhǔn)等各種因素的影響，但SDN在未來幾年發(fā)展仍大具想象空間。endprint