OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

馮譽

摘 要：文章以O(shè)penFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請作為分析對象，重點分析全球及中國范圍內(nèi)關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的申請信息、重要申請人、專利布局、分支情況、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r等信息。

關(guān)鍵詞：OpenFlow；技術(shù)分支；重要申請人；核心專利

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0013-03

Abstract： Taking the patent application of OpenFlow network technology as the analysis object， this paper focuses on analyzing the application information， important applicants， patent layout， branch situation and technological development of OpenFlow network technology in the world and in China.

Keywords： OpenFlow； Technical Branch； important applicant； Core Patent

1 概述

OpenFlow起源于斯坦福大學(xué)的Clean slate計劃，后成為了GENI計劃的子項目。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制平面與數(shù)據(jù)平面相分離，采用分布式處理、集中式控制管理的方式大大地優(yōu)化了對網(wǎng)絡(luò)流量控制的靈活性，解決了對底層傳輸設(shè)備的部署靈活性的瓶頸，能夠有效的促進未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和研究。本文以O(shè)penFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請作為分析對象，重點分析全球及中國范圍內(nèi)關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的申請信息、重要申請人、專利布局、分支情況等信息。

2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理及分支情況

2.1 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由控制器、OpenFlow交換機和虛擬化三部分組成?？刂破鞯闹饕饔檬歉鶕?jù)OpenFlow協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)，并向交換機下發(fā)數(shù)據(jù)流表，從而對網(wǎng)絡(luò)進行集中控制和管理。OpenFlow交換機的功能主要是對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)，其主要包括3個部分，分別為流表、安全信道和OpenFlow協(xié)議。虛擬化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，運行于交換機和控制器之間。他通過抽象層對物理網(wǎng)絡(luò)進行分離形成多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個邏輯網(wǎng)絡(luò)都能共享相同的物理設(shè)備。

控制器通過安全通道使用OpenFlow協(xié)議向OpenFlow交換機下發(fā)增加流表、修改流表、刪除流表等命令控制數(shù)據(jù)平面的OpenFlow交換機。OpenFlow交換機維護控制器下發(fā)的流表，當(dāng)OpenFlow交換機接收到數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬟f過來的數(shù)據(jù)包時，OpenFlow交換機通過查找流表中的流表項完成數(shù)據(jù)包的匹配與轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的技術(shù)分支

本文對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)專利申請進行分析，選擇的是CNABS中文檢索數(shù)據(jù)庫以及VEN檢索數(shù)據(jù)庫，通過檢索后得到本文所要研究的初步專利數(shù)據(jù)樣本，然后通過去噪、人工篩選、標(biāo)引得到最終所要分析的專利數(shù)據(jù)樣本，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)，對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所涉及的技術(shù)分支進行分解，主要分為以下四個技術(shù)分支：流表、網(wǎng)絡(luò)安全、流量控制以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，流表為OpenFlow的核心概念，流表由許多流表項（Flow Entries）組成，每個表項至少包括匹配域和指令集。OpenFlow交換機等將每個數(shù)據(jù)包按照優(yōu)先級依次匹配流表中的表項，匹配到的優(yōu)先級最高的表項即為匹配結(jié)果，并執(zhí)行相應(yīng)的動作；如果沒能找到匹配的表項，則轉(zhuǎn)發(fā)給控制器，由控制器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；或者由控制器下發(fā)權(quán)限給OpenFlow交換機，OpenFlow交換機根據(jù)Egress Table轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。流表由控制器生成，并通過安全通道使用OpenFlow協(xié)議向OpenFlow交換機下發(fā)增加流表、修改流表、刪除流表等命令控制OpenFlow交換機，實現(xiàn)流表的配置?？刂破鞲鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜妥顑?yōu)路徑規(guī)則，計算得到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的最優(yōu)路徑，進而生成相應(yīng)的流表項，并下發(fā)流表至指定交換機，通過流表的配置實現(xiàn)設(shè)置的路由策略?？梢姡鞅淼纳膳c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@取與維護以及路由策略的設(shè)置息息相關(guān)，而路由策略的實現(xiàn)則由流表的配置具體實現(xiàn)。另外，隨著OpenFlow協(xié)議的不斷更新，OpenFlow流表的存儲與查找面臨更大的挑戰(zhàn)，如流表項匹配字段數(shù)量的不斷增加、流表規(guī)模的爆炸性增長以及實現(xiàn)OpenFlow 硬件交換機的端口線速處理更加困難等問題。對流表結(jié)構(gòu)和查找方法的優(yōu)化以減少流表存儲空間和硬件資源開銷是流表管理中的另一研究熱點。

網(wǎng)絡(luò)安全主要分為三類：網(wǎng)絡(luò)入侵檢測、安全機制以及故障檢測與修復(fù)。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測是依照一定的安全策略，對網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)視，盡可能發(fā)現(xiàn)各種攻擊企圖、攻擊行為或者攻擊結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測通常通過分析網(wǎng)絡(luò)搜集的信息，把當(dāng)前行為與已知的攻擊行為進行比較來檢測網(wǎng)絡(luò)入侵者，從而具有更強的檢測能力。安全機制主要包括防火墻和入侵防御系統(tǒng)。防火墻根據(jù)定義的規(guī)則，對進入的流量進行審查，可以阻斷一些協(xié)議或端口的流量。入侵防御系統(tǒng)通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸行為，及時中斷、調(diào)整或隔離一些不正常或是具有傷害性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸行為。網(wǎng)絡(luò)故障可由多種因素造成，如光纖被挖斷、路由器崩潰等，據(jù)調(diào)查顯示，50%的故障可能由鏈路不明原因的短暫故障而造成。網(wǎng)絡(luò)故障的頻繁發(fā)生將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)故障的處理分為兩步，首先是對網(wǎng)絡(luò)故障的檢測以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，進而對網(wǎng)絡(luò)故障做出應(yīng)對。目前，網(wǎng)絡(luò)故障的檢測主要通過主動或被動測量網(wǎng)絡(luò)中的性能指標(biāo)，如帶寬、延遲和丟包等，通過指標(biāo)判斷網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)故障。應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)故障的方案主要分為故障保護和故障恢復(fù)兩種：故障保護依賴于提前計算的備份路徑和預(yù)分配的資源來對故障部件進行繞行；故障恢復(fù)依賴動態(tài)重路由來規(guī)避故障部件。

流量控制主要包括負(fù)載均衡和QOS管理。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡分為針對控制器的負(fù)載均衡和針對網(wǎng)絡(luò)鏈路的負(fù)載均衡。前者是利用網(wǎng)絡(luò)最新狀態(tài)和請求的平均響應(yīng)時間合理分配網(wǎng)絡(luò)請求，均衡控制器的負(fù)載。后者是通過動態(tài)算法，在多條鏈路中進行負(fù)載均衡，實現(xiàn)鏈路的動態(tài)選擇，使負(fù)載分布更加均勻，具有自適應(yīng)能力，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。QOS即服務(wù)質(zhì)量，指網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，用來保證網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等性能。對于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，主要包括傳輸?shù)膸挕魉偷臅r延和數(shù)據(jù)的丟包率等。目前，QOS管理主要包括限速、流量整形、隊列管理、流量調(diào)度以及擁塞控制。

由于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制相分離，在提高網(wǎng)絡(luò)流量控制的靈活性的同時解決了底層傳輸設(shè)備的部署瓶頸問題，使得其可廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)，如在校園網(wǎng)、廣域網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)以及SDN網(wǎng)絡(luò)等。

3 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利現(xiàn)狀分析

經(jīng)過檢索式檢索與簡單人工篩選，最終確定的涉及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球?qū)＠暾埞灿?119項，其來自23個國家或地區(qū)的總計255位申請人。

3.1 申請量年度分布

在全球范圍內(nèi)，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于近10年來比較新的技術(shù)，OpenFlow的概念于2008年提出，同年就申請了1件與之相關(guān)的申請。前期2008-2010年發(fā)展比較緩慢，申請量很少，每年的申請量只有個位數(shù)。專利申請的數(shù)量從2011年開始有較大幅度的上升，開始受到人們的重視，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進入發(fā)展階段。在2012-2014年間，關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球申請量進入迅速增長時期，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟。2015到2016年，全球申請量開始小幅回落，可能是OpenFlow技術(shù)發(fā)展較為成熟，相關(guān)申請有所減少。對于2016年申請量進一步下降，可能是2016年部分專利尚未公開，所以并未被統(tǒng)計完全。為了對整個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢有個正確的把握，筆者也只統(tǒng)計到了2016年，這是由于后期申請專利部分尚未公開，無法納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計中。

3.2 申請的地域分布

中國、日本、美國、瑞典和韓國是專利申請的主要國家和地區(qū)，上述幾個區(qū)域的申請量占到了全球申請總量的九點五成。其中，美國作為OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)源地，其專利申請量僅占全球申請總量的8.5%，而中國專利申請量占全球申請總量的72%，遠(yuǎn)高于并列第二名的美國和日本的申請量。美國專利總量占比較少的原因，可能是因為中國專利申請量巨大，稀釋了美國專利的占比，而國內(nèi)申請總數(shù)占比如此之高，一方面反映出國內(nèi)對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度關(guān)注，且非常重視其發(fā)展前景；另一方面也反應(yīng)了中國知識產(chǎn)權(quán)保護意識的提高。

3.3 主要申請人分布

通過對申請人的申請量進行分析，得到全球在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的前10位申請人的申請量排名情況，這在一定程度上代表了各公司在該領(lǐng)域的技術(shù)儲備和技術(shù)實力。前10位申請人中有8位申請人為中國。這與中國申請量占總數(shù)72%正好吻合。該數(shù)據(jù)足以說明中國公司對OpenFlow技術(shù)的研究較為廣泛，且國內(nèi)公司的知識產(chǎn)權(quán)保護意識有大幅提高。占據(jù)前五位的是華為、中興、日本電氣株式會社、華三以及愛立信，其中有三位申請人都是中國企業(yè)，足見中國在該領(lǐng)域中的雄厚實力，特別是華為，其申請量高達(dá)122件。美國總申請量占全球申請量8.5% ，與日本并列第二名，然而申請人前10位卻沒有美國的公司。造成這種現(xiàn)象的原因，其一可能是中國申請量太大；其二可能是美國申請人較為分散，如IBM有19件，惠普16件，谷歌14件，諾基亞10件等。從表中可看出，設(shè)備制造商占了7位：華為、中興、日本電氣株式會社、華三、愛立信、盛科網(wǎng)絡(luò)、斐訊，超過一半，可見設(shè)備制造商對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重視以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣使用的廣泛前景；其中，另外三個申請人為北京郵電大學(xué)、中國電信股份有限公司以及國家電網(wǎng)公司，北京郵電大學(xué)為國內(nèi)通信技術(shù)前沿的知名高校，其申請量較多說明國內(nèi)對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理論技術(shù)研究較為深入與廣泛；而中國電信股份有限公司以及國家電網(wǎng)公司是國內(nèi)重要的骨干企業(yè)，進一步佐證了中國對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用的高度重視。

4 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專利申請的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個主要發(fā)展階段： 第一階段（2008年-2010年）為起步期。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請可以追溯到2008年，早期的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢比較緩慢，還處于新技術(shù)的萌芽期，專利內(nèi)容局限于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和流表管理的研究。第二階段（2011年-2012年）為發(fā)展階段。在該階段，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究得到了不斷的發(fā)展，在這個階段OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究范圍擴展到網(wǎng)絡(luò)安全與流量控制， OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不再僅僅局限于網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)問題，而是出現(xiàn)更多的網(wǎng)絡(luò)管理、控制方法以提供更好的服務(wù)。第三階段（2014-至今）為全面發(fā)展階段，這個階段全球申請量的迅速增長，人們對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，隨著OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)越來越多的考慮的是如何將OpenFlow網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)（如傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)、SDN網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)等）的完美融合，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離的靈活性，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，以便平滑過渡至OpenFlow網(wǎng)絡(luò)。OpenFlow早期相關(guān)申請均為國外申請，說明國外對OpenFlow技術(shù)的研究較早，而國內(nèi)對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究始于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展階段，相對較晚。而在該技術(shù)的全面發(fā)展階段，國內(nèi)對該技術(shù)的研究較為廣泛和深入，涉及到該領(lǐng)域的各個方面，為該技術(shù)的研究與發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)梳理了OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分類和各技術(shù)分支的發(fā)展情況，并對OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的核心專利和重要申請人進行分析，有助于審查員全面了解OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本發(fā)展態(tài)勢，對涉及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的審查工作有較大幫助。

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