互聯網迎來新的技術變革——SDN（Software Defined Network）呼之欲出

文｜黃 濤 胡 坤

互聯網也擺脫不了自我否定的宿命

任何事物都擺脫不了產生，發展，蛻變，最終被替代的宿命，上世紀九十年代基于IP技術發展起來的互聯網技術也是這樣。最初的互聯網是為單一的數據通信需求而設計，其設計目標是實現網絡的健壯性和支持底層網絡技術的異構性，并且默認互聯的用戶屬于相互信任的團體。因此，傳統的互聯網體系結構僅支持盡力而為的服務，遵循“核心簡單，邊緣智能”的設計原則，網絡智能部署在網絡邊緣的終端上。這種體系結構簡單，但保證了高效的互通和良好的演進性，并且一直沿用至今。

然而近年來，隨著網絡技術的高速發展，大量新型接入技術如WiMAX、WiFi、無線局域網、藍牙，大量新型異構網絡如移動自組織網絡、無線傳感器網絡、網狀網的出現，網絡的異構化日益嚴重。同時，隨著各種如M2M、P2P、SaaS、云計算、網格、普適計算和多樣化的網絡應用模式出現，各種新協議不斷疊加。這些新技術和應用在推動整個通信領域進步的同時，也直接導致傳統互聯網體系擴展性差，網絡升級改造，新業務部署和日常的維護管理的困難日益凸顯，網絡對于設備的依賴性持續增強，缺失標準和公共的API，使網絡設備壟斷，難以按照業務需求實時配置網絡設備；網絡功能的虛擬化能力減弱，所有業務都承載在同一張物理網絡上，但卻難以按照邏輯功能進行區分，傳統的“核心簡單”的互聯網難以滿足網絡對可控、可管迫切的需求。有人把現在的網絡戲稱是嚴重“鈣化”，復雜糾纏的網絡，導致了緩慢的業務發放和業務創新過程，最終導致了簡單粗放的管道商業模式。

互聯網的神話有待于繼續

圖1 ONF給出的SDN定義為業界廣泛接受

正如我們注定要跨越2012年12月21日這個被瑪雅占卜學家預言為世界的末日一樣，互聯網也已經發展為擁有超過數億臺主機的復雜的超級信息系統，并正在深刻地影響著人類經濟生活。一切都需要繼續，但是，互聯網如何繼續演繹其賴以成功的基本優點如開放性原則、端到端原則、透明性原則、功能分層等，同時如何突破正在成為阻礙互聯網進一步發展的瓶頸和障礙，全球的網絡專家都在思考和探索，包括最初倡導并奠定互聯網發展基礎的鼻祖。

國際上對于未來互聯網發展路徑的探索分兩類：分布式Overlay方式和物理網絡方式，分布式Overlay方式以PlanetLab為典型代表，物理網絡方式以OpenFlow為典型代表。PlanetLab是一種覆蓋網方式的大規模試驗網，節點大都由感興趣的研究機構提供，所有節點通過當前互聯網實現基礎連接，節點之間通過隧道或者其他方式互聯形成覆蓋網絡。OpenFlow是2008年正式發布的一種新的未來互聯網的探索方法，其主要思想是實現控制平面和數據平面的分離，通過控制平面的可編程實現新技術的驗證。OpenFlow提供了開放源代碼的純軟件版本，同時通過與現有網絡設備廠商合作，可以在現網路由器上部署可編程、自配置的硬件板卡。如圖1所示。

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN），是由美國斯坦福大學Clean slate 研究組提出的一種新型網絡創新架構，最早的倡導者是美國斯坦福大學的Nick McKeown教授。SDN描繪了美好的網絡演進前景：控制轉發分離：控制面和轉發面之間采用標準接口協議OpenFlow，控制設備轉發表和端口狀態；集中式控制：控制器構建整網視圖，基于整網視圖進行集中式路由決策，集中控制轉發設備行為；控制軟件客戶化定制：控制器軟件多樣化，開放可編程，甚至開源，客戶化定制；支持網絡虛擬化：采用一個控制器時，整網作為一個整體集中控制；采用多個控制器時，基于整網視圖劃分虛擬網絡，由不同的控制器分別集中控制。當然，SDN與OpenFlow的核心價值并非僅限于傳輸與控制分離、軟件與硬件分開、集中管控、接口開放、網絡虛化，更重要的是它為網絡的開放創新打開了一扇窗戶。

圖2 OpenFlow交換機組成

管窺Openflow

每個OF交換機（Switch）都有一張流表，進行包查找和轉發。交換機可以通過OF協議經一個安全通道連接到外部控制器（Controller）對流表進行查詢和管理。如圖2所示。

流表包括包頭域、活動計數器、以及執行行動。對每一個包進行查找，如果匹配則執行策略，否則通過安全通道將包轉發到控制器，控制器決策相關行為。

安全通道用來連接交換機和控制器，所有安全通道必須遵守OpenFlow協議。控制器可以配置、管理交換機、接收交換機的事件信息，并通過交換機發出網包等。

OpenFlow協議支持三種消息類型：controller-to-switch，asynchronous（異步）和symmetric（對稱），每一類消息又有多個子消息類型。controller-to-switch消息由控制器發起，用來對Switch進行狀態查詢和修改配置等操作；synchronous消息由switch發起，用來將某些網絡異步事件或交換機狀態變化更新到控制器；symmetric消息可由交換機或控制器發起，無需通過請求建立，用來檢測對方是否在線、建立連接等。

所謂虛擬交換（vSwitch）是利用虛擬平臺，通過軟件方式形成交換機部件，跟傳統物理交換機相比，虛擬交換機具備配置靈活和成本低廉的特點，其以開源技術為基礎，主要實現為可移植的代碼。基于這一理念，OpenFlow生態鏈中的四個關鍵組件：Open vSwitch、FlowVisor、NOX、Mininet。

Open vSwitch（OVS）以開源技術為基礎，定位為一個產品級質量的多層虛擬交換機，通過支持可編程擴展來實現大規模的網絡自動化。FlowVisor建立在OpenFlow硬件上，它是一個特殊的OpenFlow控制器，主要是作為OpenFlow交換機網絡和其他標準OpenFlow控制器之間的透明代理。FlowVisor通過抽象層來分割物理網絡，管理帶寬、CPU利用率和流量表。其基本要素是網絡切片，網絡切片是由一組文本配置文件來定義的。FlowVisor以帶寬、拓撲結構、流量、CPU資源，轉發表等五個策略進行虛擬化和切片隔離。NOX從建立網絡操作系統的層面提供更高的抽象層來管理底層的各種資源，極大的改善了復雜網絡管理的效率。而從整個網絡的角度來看，網絡操作系統應該是抽象網絡中的各種資源，為網絡管理提供易用的接口。Mininet 是一套功能強大，但又靈活方便的輕量級網絡研究平臺，利用這個平臺，研究者在自己的個人筆記本上就可以利用它搭建一套媲美真實硬件環境的復雜網絡并可以輕易地在筆記本電腦上測試一個軟件定義網絡，對基于Openflow、Open vSwitch的各種協議等進行開發驗證，或者驗證自己的想法，甚至把代碼遷移到真實的硬件環境中來。

當然，OpenFlow也并非就一定是我們期盼的救世主，它目前也存在問題，其技術成熟度依然有待發展，協議復雜度依然是危機，硬件成本依然是門檻，路徑能力匹配依然有待發展，流表同步開銷依然繼續著路由表的夢魘，“信息流”依然存在瓶頸，網絡安全依然存在甚至加劇。

SDN的標準化進程

國際標準化組織在行動。ONF（Open Networking Foundation）是制定SDN/OpenFlow技術規范的牽頭組織，自2010年初發布第一個版本V1.0以來，ONF已經發布了多個版本的OpenFlow規范。同時，還發布了OpenFlow管理和配置協議的第一個版本OF-Config 1.0&1.1，以及OFTest1.0，OF-Hybrid 1.0。IETF早期有兩個與SDN相關的研究項目/工作組，分別是ForCES和ALTO。ForCES (Forwarding and Control Element Separation)定義一種架構和相關機制，用于在邏輯上分離的控制平面和轉發平面之間交互信息，已經發布了9個RFC，主要涉及需求、框架、協議、轉發單元模型、MIB等。ALTO (Applicaiton-Layer Traffic Optimization)，主要通過為應用層提供更多網絡信息，來完成應用層的流量優化。目前，IETF也以軟件驅動網絡（Software Driven Network）為出發來研究SDN，成立了SDN BOF。ITU-T在SG13組（Future networks including mobile and NGN）設立了SDN的研究任務，相關工作在WP5組（Future Network）Q21研究，將SDN納入了Y.3011（Framework of network virtualization for future networks）的范疇，目前成立了兩個項目，FNsdn-fm和Y.fnsdn，分別面向SDN的需求和框架網絡虛擬化已經作為工作重點之一。

SDN的產業環境與未來展望

一個新生事物從實驗室、孵化器走向產業化，固然有可以預見的“彎路”要走，但是當產業界的眼睛從旁觀轉為關注的時候，情況也許正在悄悄地發生著變化……

在美國，AT&T、Verizon等運供應商認為SDN有助于提高現有網絡的能力，但不是取代當前的網絡, 更傾向于采用“Network Functions Virtualisation（網絡功能虛擬化）”的概念名稱，但是他們也正在計劃聯合BT（英國電信）、Orange、DT（德國電信）等在ETSI框架之下成立專門的Industry Specification Group (ISG)組織。日本NTT自主研發了Virtual Network Controller Ver2.0，主要用于多個數據中心的統一服務和按需配置。NTT通過網絡虛擬化，將位于日本和香港的數據中心組合，實現了虛擬化數據中心，并計劃在2012年底將位于美國、英國和新加坡的數據中心融入其中，用戶可以在NTT全球數據中心之間實現自由遷移。

互聯網公司Google在其數據中心互聯網絡（G-Scale）上部署SDN，2010年1月開始采用SDN/OpenFlow，2012年初，Google全部數據中心骨干連接已經都采用這種架構。目的是更有效的運行廣域網，提高鏈路利用率，保護高優先級流量，基于容錯目的，分布式部署了多個Controller。提升了網絡的可管理、可編程、以及成本效益，網絡利用率提升到95%。

自2009年初，國內有運營商開始與華為、中興、愛立信、諾西等主流廠家共同進行電信核心網虛擬化、云化研究，并開發支持“軟核心網”理念的云交換原型系統，另外在C-RAN、云WLAN等方面開展嘗試提出在2013年要召集SDN設備進行測試，加強架構研究，深入研究SDN對電信網絡架構的潛在影響和應對策略，注重標準工作，積極參與ONF等國際組織，并嘗試以IDC為切入點進行實驗，待成功后再進行拓展。2011年11月，由中國科學院、清華大學、北京郵電大學等單位發起，由劉韻潔等多名中國工程院院士領銜的南京（中國）未來網絡技術與產業創新中心成立，致力于推動中國未來網絡產業與技術創新，2012年12月成立了未來網絡產業聯盟。

在網絡設備制造業界，Cisco、Ericsson、華為等制造商都認為SDN將成為網絡演進的方向和手段，網絡設備虛擬化、網絡控制軟件化將成為趨勢。同時都已經發布了有關產品，例如：Cisco發布了Cisco ONE（Open Network Environment，允許客戶利用各種協議，而不僅僅是OpenFlow對網絡進行編程），Ericsson發布了SSR（Smart Services Router）、華為發布了支持OpenFlow 1.2的路由器NE40E以及支持多版本Openflow的控制器SOX（Smartnetwork Openflow Controller）。另外，傳統的IT制造企業也相繼發布SDN產品，例如：HP發布HP Virtual Application Networks SDN Controller；IBM發布自有openflow控制器PNC，其在X86服務器上運行Openflow 1.0，最大支持50臺交換機，基于Web的RESTful北向應用編程接口(API)。一些新興的制造企業也開始試水SDN,并試圖把SDN與云計算、CDN等嫁接演進，如Nicira基于開源技術OpenFlow和OpenvSwitch創建了網絡虛擬平臺（NVP），實現SDN和網絡資源的虛擬化 Nicira提供開源云平臺OpenStack發布的核心網絡方案Quantum Bigswitch公司提供了Big Network Controller、Big Virtual Switch等商用產品。

2012年開始，傳統交換芯片供貨商相繼推出商用產品，開發出支持Openflow協議的芯片用于的交換機中，并在產業布局方面開始動作，如Intel收購Fulcrum Microsystems和SDN服務商WindRiver，從計算、存儲、網絡領域芯片提供的全覆蓋。Cisco、Juniper、華為等公司在自身高端路由器產品上多采用自研芯片，由于現階段SDN產品功能和實現相對簡單，尚未有企業專用自研芯片問世。

與此同時，全球商業界也預感到了SDN的價值和機遇。例如：國際著名咨詢公司Gartner在2012年10月將SDN列為未來五年IT領域的十大關鍵技術之一；著名網站InfoWorld2011年11月公布了可能影響未來十年的十項新技術，SDN排列第二；IDC預測到2016年SDN產業產值將達20億美元之多。

結束語

OpenFlow將傳統物理固定的硬件定義互聯網改造成為新型動態可變的軟件定義互聯網，但其技術本身從體系結構、協議標準尚待進一步發展。 OpenFlow的網絡生態系統層次清晰，網絡拓撲可重構、網絡設備PC化、網絡功能軟件化的方向發展，目前尚沒有一個號召力足夠強的網絡操作系統提供商。對于網絡運營商對于SDN的部署，近期從數據中心內部入手，延伸到數據中心之間，長期再擴展到IP核心網以及跨多域的CDN部署應用是比較可行的思路;但是SDN能在多大程度上解決現有互聯網存在的諸多弊端，尚需要時間的檢驗，但其確是未來演進的方向，并正在孕育一次網絡產業變革，將為網絡創新者帶來更多機遇。