時代的軟件定義網(wǎng)絡(luò)

姜疆

IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)的部署計劃中的主要焦點，必將對中國未來互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的進步與應(yīng)用水平的提高產(chǎn)生巨大影響，使我國互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與應(yīng)用邁上新臺階。新一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開新技術(shù)和新應(yīng)用的推動，IPv6與SDN這兩個技術(shù)都是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的支柱，缺一不可，開放的SDN技術(shù)將助力IPv4向IPv6過渡。同時，SDN與IPv6不只是支持與被支持的關(guān)系，IPv6對SDN亦有積極的推動作用。

事件

推進IPv6商用已呈大勢所趨

我國在“十三五”規(guī)劃中已經(jīng)明確指出要“超前布局下一代互聯(lián)網(wǎng)，全面向互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版演進升級”，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（Internet Protocol Version 6，IPv6）的發(fā)展部署即將加快進程。IPv6是IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組，Internet Engineering Task Force）設(shè)計的用于替代現(xiàn)行版本IP協(xié)議（IPv4）的下一代IP協(xié)議，號稱可以為全世界的每一粒沙子編上一個網(wǎng)址。

2017年11月26日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計劃》，其中明確“用五到十年建成全球最大規(guī)模的IPv6商用網(wǎng)絡(luò)”。在全球IPv4地址分配枯竭背景下，發(fā)展IPv6網(wǎng)絡(luò)，推進IPv6商用已呈大勢所趨。

盡管IPv6在中國起步比較早，但在實際發(fā)展中，卻并不理想。IPv6在中國的主要使用者基本是高校和研究機構(gòu)，企業(yè)界對IPv6缺乏積極性。截至2017年11月，全球IPv6用戶普及率排名前10位的國家依次是比利時、印度、德國、美國、希臘、瑞士、盧森堡、英國、葡萄牙和日本，中國排名全球第67位。

據(jù)預(yù)測，未來兩到三年內(nèi)全球發(fā)達國家的IPv6用戶數(shù)將會超過IPv4用戶。長久以來，IPv6似乎一直都是一個備用選項，但是現(xiàn)如今，進行到IPv6的過渡不再是可選的，而是必須的。

一方面，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以創(chuàng)新為主要驅(qū)動力，代表技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，將成為未來國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有強大的引領(lǐng)和帶動作用。另一方面，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)具有強大的關(guān)聯(lián)輻射性和溢出效應(yīng)，隨著互聯(lián)網(wǎng)與國民經(jīng)濟主要產(chǎn)業(yè)的進一步融合，“互聯(lián)網(wǎng)+”對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級的力度將不斷加大，有效推動相關(guān)和配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在運營商網(wǎng)絡(luò)中，IP地址永遠是最稀缺、最寶貴的資源，如何管理利用好IP地址資源，是一個永遠的問題。由于IPv4最大的問題在于網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，嚴(yán)重制約了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。在我國，平均每人擁有的IPv4地址數(shù)還不到半個，地址短缺的壓力非常大。而IPv6擁有廣闊的地址空間，可以完全滿足未來發(fā)展的需要。

IPv6地址越大，它帶來的可能性就會越多。與IPv4報頭（32位二進制數(shù)）相比，IPv6報頭是128個二進制數(shù)，這意味著我們可以把信息放在IPv6數(shù)據(jù)包中，這種方式是IPv4以前從未有過的。簡單地說，IPv6地址可以“更聰明”，以便它們在確定其通過網(wǎng)絡(luò)的路徑方面發(fā)揮更積極的作用。

背景

IPv4向IPv6過渡不能一蹴而就

雖然我國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在一定時期內(nèi)，在一定程度上落入了私有地址陷阱，但經(jīng)過近十多年的努力，我國在IPv6建設(shè)和部署方面還是取得了顯著的成績，這體現(xiàn)在：我國的教育網(wǎng)有超過600萬IPv6用戶，是全球最大的純IPv6網(wǎng)絡(luò)；三大運營商已經(jīng)建成了大規(guī)模的IPv6商用網(wǎng)絡(luò)，等等。

IPv6的使用，不僅能解決網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量的問題，而且也解決了多種接入設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)的障礙?！癐Pv6地址資源的充足，能夠滿足大量終端的接入需求，同時也使得端到端通訊變得更加簡單，避免出現(xiàn)NAT應(yīng)用所帶來的問題。” 在有關(guān)專家看來，IPv6的規(guī)模部署有著很強的現(xiàn)實意義，不僅消除了NAT帶來的額外的設(shè)備和運營成本，同時亦減少了時延，提高了用戶體驗。

相比IPv4，IPv6不僅具有更大的地址空間，還擁有更快的路由機制、更好的業(yè)務(wù)性能以及更高的安全性等一系列優(yōu)點。不僅只是眼前的利益，規(guī)模部署IPv6還可以在政企客戶、云服務(wù)、VoLTE、物聯(lián)網(wǎng)等新興市場中給運營商帶來實實在在的收益。

然而，IPv4向IPv6過渡并不是一蹴而就的。由于IPv4與IPv6并不兼容，必須引入IPv6過渡技術(shù)才能實現(xiàn)IPv4到IPv6的轉(zhuǎn)換。一方面實現(xiàn)過渡期間IPv4地址的復(fù)用，從而節(jié)省IPv4公網(wǎng)地址消耗；另一方面實現(xiàn)IPv4與IPv6的轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)的跨越。

雖然過渡技術(shù)有很多種，包括隧道類、翻譯類等，并且適用于不同的應(yīng)用場景，但究其實質(zhì)均為流表的處理問題，實現(xiàn)將IPv6地址、端口信息與IPv4地址及端EL信息的映射，并按照隧道或翻譯方式予以實現(xiàn)。該實現(xiàn)思路與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的流表處理不謀而合。SDN采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思路，控制器具有全局視角，統(tǒng)一實現(xiàn)策略的制定、流表的下發(fā)等操作，而轉(zhuǎn)發(fā)器接收來自控制器的請求，執(zhí)行相關(guān)流表的操作。

原本IPv6和SDN無本質(zhì)聯(lián)系，可認(rèn)為是完全不同的技術(shù)，這樣卻機緣巧合“湊”在一起？下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開新技術(shù)和新應(yīng)用的推動，IPv6與SDN這兩個技術(shù)都是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的支柱，缺一不可，而開放的SDN技術(shù)將助力IPv6過渡。

“我們正在研究下一代互聯(lián)網(wǎng)特別是IPv6與SDN技術(shù)的結(jié)合，可能用SDN技術(shù)助力IPv6過渡?！敝袊娦疟本┭芯吭焊痹洪L趙慧玲表示，SDN雖然還處于探索階段，但其所強調(diào)的軟件技術(shù)可給運營商多網(wǎng)融合帶來較大便利性，IPv6擁抱SDN或以開放網(wǎng)絡(luò)促規(guī)模商用。

在此背景下，SDN正吸引眾多相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注。不僅國內(nèi)運營商紛紛加強了SDN的研究，而且，包括華為、銳捷網(wǎng)絡(luò)等知名設(shè)備企業(yè)都推出了初步的基于IPv6的SDN技術(shù)和研究，特別是，清華大學(xué)在用SDN助力IPv6過渡研究上做了較多實踐，如基于SDN的域內(nèi)IPv6源地址驗證和基于SDN的IPv6過渡技術(shù)研究。

在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，主機的即插即用特性依賴于IPv6協(xié)議的自動初始化功能，即主機自動配置，包括有狀態(tài)和無狀態(tài)兩種方式。主機獲取地址與參數(shù)自動配置過程以鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議（NDP）為基礎(chǔ)進行實現(xiàn)。其過程主要涉及了鏈路本地地址生成、重復(fù)地址檢測（DAD）、路由器發(fā)現(xiàn)以及DHCPv6 有狀態(tài)地址分配。

有關(guān)研究提出，IPv6協(xié)議的自動初始化過程提高了組網(wǎng)的效率和靈活性，與SDN網(wǎng)絡(luò)控制器的全局管控能力相結(jié)合能夠得到進一步的優(yōu)化。首先，在傳統(tǒng)IPv6網(wǎng)絡(luò)中需要對參與自動初始化的組件分別進行配置，如網(wǎng)絡(luò)中存在的每一臺路由器及DHCPv6服務(wù)器，而在SDN網(wǎng)絡(luò)中只需對控制器及少量DHCPv6服務(wù)器進行配置，就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置。

其次，傳統(tǒng)IPv6網(wǎng)絡(luò)的自動配置依賴于主機和路由器的物理鏈路連接特性，難以做到對主機的個性化參數(shù)配置，SDN網(wǎng)絡(luò)控制器可以利用所掌握的全局網(wǎng)絡(luò)視圖，實現(xiàn)對每臺主機實現(xiàn)個性化的參數(shù)配置。

再次，在傳統(tǒng)IPv6網(wǎng)絡(luò)中，為避免自動配置出現(xiàn)重復(fù)地址，需要主機進行重復(fù)地址檢測，在地址配置過程中，主機將要發(fā)起多次重復(fù)地址檢測過程，而這些檢測消息將會發(fā)送到整個鏈路本地內(nèi)的所有節(jié)點。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變化較頻繁時，重復(fù)地址檢測過程將會造成很大的信道開銷。而在SDN網(wǎng)絡(luò)利用全局網(wǎng)絡(luò)視圖進行地址自動配置，將不會出現(xiàn)重復(fù)地址配置問題。

焦點

用SDN來支撐IPv6發(fā)展

傳統(tǒng)IT架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求部署上線以后，如果業(yè)務(wù)需求發(fā)生變動，重新修改相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機、防火墻）上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)瞬息萬變的業(yè)務(wù)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定與高性能還不足以滿足業(yè)務(wù)需求，靈活性和敏捷性反而更為關(guān)鍵。

SDN所做的事是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的控制權(quán)分離出來，由集中的控制器管理，無須依賴底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機、防火墻），屏蔽了來自底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異。而控制權(quán)是完全開放的，用戶可以自定義任何想實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)則策略，從而更加靈活和智能。

SND與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）有一定的聯(lián)系與區(qū)別，NFV可以采用SND進行實現(xiàn)（如采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的方法來搭建服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)），但是NFV也可以采用普通數(shù)據(jù)中心技術(shù)來實現(xiàn)（SND與NFV的部分聯(lián)系與區(qū)別參見表格）。

進行SDN改造后，無需對網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的路由器反復(fù)進行配置，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備本身就是自動化連通的。只需要在使用時定義好簡單的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則即可。如果你不喜歡路由器自身內(nèi)置的協(xié)議，可以通過編程的方式對其進行修改，以實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)交換性能。

假如網(wǎng)絡(luò)中有SIP、FTP、流媒體幾種業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的總帶寬是一定的，那么如果某個時刻流媒體業(yè)務(wù)需要更多的帶寬和流量，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很難處理，在SDN改造后的網(wǎng)絡(luò)中這很容易實現(xiàn)，SDN可以將流量整形、規(guī)整，臨時讓流媒體的“管道”更粗一些，讓流媒體的帶寬更大些，甚至關(guān)閉SIP和FTP的“管道”，待流媒體需求減少時再恢復(fù)原先的帶寬占比。

正是因為這種業(yè)務(wù)邏輯的開放性，使得網(wǎng)絡(luò)作為“管道”的發(fā)展空間變?yōu)闊o限可能。如果未來云計算的業(yè)務(wù)應(yīng)用模型可以簡化為“云—管—端”，那么SDN就是“管”這一環(huán)的重要技術(shù)支撐。

“SDN技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將使得網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面徹底分離，并實現(xiàn)控制平面集中化和數(shù)據(jù)平面虛擬化?！敝袊?lián)通研究院副總工程師唐雄燕指出，當(dāng)前超寬帶、云服務(wù)和移動互聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)類型令網(wǎng)絡(luò)的演進（包括向IPv6演進）面臨新的需求，如多網(wǎng)資源協(xié)同、移動性支持和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等，SDN技術(shù)恰能解決這些問題。

業(yè)界專家還認(rèn)為，SDN可以通過分層架構(gòu)、開放接口和集中控制，帶給運營商基于IPv6的下一代網(wǎng)絡(luò)實實在在的好處，比如集中控制器通過對路由集中控制，可以形成全局網(wǎng)絡(luò)圖，簡化運營商的運維管理，提高快速業(yè)務(wù)部署能力。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，凝聚了無數(shù)人的智慧和心血，但是由于天生的缺陷，導(dǎo)致在很多場景上心有余而力不足，并且越來越復(fù)雜。SDN雖然誕生沒多久，但是已經(jīng)表現(xiàn)出非常強的生命力。

盡管業(yè)界一致看好SDN在IPv6建設(shè)中的作用，但目前SDN技術(shù)本身還在發(fā)展中，并且形成了多個聯(lián)盟以不同的路線推進。H3C技術(shù)營銷部副部長翟傳璞表示，目前ONF（開放網(wǎng)絡(luò)論壇）制定的Open Flow1.3.1標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)加入了SDN對IPv6的支持，而H3C會根據(jù)不同用戶的需要靈活地提供SDN解決方案。

在SDN網(wǎng)絡(luò)中的匹配和動作行為比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要豐富得多，不僅僅是匹配前綴，轉(zhuǎn)發(fā)下一跳那么簡單了。但是SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用戶界面信息表現(xiàn)不直觀，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還有很大的提升空間。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在安全、可靠性、可維護性和性能上還有很大的優(yōu)勢，但是隨著SDN相關(guān)設(shè)備的發(fā)展，這種優(yōu)勢必然會越來越弱，而SDN依靠自己的優(yōu)勢，一定會不斷占領(lǐng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)地。而在SDN內(nèi)部，overlay網(wǎng)絡(luò)相比underlay網(wǎng)絡(luò)，簡化不足、復(fù)雜有余，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加虛擬化，比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜。overlay之于underlay，就好比ipv4之于ipv6，要從根本上解決問題，underlay必然是最終的選擇。

啟示

IPv6對SDN亦有反作用力

SDN與IPv6是支持與被支持的關(guān)系，SDN可推動IPv6“起飛”，然而，IPv6對SDN亦有反推動力。

SDN的核心功能只有使用IPv6段路由和服務(wù)鏈等工具，才能真正發(fā)揮軟件優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的真正優(yōu)勢。當(dāng)然，可以在IPv4 MPLS環(huán)境中受益于SDN，但是得到的仍然是復(fù)雜的、潛在低效的功能，而且限制了在家庭、數(shù)據(jù)中心等交叉網(wǎng)絡(luò)連接到單個MPLS網(wǎng)絡(luò)的能力。在簡化的IPv6供電內(nèi)核上疊加強大的SDN編排時，會發(fā)現(xiàn)SDN可以提供的效率、性能和可靠性都會得到真正的提升。

全球IPv6論壇主席Latif Ladid強調(diào)，IPv6在近年內(nèi)取得巨大增長，全球部署正在全面展開，5G與IoT，甚至SDN/NFV以及云等新技術(shù)的發(fā)展都是IPv6部署和應(yīng)用的強大驅(qū)動力。Latif同時指出，近十年中，隨著多種顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了巨大的變革，IPv6已經(jīng)成為5G、IoT、SDN/NFV、云計算以及邊緣計算等新興技術(shù)的基礎(chǔ)。

SDN網(wǎng)絡(luò)中主機入網(wǎng)方式和效率是一個不可忽視的問題。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)緊密耦合的關(guān)系，SDN具有數(shù)據(jù)平面與控制平面分離的設(shè)計思路。隨著IPv6協(xié)議的推廣應(yīng)用，將IPv6的即插即用特性和SDN的管控分離相結(jié)合，實現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)的快速組網(wǎng)很有意義。

Broadband網(wǎng)絡(luò)實驗室的Tseng等人提出了一種SDNv6的網(wǎng)絡(luò)。在這個架構(gòu)中，他們加入了用來提供網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)備（Network Provisioning Device），以實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)中的自動初始化過程。SDNv6網(wǎng)絡(luò)中的Network Provisioning Device等同于傳統(tǒng)路由器，不過，這僅為鏈路本地內(nèi)的接入設(shè)備提供IP地址及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并沒有體現(xiàn)出SDN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性和細粒度管理的特點。

為了實現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下入網(wǎng)主機自動獲取初始化配置，并對該過程進行細粒度的管控，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部的一項研究提出了將IPv6協(xié)議自動初始化機制與SDN網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的設(shè)計方法，這當(dāng)中還包含了利用SDN網(wǎng)絡(luò)集中管控的特點，對IPv6自動初始化機制進行優(yōu)化的思想。

北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部的學(xué)者所提出的基于SDN網(wǎng)絡(luò)的IPv6自動初始化整體設(shè)計，對每一臺入網(wǎng)主機的地址與參數(shù)分配方式進行集中和個性化的管理。在SDN控制器中，加入地址分配管理與IPv6自動初始化兩個功能，分別對有狀態(tài)與無狀態(tài)地址分配過程進行實現(xiàn)及管理。在轉(zhuǎn)發(fā)平面，加入DHCPv6服務(wù)器，與控制器協(xié)同工作完成有狀態(tài)地址及參數(shù)分配。

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，由于控制層對于主機是透明的，主機為了獲取IP地址與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，仍向上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送RS等報文。這些報文會由于在SDN交換機中無匹配項而被封裝至packet-in消息中轉(zhuǎn)發(fā)至控制器。故為了能夠在控制器中對RS等報文進行應(yīng)答，從而完成主機入網(wǎng)初始化過程，可以提出在控制器中添加地址與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)應(yīng)答機制。

對于由主機發(fā)起的重復(fù)地址檢測，以及由于人為手動配置地址時發(fā)生的錯誤而導(dǎo)致的地址重復(fù)，控制器仍需遵循IPv6重復(fù)地址檢測機制對主機進行報文應(yīng)答，由此北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部的研究人員提出在非地址分配過程中，控制器將接收來自于主機的重復(fù)地址檢測報文，并將該檢測地址與全局視圖進行比對，由此判斷其是否全局唯一，并作出相應(yīng)回復(fù)，無需將該報文在本地鏈路內(nèi)多播至所有節(jié)點，這也將在很大程度上降低信道開銷。