SDN/NFV標準及開源項目發(fā)展現(xiàn)狀研究

宋 菲 侯樂青

引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network, SDN)強調(diào)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、集中控制、能力開放和靈活調(diào)用。SDN將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制和調(diào)度，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化；通過對業(yè)務(wù)進行邏輯抽象以及API接口開放，使得業(yè)務(wù)編排更加靈活，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的開放化。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)強調(diào)軟硬件解耦、網(wǎng)元動態(tài)創(chuàng)建和提供虛擬資源。NFV運用虛擬化技術(shù)將物理資源抽象，形成虛擬資源供上層應(yīng)用調(diào)用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化。SDN/NFV所倡導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)開放化、虛擬化、融合化的技術(shù)理念，以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的技術(shù)貢獻，推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進入新一輪創(chuàng)新浪潮。相對封閉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐步走向開放，推動了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)加速走向“軟件定義”，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新驅(qū)動力悄然發(fā)展變化，開源開放成為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的重要方式。

1 SDN/NFV標準化現(xiàn)狀

1.1 SDN標準化聚焦于光傳送網(wǎng)，重點關(guān)注數(shù)據(jù)模型及北向接口API

1)開放網(wǎng)絡(luò)基金會(Open Networking Foundation,ONF)是當前SDN標準的領(lǐng)導(dǎo)者。

ONF組織是2011年3月由德國電信、Facebook、谷歌、微軟、Verizon和雅虎聯(lián)合發(fā)起成立的一家非營利性組織，致力于通過對可編程的SDN網(wǎng)絡(luò)進行開發(fā)和標準化，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的改造和構(gòu)建。截止到2015年12月為止，已有150多家企事業(yè)單位成為其會員。2014年10月，ONF對組織架構(gòu)進行了梳理，將技術(shù)標準工作整理成四個技術(shù)領(lǐng)域，如圖1所示，技術(shù)領(lǐng)域負責(zé)協(xié)議和轉(zhuǎn)發(fā)模型的定義，業(yè)務(wù)領(lǐng)域負責(zé)架構(gòu)、北向接口和SDN業(yè)務(wù)的定義，運營商領(lǐng)域負責(zé)運營商SDN需求的輸入，市場領(lǐng)域負責(zé)認證、測試和營銷活動的組織等，在各領(lǐng)域設(shè)置相應(yīng)的工作組[1]。

圖1 ONF組織架構(gòu)圖

2015年，ONF先后發(fā)布OpenFlow協(xié)議1.5版本以及OF-Config 1.2版本，發(fā)布了OpenFlow 1.3.4協(xié)議一致性測試規(guī)范，同時組織兩次PlugFest互通性測試，推動多廠商互聯(lián)互通。

在光傳送網(wǎng)方面，ONF推進比較迅速，已發(fā)布OpenFlow光擴展、信息模型等標準，積極推動開源項目。開放傳送工作組(Optical Transport Working Group,OTWG)于2015年3月發(fā)布OpenFlow的光擴展協(xié)議，支持L0/L1層控制，同時完成了光傳送SDN架構(gòu)文檔，啟動微波傳送SDN標準化的工作。

信息模型工作組(IMP)于2015年3月發(fā)布SDN通用信息模型1.0版本，11月發(fā)布了1.1版本，同時聯(lián)合ITU-T、ETSI、IETF、MEF推動SDN通用信息模型應(yīng)用，制定面向?qū)嶋H應(yīng)用的模型和開源工具。傳送API團隊，負責(zé)傳送北向接口API功能規(guī)范、信息模型及用例的編寫，已啟動傳送API開源平臺項目ENGLEWOOD等，進一步推動北向接口標準化工作。

2) IETF(Internet Engineering Task Force)側(cè)重于對SDN技術(shù)進行引導(dǎo)，主張重用現(xiàn)有協(xié)議和架構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程能力。

作為互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最為重要的標準組織，IETF一直致力于研究互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進發(fā)展，研究通過新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)來改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的不足之處，使之能夠滿足來自業(yè)務(wù)、應(yīng)用和用戶的諸多新的要求。早在SDN概念提出之前，IETF就對很多與SDN相關(guān)的核心理念和技術(shù)進行了探索研究。

轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離工作組(ForCES)的目標是定義一種架構(gòu)和相關(guān)機制，用于在邏輯上分離的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間交互信息，實際上是定義了SDN中轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的一種可行的實現(xiàn)機制。應(yīng)用層流量優(yōu)化工作組(ALTO)的研究目標是制定一種提供應(yīng)用層流量優(yōu)化的機制，通過給應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)信息，讓應(yīng)用層作出選擇實現(xiàn)流量優(yōu)化，其研究體現(xiàn)了SDN向上層應(yīng)用開放接口的理念，從廣義上來講也是SDN的一種實現(xiàn)。此外IETF的netconf、cdni以及xmpp等工作組的研究內(nèi)容也涉及到與SDN相關(guān)技術(shù)理念和應(yīng)用實現(xiàn)[2]。

與ONF相比較，IETF的SDN相關(guān)工作主要是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商主導(dǎo)，聚焦于在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下通過分解功能模塊、開發(fā)I2RS協(xié)議并盡可能繼承現(xiàn)有的路由、信令和管理等協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的開放，而不是引入全新開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。目前，IETF正在開展基于PCE擴展以及路由協(xié)議數(shù)據(jù)模型(YANG)的標準化工作，側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)的平滑演進，保護現(xiàn)有投資。

3) ITU-T(International Telecommunication Union-Telecommunication Sector) 明確了自身研究的SDN場景對象、相關(guān)的架構(gòu)是針對運營商網(wǎng)絡(luò)。

ITU-T于2012年開始展開對SDN的跟蹤研究，相關(guān)工作主要由SG13的WP5組Q21負責(zé)開展，ITU-T將SDN納入了Y.3011(Framework of network virtualization for future networks)的范疇。2012年2月召開的SG13全會上，WP5 Q21成立了Y.FNsdn-fm和Y.FNsdn兩個項目，分別對應(yīng)SDN的需求和架構(gòu)研究，并初步提出SDN的實現(xiàn)架構(gòu)[3]。

2013年，ITU-T SG15被TSAG指定研究傳送SDN，具體工作由Q12、Q14聯(lián)合開展，關(guān)注傳送SDN架構(gòu)和信息模型的標準制定，計劃2016年左右基本完成。

在Q12組主要進行傳送網(wǎng)SDN架構(gòu)的研究，主要包括以下幾點。

1)G.asdtn (Architecture for SDN control of transport networks)，基于G.8080組件描述傳送SDN控制架構(gòu)；

2)G.cca進行傳送SDN通用架構(gòu)模塊描述，將SDTN與原有ASON的通用控制功能抽取出來，形成通用的控制組件規(guī)范；

3)同時維護傳送SDN LivingList；

4)研究基于SDN的集中式保護恢復(fù)等需求。

在Q14組主要進行應(yīng)用于SDN網(wǎng)絡(luò)的通用信息模型研究，主要包括以下幾點。

1)制定管理控制通用信息模型G.gim，覆蓋全部的信息模型和數(shù)據(jù)模型工作，2015年中已正式發(fā)布為G.7711，并持續(xù)完善；

2)研究與傳送技術(shù)相關(guān)的SDN信息模型，包括OTN層、以太網(wǎng)層、MPLS-TP層的技術(shù)信息模型。

1.2 NFV標準化聚焦移動網(wǎng)絡(luò)，重點關(guān)注NFV網(wǎng)元的網(wǎng)管和標準

1)3GPP重點研究了3GPP網(wǎng)絡(luò)中NFV網(wǎng)元的網(wǎng)管技術(shù)和標準，預(yù)計在2016年完成相關(guān)3GPP標準制定工作。

3GPP R14已經(jīng)全面啟動NFV的標準化工作。在SA1中，基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的Service Chaining已經(jīng)立項，項目將研究Gi-LAN場景業(yè)務(wù)鏈的場景和需求。在3GPP SA第69次全會上，批準了SA5技術(shù)報告(TR)32.842《虛擬網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理研究》。研究工作著眼于NFV-MANO(管理和編配)對3GPP管理系統(tǒng)的潛在影響，主要集中在基于ETSI NFV行業(yè)規(guī)范組定義架構(gòu)框架移動核心網(wǎng)的NFV管理功能和解決方案。目前，SA5授權(quán)啟動版本14中E2E管理解決方案相關(guān)工作，具體有以下內(nèi)容：管理概念包括虛擬網(wǎng)絡(luò)功能在內(nèi)的移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和要求(TS 28.500)、生命周期管理、配置管理、故障管理和性能管理等[4]。

2)ETSI NFV ISG (Network Functions Virtualization Industry Specification Group)中NFV架構(gòu)已基本穩(wěn)定，但標準化成熟還需時間。

歐洲電信標準化協(xié)會(European Telecommunications Standards Institute)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化工作組(NFV ISG)在2014年10月發(fā)布第三版白皮書，宣布已進入第二階段工作，重點考慮工作包括發(fā)展可互操作的NFV生態(tài)系統(tǒng)，進一步澄清第一階段定義參考點和需求，擴大行業(yè)的參與、澄清NFV與SDN以及相關(guān)標準組織、產(chǎn)業(yè)、開源社區(qū)的關(guān)系。

ETSI NFV架構(gòu)已穩(wěn)定，但功能流程分歧較大，標準化成熟可能還需要2～3年，分歧主要表現(xiàn)在MANO組GS(Group Specification)文檔中，其中核心關(guān)鍵內(nèi)容(如VNF生命周期管理流程、Network Service生命管理流程，Orchestrator流程、信息模型建模語言選擇)等都在附錄以Informative形式展現(xiàn)，不具備標準約束力[5]。

基于ETSI發(fā)布的用例和需求等文檔，各參與單位紛紛提交PoC測試案例。截至2015年年初，ETSI NFV PoC共組織測試31項，包括：虛擬化的移動核心網(wǎng)、虛擬化的IMS、虛擬化的無線接入網(wǎng)和NFV生態(tài)系統(tǒng)等[6]。

3)IETF中NFV相關(guān)標準組與ONF和ETSI形成互補，研究基于NFV的服務(wù)功能鏈與虛擬網(wǎng)元。

服務(wù)功能鏈工作組(Service Function Chain Working Group, SFC WG)，隸屬路由研究領(lǐng)域，重點關(guān)注如何借助網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)功能鏈。虛擬網(wǎng)絡(luò)功能池化討論組(VNF pool BoF)重點關(guān)注基于NFV的虛擬網(wǎng)元池化的相關(guān)協(xié)議的標準化。2015年4月，IETF發(fā)布業(yè)務(wù)鏈白皮書“Problem Statement for Service Function Chaining”，描述了當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署模型面臨的12種問題，并給出3個工作組的重點工作介紹，包括業(yè)務(wù)鏈Overlay、業(yè)務(wù)歸類和業(yè)務(wù)鏈封裝，將來可能會成為解決現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)技術(shù)。同時，該白皮書對業(yè)務(wù)鏈安全問題進行了簡要描述。

2 SDN/NFV相關(guān)開源項目現(xiàn)狀

2.1 ODL(OpenDayLight)開源控制器備受關(guān)注

OpenDaylight是由設(shè)備商主導(dǎo)的一個開源控制器，社區(qū)始建于2013年4月，由Brocade、Cisco、Dell等知名ICT企業(yè)聯(lián)合發(fā)起，演進過程如圖2所示。ODL開源項目開始以來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，目前最新的版本為Lithium，代碼約為200萬行，成功植入20種不同的商業(yè)產(chǎn)品和解決方案。到2015年，社區(qū)擁有白金級廠商8家，黃金級廠商1家，白銀級廠商40余家[7]。

圖2 OpenDayLight版本演進

到目前為止，OpenDayLight主要在云數(shù)據(jù)中心場景和運營商光網(wǎng)設(shè)備上進行了PoC測試和實例部署，同時，OpenDayLight還在廠商私有定制化方面發(fā)揮了基礎(chǔ)模型的功能。在應(yīng)用部署方面，ODL已經(jīng)得到業(yè)界廣泛的認可。2015年5月，AT&T宣布以O(shè)penDayLight為基本框架，通過擴展ODL 4-7層功能的方法，開發(fā)融合SDN和NFV特點的全新控制器，新控制器將實現(xiàn)0-7層的全新架構(gòu)。Cablelabs的Open Networking團隊以O(shè)DL為研究對象，開發(fā)了一套插件，該插件允許App以O(shè)pen fl ow-enabled交換機的處理方式，在CMTS上設(shè)置特定QoS的數(shù)據(jù)通道。

2.2 ONOS(Open Network Operating System)聚焦運營商網(wǎng)絡(luò)

ONOS由斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校SDN先驅(qū)創(chuàng)立的非營利性組織ON.Lab提出，演進過程如圖3所示。到2015年為止，社區(qū)在運營商、電信設(shè)備商的大力支持下，目前擁有正式成員12家，合作伙伴16家。一年內(nèi)ONOS連續(xù)發(fā)布的第五版軟件，對SDN/NFV功能進行了諸多完善，標志著ONOS平臺逐步走向成熟，實現(xiàn)2015年既定目標——平臺成熟、價值應(yīng)用發(fā)布、業(yè)務(wù)PoC部署和開源社區(qū)蓬勃發(fā)展。

圖3 ONOS版本演進

ONOS已發(fā)布的白皮書提到ONOS不僅僅是一個控制器，更具備一個操作系統(tǒng)所有的功能，可以滿足運營商敏捷和靈活的業(yè)務(wù)需求，并且有可能使其擺脫設(shè)備供應(yīng)商的束縛，因此很多運營商愿意接受ONOS[8]。

ONOS面向廣域網(wǎng)場景，發(fā)布了5個用戶案例，面向CO重構(gòu)的CORD，MPLS Segment Routing場景，SDN IP RAN場景，SDN-IP互通遷移場景以及IP+光場景。2015年，華為和ONOS聯(lián)合推出了展示IP+光和Transport SDN的應(yīng)用，這也是業(yè)界首個采用面向運營商網(wǎng)絡(luò)的SDN開源平臺的應(yīng)用。業(yè)務(wù)PoC部署層面，AT&T啟動CORD(the Central Office Re-architected as Data Center)計劃，聯(lián)合ON.Lab進行ONOS項目的概念驗證實驗。中國聯(lián)通成功部署全球首個基于ONOS開源架構(gòu)的SDN IPRAN商用局。

2.3 OPNFV(Open Platform for NFV)聚焦NFV集成、部署和測試，加速NFV的實現(xiàn)和互操作性

OPNFV是一個聚焦于發(fā)展NFV的開源平臺項目，它成立于2014年9月，該開源項目旨在提供運營級的綜合開源平臺以加速新產(chǎn)品和服務(wù)的引入，建立NFV生態(tài)鏈，構(gòu)建事實標準，加速多廠商互通和NFV部署。OPNFV是由Linux基金會支持的，聚集了供應(yīng)商、云計算和基礎(chǔ)設(shè)施廠商，定義新型平臺的開發(fā)者和用戶，整合現(xiàn)有開源構(gòu)件與新組件并測試、開發(fā)、部署NFV的開源項目。

OPNFV是一個合作項目，包括服務(wù)提供商如AT&T、中國移動、NTT、意大利電信、沃達豐，IT廠商包括Brocade、Cisco、Dell、HP、華為、IBM、Intel、Juniper、NEC、諾基亞、紅帽等。OPNFV并不只是旨在開發(fā)和建立標準，而是與各種標準組織如ETSI的NFV互聯(lián)網(wǎng)標準組織、IEEE、ONF等密切合作，以此實現(xiàn)標準的NFV參考平臺[9]。

OPNFV的首個版本是ARNO，2015年6月發(fā)布，下個版本將是Brahmaputra，預(yù)計2016年初發(fā)布。OPNFV項目類型有很多種，包括：需求項目、開發(fā)項目、集成和測試項目、文檔等。需求項目關(guān)注的是識別和解決與上游項目如OpenStack、OpenDayLight等的差距，協(xié)作開發(fā)項目旨在將源碼與現(xiàn)有開源/持續(xù)的開源項目相結(jié)合，集成測試項目包括系統(tǒng)集成、功能測試和性能測試等，而文檔類項目貫穿于各類項目中。

2.4 OpenStack開源社區(qū)積極融合SDN和NFV，加速IT對CT的整合部署

OpenStack作為最熱門的云計算開源項目，從誕生開始就十分重視網(wǎng)絡(luò)功能。在OpenStack中，計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲三個方面，計算和存儲已經(jīng)相對成熟穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)則最為復(fù)雜且難以自動化，但卻是最為重要的。OpenStack從第二個版本開始實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，即Bexar版本引入，最初作為Nova項目的一個功能Nova-Network，僅支持所有用戶共享一個底層網(wǎng)絡(luò)(即所謂的Flat網(wǎng)絡(luò))，后面自2012年9月發(fā)布的Folsom版本開始，將網(wǎng)絡(luò)功能剝離出來，作為一個新的Quantum項目。2013年10月發(fā)布的Havana版本中，項目改名為Neutron。最新的2014年10月發(fā)布的Juno版本中，更引入了分布式路由(DVR)機制，并停止對于Nova-Network的支持[10]。

目前，OpenStack已發(fā)布了第12個版本Liberty。在SDN方面，已知的與Neutron集成的SDN控制器包括ODL、ONOS和ryu等，同時Neutron能夠提供更好的管理安全和帶寬，更易向IPv6遷移。OpenStack中的Nova組件與NFV密切相關(guān)，在Nova新的可擴展CPU調(diào)度器中支持CPU親和性和SR-IOV透傳功能。OpenStack做為NFV架構(gòu)中的基礎(chǔ)架構(gòu)層(NFVI)，它包括虛擬網(wǎng)絡(luò)功能本身更高層的編排、運營和商務(wù)支持系統(tǒng)。同時，OpenStack是OPNFV和ETSI NFV的重要組件。幾乎所有電信公司和企業(yè)都在密切關(guān)注并部署來自ETSI規(guī)范或OPNFV發(fā)行版的NFV。

2.5 ONF創(chuàng)建開源社區(qū)提出“From PDF to Python”口號

2015年，ONF創(chuàng)建開源社區(qū)OpensourceSDN.org，發(fā)布了代碼倉庫，推出分布式開源項目Atrium。Atrium采用Quagga的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)和ONOS、OCP的框架作為初始組件?？梢栽谥С諳penFlow的控制器和交換機中運行，支持使用插件并且支持其他交換機，充分體現(xiàn)開放的理念。目前，Atrium已經(jīng)與另一個開源控制器ONOS兼容，未來還將與ODL進行兼容。

3 SDN/NFV標準發(fā)展趨勢展望

在IT領(lǐng)域，云計算實現(xiàn)計算、存儲資源的整合，形成成熟的事實標準和商用系統(tǒng)，并基于統(tǒng)一技術(shù)平臺加速了對網(wǎng)絡(luò)資源的整合。在CT領(lǐng)域中，SDN和NFV的標準化工作借鑒了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的開發(fā)模式，強調(diào)了代碼編寫的能力，通過開源項目和社區(qū)推動標準“From PDF to Python”?；赟DN和NFV技術(shù)而成的新一代網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及云平臺，開啟了網(wǎng)絡(luò)開放的浪潮，特別是NFV技術(shù)將推動網(wǎng)絡(luò)功能接口的標準化和功能重組。未來，標準化的工作重點聚焦在北向接口、安全信息模型和MANO接口的標準化，開源項目功能組件不斷完善，性能和可靠性將得到極大提升。

參考文獻

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[2]IETF: The Internet Engineering Task Force[EB/OL].[2016-01-08].http://www.ietf.org/

[3]ITU: International Telecommunications Union[EB/OL].[2016-01-08].http://www.itu.int/en/ITU-T/Pages/default.aspx

[4]3GPP: 3rd Generation Partnership Project[EB/OL].[2016-01-08].http://3gpp.org/

[5]Network Functions Virtualisation - White Paper #3[C]//“SDN & OpenFlow World Congress”, Dusseldorf-Germany.2014, 10

[6]ODL: opendaylight[EB/OL].[2016-01-08].http://www.opendaylight.org/

[7]ONOS: Open Network Operating System[EB/OL].[2016-01-08].https://wiki.onosproject.org/display/ONOS/ONOS+Wiki+Home

[8]OPNFV: Open Platform for NFV(OPNFV)[EB/OL].[2016-01-08].https://www.opnfv.org/

[9]OPENSTACK[EB/OL].[2016-01-08].http://www.openstack.org/

[10]房秉毅, 李素粉, 郭玉華, 等.NFV標準化現(xiàn)狀與PoC進展分析[J].電信技術(shù), 2015(09): 73-76