計算機網絡未來的發展

熊建 熊軍

【摘要】隨著計算機網絡的飛速發展，網絡日益龐大復雜起來，那么計算機網絡未來的發展方向又如何呢？軟件定義的網絡（SDN）是一種新的網絡體系結構，通過將網絡控制與網絡轉發構建開放可編程的網絡體系結構。SDN認為不應無限制地增加網絡的復雜度，需要對網絡進行抽象以屏蔽底層復雜度，為上層提供簡單的、高效的配置和管理，以支持未來的新網絡體系結構和業務的創新。

【關鍵詞】計算機網絡;未來;發展

隨著信息化的不斷發展，信息網絡覆蓋了社會的各行各業，成為經濟社會發展不可缺少的，那么計算機網絡是什么，主要是計算機技術、信息通信技術等多個領域的復雜系統相結合的產物，未來計算機網絡的發展又如何呢，我們希望無論從網絡的復雜程度、網絡的架構標準化、網絡的可控制管理性、網絡的安全性等方面都有所提高。

一、計算機網絡的發展

從上世紀50年代開始至今已經有60多年的發展歷程了，在計算機發展的初期，計算機主機非常昂貴，因此計算機之間的通信、信息交換、資源共享就需要用到，相對便宜的網絡通信線路和網絡通信設備，為了共享計算機主機資源和進行信息的綜合傳輸及處理，便形成了第一代的以單個的主機為中心的聯機終端網絡通信系統。

終端到主機都單獨占有一條通信的線路，使得線路利用率低，主機的cpu負載大消耗高，那么利用效率則低，提供資源共享的主機如果出現問題，那么所有終端都無法在網絡上通信交互數據，在這樣的網絡通信系統形式下，就必須改進，在遠程終端聚集的地方設置一個終端集中器，把所有的終端聚集到終端集中器里，而且終端到集中器之間是低速線路，而終端到主機是高速線路，這樣使得主機只要負責數據處理而不需要承擔大量的通信負載工作壓力，大大提高了主機的利用率。

二、網絡體系結構

為了使不同網絡設備之間的兼容性和互操作管理性更加緊密;更好的實現計算機網絡的資源共享，現代社會的網絡體系結構標準國際標準化組織提出的OSI模型，OSI模型分為7層，分層的思想使得整個網絡的設計變成了對各層及層與層之間接口的設計，所以易于設計和實現，各層功能明確相互獨立，下層為上層提供了很好的服務。在目前的商用網絡體系結構中，TCP/IP協議（網絡通信協議）是網絡通信中最基本的協議，所有的網絡都是建立在此協議基礎之上進行的。便出現了TCP/IP協議體系結構，該模型按照OSI模型演變而來，分為了應用層、傳輸層、網絡層、網絡接口層四個層。

1.以太網的作用

目前主要以以太網結構為主，它將傳統的三層數據中心交換架構變成了一層或二層結構，目的是為了提升高度虛擬化和支持目前云的數據中心的可擴展性、性能和彈性。

服務器的虛擬化廣泛應用改變了這些設備，使靜態架構變成了虛擬機，它們能夠在多個服務器之間數據傳輸，從而大大拓展了數據中心的整體容量。應用程序也變得越來越復雜，它們的許多功能分散到了不同的系統和組件上，然后在各個服務器之間通信。

大量服務器之間的流量增加了傳統三層交換架構的負擔，限制了可擴展性。現在數據必須經過多跳網絡才能到達目標，從而增加了延遲和導致性能下降。性能和可靠性進一步受到普遍使用的生成樹協議（STP）的影響，雖然STP足夠應付傳統流量注和應用架構，但是這種方法存在缺陷且比較脆弱，它的帶寬使用效率不高。以太網結構技術（TRILL）和最短路徑橋接（SPB）通常可以替代復雜且效率低下的三層網絡和生成樹。這種協議技術簡化了應用程序的工作方式，不需要知道正確的可達路徑，只要考慮自己應該做什么。節點可以直接將所有數據包發送給結構，然后由結構來決定該如何將數據包傳輸給目標地址。

2.未來網絡的發展

451研究集團首席分析師說：“結構允許同時出現多個會話，但是所有系統仍然看起來像是彼此相鄰的。以太網交換結構技術綜述中指出，結構支持用“基于流的細粒度負載均衡實現相同代價的二層和三層多路轉發”。按此想要發展網絡那么“結構”被視為未來網絡發展的必由之路。網絡的發展方向就是為了解決，簡化的網絡環境分配和管理部署。

三、未來網絡技術SDN

1.SDN技術介紹

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，其核心技術“OpenFlow”通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，并實現可編程化控制，從而實現了網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。其典型網絡架構分為設備層、控制層、應用層3層，其中應用層包括各種不同的業務和應用;控制層主要是網絡操作系統，負責處理數據平面資源的編排，維護網絡拓撲、狀態信息等;設備層負責基于流表的數據處理、轉發和狀態收集。

路由器的設計上看，它由軟件控制和硬件數據通道組成。軟件控制包括管理（CLI，SNMP）以及路由協議（OSPF，ISIS，BGP）等。數據通道包括針對每個包的查詢、交換和緩存。如果將網絡中所有的網絡設備視為被管理的資源，那么參考操作系統的原理，可以抽象出一個網絡操作系統（Network OS）的概念，這個網絡操作系統一方面抽象了底層網絡設備的具體細節，同時還為上層應用提供了統一的管理視圖和編程接口。這樣，基于網絡操作系統這個平臺，用戶可以開發各種應用程序，通過軟件來定義邏輯上的網絡拓撲，以滿足對網絡資源的不同需求，而無需關心底層網絡的物理拓撲結構。

SDN提出控制層面的抽象，目前的MAC層和IP層能做到很好的抽象但是對于控制接口來說并沒有作用，我們以處理高復雜度（因為有太多的復雜功能加入到了體系結構當中，比如OSPF，BGP，組播，區分服務，流量，NAT，防火墻，MPLS，冗余層等等）的網絡拓撲、協議、算法和控制來讓網絡工作，我們完全可以對控制層進行簡單、正確的抽象。SDN給網絡設計規劃與管理提供了極大的靈活性，我們可以選擇集中式或是分布式的控制，對微量流（如校園網的流）或是聚合流（如主干網的流）進行轉發時的流表項匹配，可以選擇虛擬實現或是物理實現。

隨著云計算、虛擬化、大數據等新技術的發展，企業從以往關注最多的交換機、路由器、安全設備等能力的提高，轉換為對如何精簡網絡架構，提升業務質量的需求。網絡的作用不單單集中在信息交換、提升業務發展水平的層面。未來網絡逐漸從面向連接轉為面向應用，這就對原有網絡架構提出了新挑戰，在這種大背景下，SDN作為新型網絡創新架構，即時登上網絡舞臺，成為引領變革的新主角。

2.SDN的發展

SDN的熱潮絕不是一蹴而就，其技術的演進和應用經歷了長久的發展。在2006年，SDN誕生于美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題，斯坦福大學Nick教授為首的研究團隊提出了OpenFlow的概念并用于校園網絡的試驗創新，后續基于OpenFlow給網絡帶來可編程的特性，SDN的概念因此應運而生。

在2010年1月，Google開始采用SDN和OpenFlow，在2012年初，谷歌全部的數據中心骨干連接已經都采用SDN架構，其網絡利用率提升到95%，有效提升了網絡的可管理、可編程、網絡利用率以及成本效益。

未來將繼續瞄準網絡開放發展方向，搭建廠商與最終用戶之間的橋梁;共同推進SDN及其他前沿技術的發展，為新一輪網絡變革和發展貢獻力量。SDN被眾多機構認為是顛覆性創新，SDN快速發展，已經成為未來網絡架構的標準參考模式之一。那么無論未來的網絡發展是否成功，提出了SDN這種技術就是一種成功。