淺談SDN網(wǎng)絡發(fā)展與運營商的應用

姜金亞+王思義

【摘要】 SDN是一個新興的技術(shù)，受到學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。首先介紹了SDN的起源、發(fā)展及主要技術(shù)派別；然后論述了SDN的網(wǎng)絡架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展情況；最后分析了SDN在國內(nèi)運營商相關(guān)應用以及面臨的挑戰(zhàn)與未來的可能。

【關(guān)鍵詞】 SDN 網(wǎng)絡架構(gòu) 產(chǎn)業(yè)鏈 運營商

隨著移動通信、云計算、大數(shù)據(jù)等一系列新興互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的興起，對傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)提出了更高的要求?，F(xiàn)有的TCP/ IP分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能有效地支持云計算、大數(shù)據(jù)等為代表的新型應用。當前，針對現(xiàn)有網(wǎng)絡的瓶頸限制，業(yè)界已經(jīng)產(chǎn)生了兩種不同網(wǎng)絡架構(gòu)觀點：一種是對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行改良，另一種是推翻現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)，重新定義一種新的網(wǎng)絡架構(gòu)體系。目前研究者更加關(guān)注后一種觀點，并且第二種觀點也出現(xiàn)兩種網(wǎng)絡架構(gòu)體系：一種是內(nèi)容中心網(wǎng)絡的概念，將重點由存儲位置轉(zhuǎn)移到信息本身，將內(nèi)容與位置解耦；另一種是SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡）的概念，提出了轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面分離的的思想，并提供可編程的網(wǎng)絡平臺，為未來網(wǎng)絡發(fā)展提供了新的方向[1]。本文將介紹SDN網(wǎng)絡的概念、關(guān)鍵技術(shù)、國內(nèi)運營商相關(guān)應用等。

一、SDN的起源和發(fā)展

2006年，美國斯坦福大學Nick McKeowm教授團隊提出了Openflow概念用于校園網(wǎng)的試驗創(chuàng)新， SDN的概念由此誕生[2]。2007年，斯坦福大學學生Martin Casado主持了一個關(guān)于網(wǎng)絡安全與管理的項目Ethane，通過集中控制器讓網(wǎng)絡管理者能夠便捷的定義基于網(wǎng)絡流的安全控制策略，從而控制整個網(wǎng)絡通信安全。在此基礎上，2008年McKeown等人將傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，采用標準接口對網(wǎng)絡設備進行集中管理和控制，為網(wǎng)絡資源的設計、管理和使用提供了更多的可能性，從而更容易推動網(wǎng)絡發(fā)展。同年Nick Mckeown 教授等人在ACM SIGCOMM上發(fā)表了題為《OpenFlow：Enabling innovation in campus network》的論文，首次提出了openflow的概念，并闡述其工作原理及其應用場景。2011年，Nick等人的推動下成立了開放式基金會（Open Networking Foundation，ONF）專門負責Openflow的發(fā)展與維護。同期，隨著互聯(lián)網(wǎng)公司的介入，特別是谷歌的實踐應用，Openflow成為SDN和下一代網(wǎng)絡的代名詞。2012年，代表廠商設備的工業(yè)標準組織IETF分別設立與了SDN相關(guān)的網(wǎng)絡虛擬化疊加（network virtualization overlay，NVO）、路由系統(tǒng)接口（interface to the routing system，I2RS）工作組。同年，13家全球一線電信運營商在ETSI的指導下，成立了“網(wǎng)絡功能虛擬化”的行業(yè)規(guī)范組（“Network Function Virtualization”Industry Specifications Group，NFV ISG）。NFV沒有使用SDN字眼，但通常被認為是運營商的SDN。2014年，在中國北京舉辦的全球SDN技術(shù)大會上中國工信部電信研究院、華三等七家企業(yè)同時加入ONF，至此加入ONF的中國企業(yè)已達19家，成為ONF最重要的國家。SDN的風靡，已經(jīng)撬動了IT界生態(tài)系統(tǒng)，SDN生態(tài)圈不再僅有學術(shù)派和網(wǎng)絡技術(shù)廠家的參與，英特爾等IT巨頭也紛至沓來，更有成為SDN標準背后推手的可能。

二、SDN主要技術(shù)流派

SDN并不是一個具體的技術(shù)，也不是一個具體的協(xié)議，而是一種設計理念和思想，讓軟件應用參與到網(wǎng)絡控制中并起到主導作用，而不是讓各種固定模式的協(xié)議來控制網(wǎng)絡。狹義的SDN特指OpenFlow南向接口的網(wǎng)絡，廣義SDN泛指向上層應用開放資源接口，可實現(xiàn)軟件編程控制的各類基礎網(wǎng)絡架構(gòu)[3]。SDN是一個新鮮事物，不同流派有不同代表，它們之間也有較大差異。

革命派的新銳標準組織代表者ONF強調(diào)控制與轉(zhuǎn)發(fā)解耦，轉(zhuǎn)發(fā)設備通用化，全局統(tǒng)籌優(yōu)化，屏蔽底層差異；而演進派的代表組織IETF更關(guān)注設備的可編程性，即開放北向API接口，為用戶創(chuàng)新提供有力保證，強調(diào)設備的控制功能與開放API，沿用了傳統(tǒng)設備中的路由、轉(zhuǎn)發(fā)等結(jié)果與功能，并在此基礎上進行豐富與擴展；實用派基礎運營商的代表組織NFV卻更加注重降低成本，提高管理、維護、網(wǎng)絡及業(yè)務部署效率，主要任務是定義網(wǎng)絡功能虛擬化需求與架構(gòu)，并沒有相應的協(xié)議支持。

三、SDN網(wǎng)絡架構(gòu)

由ONF提出的SDN網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)有分為三個部部分，由下到上依次為：基礎層、控制層、應用層[4]。除上述三層外，還有連接控制層與應用層的北向接口，連接基礎層和控制層之間的南向接口，并且還定義了統(tǒng)一的南向接口標準OpenFlow協(xié)議。基礎層主要是由支持OpenFlow協(xié)議的SDN交換機組成，負責基于業(yè)務的流表的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、處理等；控制層主要是由控制器和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)組成，負責處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面資源的抽象信息，可支持網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息的匯總和維護，并基于應用的控制來調(diào)用不同的轉(zhuǎn)發(fā)面資源；應用層由各種應用軟件構(gòu)成，負責管理和控制網(wǎng)絡對應應用轉(zhuǎn)發(fā)和處理的策略，也支持對應網(wǎng)絡屬性的配置實現(xiàn)提升網(wǎng)絡利用率、保障特定應用的安全和服務質(zhì)量。綜上所述OpenFlow協(xié)議、網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)是SDN區(qū)別傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

四、SDN產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

SDN作為個新型產(chǎn)業(yè)，也是下一代互聯(lián)網(wǎng)的攪局者，因而獲得大批初創(chuàng)型公司、IT互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和傳統(tǒng)設備廠商等相關(guān)利益方的廣泛關(guān)注。目前，SDN產(chǎn)業(yè)鏈初步可以分為六大陣營：傳統(tǒng)設備商、新興網(wǎng)絡服務商、傳統(tǒng)網(wǎng)絡服務商、標準組織、新興設備商和芯片廠商[5]。

中興、華為和思科等傳統(tǒng)設備商在SDN架構(gòu)控制平面研究技術(shù)不具備先發(fā)優(yōu)勢，采取的戰(zhàn)略方式是一方面通過提供SDN的解決方面，另一方面積極探索基于現(xiàn)有架構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡集中控制和開放應用API接口的個性化的技術(shù)，以免競爭優(yōu)勢流失。以Google、Amazon、騰訊等為代表的新興網(wǎng)絡服務商重點關(guān)注網(wǎng)絡服務、控制創(chuàng)新。如果SDN控制器的北向接口全部開放，網(wǎng)絡服務公司就能獲取網(wǎng)絡的主導權(quán)，使其 能夠?qū)ψ陨砭W(wǎng)絡運維與傳輸網(wǎng)絡的整合，有助于降低其運行成本、提供服務質(zhì)量、加快新業(yè)務部署。AT&T、中國移動、中國聯(lián)通等傳統(tǒng)網(wǎng)絡提供商相對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，對SDN的態(tài)度比較保守，因為 SDN本身不太成熟，目前以實驗探索為主，具體的部署工作較少。ONF、IETF等標準組織更加關(guān)注南北向接口標準化、架構(gòu)、需求等方面的定義，側(cè)重于SDN架構(gòu)與云平臺化的管理融合。Intel、HP等新興設備商看到進軍網(wǎng)絡設備和開拓新業(yè)務的可能，因此通過提供SDN的解決方案，重點關(guān)注云化網(wǎng)絡的需求來擠占傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備商的市場份額。而博通、Intel等芯片廠商積極推出實現(xiàn)SDN網(wǎng)絡處理的芯片解決方案，尋求分享SDN一份美羹。

五、SDN在國內(nèi)運營商中的應用

SDN對運營商是一次重大挑戰(zhàn)，可能使運營商加速管道化，但又是一次網(wǎng)絡變革的機遇?；谄涞统杀尽⒏咝?、靈活的業(yè)務提供能力等優(yōu)勢與特點，國內(nèi)運營商正在加快SDN的研究實驗與業(yè)務部署，三家運營商對其所采取的策略也各有區(qū)別。中國移動用NFV的靈活擴展能力，提供多種多樣的物聯(lián)網(wǎng)服務；利用NFV架構(gòu)優(yōu)勢，高起點發(fā)展固定接入網(wǎng)；利用NFV快速部署與升級的特點發(fā)展VoLTE新網(wǎng)絡。中國聯(lián)通對于SDN/NFV有自己的步伐與規(guī)劃—在小范圍的商用部署基礎上，逐步實現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)向基于SND/NFV的網(wǎng)絡發(fā)展。在新業(yè)務和物聯(lián)網(wǎng)方面優(yōu)先考慮SDN/NFV方案，傳統(tǒng)專線SDN化，網(wǎng)絡軟件化，提升業(yè)務集成能力，提供ICT融合產(chǎn)品，目前完成了基于沃云的網(wǎng)絡功能虛擬化需求的驗證，正探索符合聯(lián)通現(xiàn)狀的NFV演進路線。中國電信則采取從邊緣到核心的的SDN/NFV的策略，首先對數(shù)據(jù)中心進行規(guī)模推廣，然后將終端和網(wǎng)絡引入SDN/NFV，最后進行全網(wǎng)業(yè)務優(yōu)化。

六、SDN面臨的挑戰(zhàn)與未來展望

盡管SDN有很多優(yōu)勢，也是為未來網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，但目前離真正大規(guī)模的應用還有諸多問題必須解決。

1、網(wǎng)絡安全方面。SDN的開放性是實現(xiàn)統(tǒng)一配置、管理、提供可編程特性的重要原因。因而，開放性使得SDN的控制器的安全漏洞、策略的不完善性充分暴露在攻擊者面前，一旦網(wǎng)絡攻擊成功，必將造成大面積網(wǎng)絡癱瘓[6]。

2、網(wǎng)絡部署方面。運營商考慮到現(xiàn)網(wǎng)設備、網(wǎng)絡規(guī)模和業(yè)務安全等客觀方面，運營商不可能在短期內(nèi)大規(guī)模的完成全網(wǎng)部署。而且現(xiàn)網(wǎng)由于長期留存下來不同廠商、支持不同協(xié)議的老舊設備在保證性能和支撐業(yè)務方面，由硬件平臺向虛擬平臺過渡，仍然面臨平滑演進與長期共存的挑戰(zhàn)[7]。

3、標準化方面。不同的利益集團 對SDN關(guān)注的重點不同，還存在利益差異，到目前為止還未形成一個統(tǒng)一的SDN標準協(xié)議。所以，制定一個統(tǒng)一的標準協(xié)議還需漫長的過程。

隨著通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展與進步，SDN在運營商網(wǎng)絡應用技術(shù)方案也將不斷成熟，所面對的挑戰(zhàn)也將逐步得到解決。無論SDN如何發(fā)展，其目標都是解決現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)中存在的問題，幫助企業(yè)和運營商提供更好的網(wǎng)絡服務。SDN的發(fā)展目前還是任重道遠。

參 考 文 獻

[1] Open Networking Foundation. Software-defined Networking：The New Norm For Network [S]，2012.

[2] Mckeown N，Anderson T， Balakrishnan H，etal. OpenFlow：Enabling Innovation In Campus Networks [C]// USA：Proc. Of ACM SIGCOM08，2008：69-74.

[3]沈辰，張愛麗，岳鵬.網(wǎng)絡技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究[J].現(xiàn)代電信科技.2016，46（2）：12-17

[4]柴蓉，胡恂，李海鵬，蔣桂香.基于SDN的5G移動通信網(wǎng)絡架構(gòu)[J].重慶郵電大學學報，2015（5）

[5]鄭毅，華一強，何曉峰.SDN的特征、發(fā)展現(xiàn)狀及 趨勢[J].電信科學，2013（09）

[6]張朝昆，崔勇，高翯翯，吳建平.軟件定義網(wǎng)絡（SDN）研究進展[J].軟件學報，2015（01）

[7]鄧書華，盧澤斌，羅成程，高協(xié)平.SDN研究簡述[J].計算機應用研究，2014（11）