SDN的戰略性思考

韋樂平

（中國電信集團公司 北京 100033）

1 SDN和NFV的內涵與異同

所謂軟件定義組網（SDN），是美國斯坦福大學于2007年提出的一種創新網絡架構，其核心是借助OpenFlow協議將網元控制面與數據轉發面分離，利用軟件編程實現網絡連接、集中控制與網絡資源開放等，為網絡及應用的創新提供一個開放的平臺。這一思路的問世很快引起業界的廣泛反響，不同專業背景的人根據自己專業面臨的問題開始按照自己的理解發展和充實這一概念，短短幾年業界已經從狹義的基于OpenFlow協議的SDN擴展到更加廣義的不限于OpenFlow協議的開放、創新的網絡架構，其基本目標是體系結構開放并能快速創新，其核心思想是控制和轉發分離、軟件編程實現網絡連接、集中控制、網絡資源開放，最終通過IT創新把封閉的電信網絡轉變為開放的電信創新平臺。

另一個與SDN密切相關、完全獨立發展的網絡功能虛擬化（NFV）概念是2012年由ATT、BT、DT等運營商在歐洲通信標準協會（ETSI）提出的，主旨是通過邏輯功能與物理硬件的解耦，利用軟件編程實現虛擬化的網絡功能，并將網絡中的各種網元硬件歸一成標準化的三大類IT設備，即高容量服務器、存儲器和數據交換機，從而期望大幅度降低網絡運營和建設成本。

NFV與SDN的相似之處在于都要求控制與處理分離，都強調控制層軟件可編程。而不同之處在于SDN著眼于網絡連接，更關注承載網（L2和L3）的虛擬化，更強調網絡業務的創新和開放；而NFV著眼于網絡功能，關注網絡所有網元的功能虛擬化，更強調降低網絡成本。兩者既相似，又互補，越來越趨向于融合在一個統一的基于軟件的組網世界，在很多場合下，泛指的SDN往往包含了SDN和NFV兩者。

2 電信業與IT業的比較

要看清電信業的問題，必須跳出電信業的圍墻，沿著信息通信業（ICT）發展歷程更廣闊的脈絡才可能看清楚。多年來，電信（CT）業與信息（IT）業作為信息通信業兩個最主要的組成領域，都在沿著自身的邏輯和歷史的軌道發展。

從設計理念上看，電信業比信息業落后了30多年。IT業在20世紀70年代也是封閉的垂直煙囪群架構，由各個廠商各自牢牢控制硬件、軟件和外設，形成了專用的、鎖定的、昂貴的行業環境。從1980年起IT業開始打破封閉的垂直架構，轉向開放的水平架構，其基本思路是軟硬件解耦，硬件管性能，軟件管功能，這樣的分工經實踐證明，不僅有利于打破廠商鎖定，創建廣泛的產業鏈，而且非常有利于技術業務創新。而電信業則始終堅守封閉的垂直架構，軟硬件一體化，追求電信級的高性能，結果形成了一個復雜無比、剛性而昂貴的龐大網絡，還在不斷繁衍擴大，動不得，碰不得，成本居高不下，業務創新舉步艱難，根本無法支撐快速發展的互聯網和移動互聯網。

從成本與性能角度看，盡管電信業與信息業都遵循著名的摩爾定律，而實際上兩者所遵循的路徑卻完全不同。摩爾定律揭示了兩個不同的發展方向，一個是高性能，另一個是低成本。多年來電信業注重前者，最具代表性的門檻就是所謂的電信級質量的高要求；而信息業更注重后者，采用適度的性能要求和寬松的可靠性要求以及通用工業標準的IT設備來降低整體成本，不苛求單個設備的高要求。兩種不同的思維產生了完全不同的結果。

筆者統計了過去20年來兩大行業的成本變化軌跡，結果表明以存儲器為代表的IT成本降了4個量級，每年降低58%；而以傳輸系統和蜂窩移動系統為代表的電信設備僅降了約3個量級，每年降30%，兩者相差10倍。究其主要原因是電信網的過度設計和封閉性，開發和沉淀了大量不必要，也有從來沒有用過的功能和性能。封閉性也制約了產業鏈的健康發展，脫離了最廣大的開發群體，窒息了網絡和業務的持續創新。

歷史上，電信業這種在壟斷環境下形成的傳統發展路徑，即“高性能、高可靠、高成本”的三高路線和商業模式在壟斷時代可以生存和發展，而在今天的互聯網開放和競爭環境下，面對大批IT和互聯網公司背景的輕型新運營商的挑戰就難以為繼了，必須實施轉型和“去電信化”變革，才有可能繼續生存和發展。

3 SDN前電信業的探索與教訓

歷史上，電話誕生于1876年，而計算機誕生于1946年。在長達近90年的時間里，電話通信一直是模擬通信，直到1965年第一臺電子交換機誕生后才開始進入數字化時代，電信與計算機的融合才全面開始。

多年來，由于不斷學習和借鑒計算機的技術創新成果，電信網的功能和性能在不斷進步和升級，兩者的技術融合體現在各個層面和領域，以計算換功能、以存儲換帶寬、以計算換性能等都是典型的技術策略。從網絡架構上看，電信業也在不同的網絡技術領域不斷嘗試控制與交換/轉發/傳送的分離以及集中控制的思路，如核心網中的SS/IMS、承載網中的MPLS、傳送網中的ASON等，然而學習得始終不到位、不徹底。而且這些探索都是各個專業自己的獨立探索，只涉及有限的專業領域或網絡層面，開放性極其有限，標準化程度很低，并沒有形成統一、跨網、跨層、跨域、跨技術和跨廠商的網絡架構、接口和協議，自然也沒有帶來全局性的影響力和突破性。

總之，從過去幾十年的歷史看，盡管電信業學習和借鑒了很多計算機技術的成果，但在思維方式和網絡體系架構上卻一直在沿用傳統的軟硬件一體化、以硬件為主的封閉架構。顯然，時至今日，這種進展緩慢、昂貴、封閉的網絡架構與不斷創新、日益龐大的互聯網應用層的矛盾已經日益尖銳，難以調和，這也成為電信網成本居高不下的根本原因。

面對電信網量收“剪刀差”不斷擴大的趨勢和OTT對于電信核心業務不斷蠶食的挑戰，傳統“治標不治本”的網絡演進思路已經難以為繼，需要有突破性思路和根本性網絡架構變革。“去電信化”應運而生，而SDN成為“去電信化”在網絡領域的突破性方向。

4 現有電信網的基本癥結

在蓬勃發展的互聯網時代，現有電信網所暴露出來的主要問題可以歸納為以下4個基本方面。

首先是網絡復雜、剛性而昂貴。電信網通常由大量單一功能、專用網絡節點和碎片化、昂貴、專用的硬件構成。像中國電信這樣規模的網絡僅是設備就有幾十類，達數百萬臺，還在不斷繁衍。網絡一旦建好，難以變動，無法快速配置資源和帶寬，支撐不了應用層的新應用、新使用方式、新商業模式。例如現有靜態、剛性的網絡連接往往按月或年計算，只適合支撐簡單、很少變化的網絡業務，無法支撐互聯網數據中心（IDC）按天乃至按小時計算的動態連接及多變的網絡業務，這一矛盾實質上反映為網絡與計算的失配問題，即網絡技術的發展嚴重滯后于計算技術的發展。

其次，電信網的網元是軟硬件垂直一體化的封閉架構，俗稱“盒子”。歷史上為了滿足不同業務、接入方式、質量、安全等需求，引入了大量不同的控制協議，且綁定于特定轉發協議，代碼直接寫入硬件，構成控制轉發一體化的封閉架構。這種封閉的架構導致作為網元的盒子本身日益臃腫、擴展性受限、功耗很大、性能提升空間小、創新難、價格昂貴。一旦部署，就鎖定于廠商。而從網絡角度，隨著技術和業務的發展，網絡的盒子種類和數目也越積越多，不僅造成硬件的大量重復和浪費，也帶來網絡的高度復雜性，正成為網絡運維人員的噩夢。

第三，網絡和業務形成了大量獨立的煙囪群。隨著技術與業務的不斷發展，新業務、新功能、新性能的提供往往需要開發新協議和新設備，造成設備種類和數量的大量繁衍，外加運營商上下分割和部門間左右分割的格局和現狀，形成大批獨立封閉的網絡和業務煙囪群，成本高、資源不能共享、利用率低、網絡和業務難以協同和融合，無法以互聯網時間快速支撐業務和應用及使用模式的快速變化。

第四，電信網的運營和建設成本居高不下。隨著網絡和業務的不斷發展，運營商（尤其是中國的運營商）不得不面對大量不同廠商、不同設備的采購、設計、集成、互操作測試、部署配置、維護運行以及升級改造，導致居高不下的運營和建設成本。特別是面對云計算和移動互聯網動態變化的對資源和容量的要求，以手工配置為主的靜態網絡根本無法快速支撐這些新技術、新業務的發展。此外，目前網絡的選路方式也往往造成網絡整體輕載、局部重載的不均衡局面，不僅網絡整體利用率低，而且網絡服務質量也難以保證。

不難看出，上述這些問題多半與網絡架構有關。現有封閉無序的體系架構和垂直封閉的網元架構注定了網絡行為，即路由、流量、傳輸性能的不確定，也就難以支持QoS、擴展性、安全性、可管可控可信任等要求。為此，必須對網絡架構進行根本性變革。網絡和網元的剛性、擴展性、功耗、技術創新難、價格高等頑疾也均源于軟硬件一體的封閉架構。云計算所需的靈活動態網絡資源配置、高效資源利用率、公平的資源分配均受制于這種網絡剛性架構。安全攻擊、病毒和其他有害信息的傳播問題也均與IP網端到端透明性的架構設計有關。

可見網絡體系架構的突破才是根本性突破，而這正是SDN的珍貴之處。為此對于SDN的認識絕不能僅停留在OpenFlow協議或網絡功能虛擬化的技術層面上，而要有系統的未來網絡架構演進的整體思維和戰略認識。

5 SDN的主要驅動力

目前SDN還處于早期發展階段，人們就像瞎子摸象一樣，各有各的認識和演繹。咨詢公司也在頻頻發表各種不斷變化的調研結果，闡述各種人群認為的SDN驅動力。就筆者多年在電信業耕耘的經驗和觀察而言，最主要的驅動力有以下4條。

首先是為了降低網絡成本，特別是運行、管理和維護（OAM）成本。隨著網絡量收“剪刀差”的持續擴大，技術進步的步伐已經難以跟上流量的攀升和成本的上升，降低網絡成本已經成為應對量收“剪刀差”的基本出路，而現有僵硬的網絡架構阻礙了這一目標的實現。某著名咨詢公司甚至預計SDN架構有可能降低30%～40%的總體擁有成本（TCO）和60%～80%的OAM成本，而筆者認為即便能達到上述目標的一半也是了不起的成就。

其次是為了業務靈活和創新能力。期望通過開放、靈活的網絡架構帶來業務創新和業務提供的靈活性和速度以及資源分配靈活性的根本改觀，從而適應新的競爭形勢、新的應用、新的使用方式、新的商業模式、新的客戶，為電信業的轉型開拓更廣泛的發展前景。

第三是因為已經有廉價的通用工業標準的IT平臺可用。IT業這些年遵循摩爾定律，在適度性能要求和寬松可靠性要求的前提下，持續不斷地降低成本，使得目前大容量服務器、存儲器和交換機等已經基本具備支撐大量電信和互聯網應用的能力，可以適用于多數網絡場景，而且設備成本低、設計靈活、技術壽命更長。

第四，近年來隨著計算機技術的不斷進展，先是存儲技術和服務器的虛擬化已經成熟并廣泛應用，現在網絡虛擬化技術也趨近成熟，從而允許抽象和屏蔽底層的具體硬件，使得網絡更有彈性和擴展性、更高效和經濟，也更易于實現自動化。從更寬的視角看，則將形成計算資源、存儲資源和網絡資源的統一管理和虛擬化，有望實現計算和通信資源的最佳利用率。

6 SDN的基本特征

SDN的特征有多種描述角度，應用于不同的專業網絡時也可能呈現不同的特征，但最基本的共性特征有以下4個。

首先是水平集成、控制與轉發分離及軟硬件解耦。解耦后的軟件和硬件可以分別獨立發展，軟件可以實現靈活的控制面功能，滿足用戶多元化需求，還可以快速部署網絡及網絡功能和參數，如路由、安全、策略、流量工程、QoS等，快速調度帶寬等資源，提升鏈路利用率。硬件成為簡單啞資源，專注轉發，可采用通用廉價的IT設備，減少設備種類和專用平臺，大幅降低硬件成本，簡化運維管理。

其次是網絡虛擬化。SDN通過將轉發過程抽象為流表，控制器直接控制流表，屏蔽了底層硬件，實現了網絡虛擬化，物理硬件被淡化為資源池，不僅可以按需靈活和快速分配以及相互隔離，而且可望顯著減少硬件數量及其連帶的建設和運營成本。事實上，網絡虛擬化代表了未來網絡構建方式的根本性變化。當然，網絡虛擬化技術可以獨立于SDN部署，但若能與開放和靈活的SDN架構相結合，則將相得益彰，好上加好。

第三是邏輯上集中控制。SDN使得運營商具有全網視野，掌握跨網、跨層、跨域、跨技術和跨廠商的全局信息（包括拓撲和網絡狀態等），有望最佳地利用全網的資源，提升網絡性能（網絡的收斂速度和時延特性等），確保網絡系統路由和性能的可預測，并希望能提供一些全新的網絡功能。

第四是開放性和軟件編程接口。SDN打破了傳統電信設備軟硬件一體化的封閉模式，有望建立和利用更廣泛、開放和強壯的產業鏈。

采用軟件編程接口后，可以通過編程直接而快速地決定網絡連接和網絡功能，不必對一個個網絡煙囪群和大量硬件盒子進行耗時費力的手動配置，這將極大地簡化和加速網絡的部署、管理、升級、自動化，有利于網絡和業務的持續演進和不斷創新。簡言之，SDN/NFV完美地結合了快速、高效、基于分組的本地決策機制和整體的、基于流的集中控制決策機制。

7 SDN帶給運營商的5個核心價值

SDN對于運營商而言既是一次重大挑戰，又是一次難得的網絡變革機遇，歸納來看，至少有以下5個核心價值。

首先是SDN能顯著降低網絡成本。主要體現在降低運營和建設成本，這是因為大幅度減少了設備的采購、集成、互操作和運維升級成本，還減少了硬件種類和數量及連帶的建設和運營成本。再有硬件IT化、標準化和規模化后，也可以顯著降低設備成本。其次體現在提高了網絡資源利用率，因為SDN具有跨網、跨層、跨域、跨技術和跨廠商的全局視野，有望最佳地利用全網資源，動態、實時地按需分配資源。據初步估算，僅骨干傳送網引入SDN即可至少提高一倍網絡吞吐量。

第二是有望增加業務收入。主要體現在可以加快新業務部署，無需涉及費時耗力的硬件配置變化，靠軟件編程即可快速完成網絡業務的自動化部署，快速推出新業務。其次體現在業務創新上，有了開放的標準接口、軟硬件解耦和軟件可編程后，為業務創新提供了廣闊的想象空間，有可能實現運營商多年來不斷討論卻從未實現過的夙愿。

第三是網絡簡單。主要體現在網絡硬件簡化，硬件種類和數量可望大幅度減少，硬件被控制器屏蔽和抽象化以及模塊化后，運營商可以擺脫頻繁的硬件配置和升級工作。其次體現在軟件決定網絡連接和網絡功能上，SDN利用軟件編程就能很快決定網絡功能及其組網部署和參數設置，還有在管理和運營上集中控制也往往比分布式控制要簡單。最后是性能多樣化，按照普適的8∶2原則，在實際應用中80%的應用無需所謂的電信級高質量，20%高質量業務到底需要什么樣的高質量也是值得商榷的，人們根深蒂固的電信級性能的標志性指標就是業務保護倒換時間50 ms以及網絡節點5個9的可用性，源自何處？說不清，道不明，老百姓不買這個賬，運營商自己也是包袱沉重、步履艱難。

第四是網絡靈活。互聯網時代對于網絡的基本要求就是足夠靈活。SDN為網絡帶來了三重靈活性，即網絡擴展的靈活性、網絡和業務演進的靈活性、業務創新的靈活性，有望實現從傳統的業務應用被動適應網絡向網絡能夠主動、快速、靈活適應業務應用的根本性轉變。僅就流量均衡而言，既可以按照負荷均衡，又可以按照業務驅動導向來均衡，還可以按照性能導向來均衡，十分靈活。其次是低風險部署，在快速多變的互聯網時代，網絡部署的風險也大大增加，而SDN允許在軟件測試環境下以較低的風險來試驗和部署網絡新業務，規避了在大網上直接試驗和商用部署的風險。

第五是網絡開放。互聯網最核心的精神就是開放。SDN開放架構以激發創新為主要目標，而開放的生態系統顯然更容易激發網絡和業務的創新。其次，SDN也有助于建立更加豐富和扁平的生態鏈，電信業將主要由傳統的運營商、設備制造商和互聯網公司擴展包括純軟件開發商、純IT廠商及芯片和器件開發商構成。最后是規避風險，一個開放的網絡可以使運營商規避鎖定于單一供應商的風險。這些年來的一系列開放軟件平臺，諸如萬維網（WWW）、谷歌的Android、蘋果的iOS等，不僅本身取得了巨大的商業成功，而且為全球互聯網生態鏈的健康、茁壯成長做出了巨大貢獻，相信SDN的開放創新平臺也一定能取得巨大的成功，還有可能解決當年互聯網設計的一系列固有缺陷。

8 SDN的應用前景

SDN是一種全新的網絡架構，而其希望全面融入乃至最終可能替代或部分替代的電信網又是極其龐大復雜的全球性基礎設施，因而SDN的應用必然是一個長期逐步演進的過程，與每家運營商所面臨的問題和具體網絡基礎而異，不可能有一個整齊劃一的演進路徑。

一般而言，IDC和企業及校園局域網等場景是最佳的初始應用場景。在這種場景下，網絡規模不算大，SDN集中控制器的壓力較小，選路策略僅由一家企業決定，無利益沖突的障礙。特別是相對隔離的IDC場景，引入SDN后，可望有效解決現有IDC資源分散、利用率低、管理困難、新業務部署麻煩且時間長的問題，實現靈活選路、流量可管可控、可全局優化，突破資源限制、提高帶寬利用率、實現跨IDC的業務自動部署和統一管理以及多租戶靈活組網，最終實現網絡即服務的目標。隨著IDC與現有公用網絡的日益融合，上述在IDC場景獲得的經驗也不難逐漸適配和應用到公用網絡中。

將SDN應用于公用網后，將面臨網絡規模大、設備類型多、廠商多、利益主體多的復雜局面，控制器的轉發策略涉及的將不僅是軟件復雜性等技術問題，更多的是不同主體商業利益的沖突和協調。因而SDN的應用策略應該既要考慮實際網絡和業務急需以及實施的難易程度，又要有長期的戰略目標和演進策略支撐。

理論上，作為開放架構的SDN可以適用于網絡的幾乎每一個領域，至少包括核心網、移動網、承載網、傳送網、接入網、家庭網、業務網、網絡運行支撐系統（OSS）和業務支撐系統（BSS）等。即便同一個網絡領域各自的應用出發點和目的不盡相同，難以一一細述，但有一點共同之處是越來越多的運營商開始認識到SDN的戰略意義并開始在公用網絡的不同專業領域進行試驗和試商用，2015年將很有可能成為SDN在公用網中的商用化元年。

9 SDN的挑戰

SDN確實提供了十分美好的前景，但真正實施和實現預定的目標將面臨很多現實的挑戰。盡管電信業在過去也曾面臨過各種挑戰，但這次挑戰的性質及其涉及的廣度和深度都是前所未有的。

首先是集中控制和管理的擴展性、彈性和安全性挑戰。大型IDC有數千臺交換機和數萬臺虛擬交換機，大型電信網有數百萬臺設備。這樣大規模網絡的集中管理、配置、故障定位、彈性和安全性是一個很大的挑戰。其次是網絡架構/接口/協議的標準化和互操作挑戰。目前SDN的標準體系還不全，例如NFV的協同器功能、各層管理功能的分配、業務數據模型等都還沒有規定；標準規定也太過寬泛，例如控制器架構有多種、接口也不完全統一、容許多種模型/模板等。這些都將會延誤SDN/NFV的實施。第三是對網絡建設和運維體系、流程和人才的挑戰，這么多不同來源和不同版本的新老軟件、硬件、網管，怎樣采購、集成、定位故障？怎樣使得公司的市場、規劃建設、運維和IT部門能夠協同一致，而非各行其是？這些已經涉及企業體制、流程、文化和人才的挑戰，比純技術挑戰還難對付。第四是通用硬件的性能和可靠性挑戰。網絡對芯片性能的要求高于計算，目前尚無完全符合OpenFlow標準的芯片，使得通用硬件性能不能滿足高性能網元的要求，主要涉及流表容量、學習速度、轉發速率和時延性能不夠高。目前的通用硬件（如服務器）的可靠性也還達不到傳統電信級設備的可用性要求。第五是軟件的復雜性和有效性挑戰。SDN控制器需要為進來的每一條流選擇一條數據通道，對于大型電信網極其復雜。

上述挑戰，特別是技術上的挑戰已經有一些解決方案，例如近來國際標準組織提出的分層的控制器架構就在相當程度上化解了大型網絡所面臨的集中控制的困難和風險。但畢竟SDN是一個新生事物，需要足夠的時間和實踐來完善、充實和發展。既然互聯網的試錯和迭代開發機制被認為是其生命力之所在，那么對于SDN也同樣應該有足夠的寬容心和積極的態度。此外，也需要切記對于SDN的完善和發展一定要避免陷入“高性能、高可靠、高成本”傳統電信思維，給一個生龍活虎的新技術加上不必要的沉重枷鎖。

10 SDN的戰略層面思考

綜上所述，SDN絕不是簡單的狹義的OpenFlow協議，而是整個電信網的戰略性變革，需要從更高層面和更廣闊的背景上進行理解和認識。

首先，筆者認為SDN是實現“去電信化”改造的重要突破方向，也是應對量收差持續擴大和OTT威脅的重要利器。事實上筆者對于SDN的興趣最初就是從降低成本和業務創新這兩個目標開始的，而這恰好對于“去電信化”和量收差持續擴大的困境提供了關鍵的突破方向。特別是，近來互聯網公司的一系列技術創新已經大大降低了對于網絡的依賴和要求，繼續堅守“高性能、高可靠和高成本”的三高建網策略不僅毫無意義，而且只會進一步擠壓運營商的生存空間。

其次，筆者認為SDN是電信網的全局性、顛覆性變革，絕不限于數據網領域。簡言之，SDN不僅涉及新的架構、新的應用、新的方法、新的生態系統、新的商業模式，而且滲透到網絡的幾乎每一部分。

第三，SDN是電信網實施體系架構變革的抓手。多年來，盡管電信業在不斷學習計算機的具體技術和方法，但在網絡架構上卻一直沿用軟硬件一體化的封閉架構。顯然，這種進展緩慢、昂貴、封閉的網絡架構與不斷創新、日益龐大的互聯網應用層的矛盾已經難以調和，必須對網絡架構進行變革。

第四，SDN是ICT產業鏈重塑的重要機遇和挑戰。SDN涉及的領域已遠超傳統電信業的范圍，至少含運營商、電信設備商、互聯網公司、IT廠商、軟件開發商、芯片和器件廠商六大類，有望建立一個真正開放、更廣泛、更活躍、更健康的產業鏈，帶來ICT行業的新飛躍。

第五，SDN在電信網的應用不可能一蹴而就，將與傳統網絡長期共存協同，逐步演進。因而新老系統的軟件、硬件和網管的集成和平滑過渡將是一項長期的艱巨任務，而且不僅面臨技術挑戰，更多地將面臨公司的體制、流程、文化和人才的挑戰。

美國著名學者J·C·R·利克里德有一句名言：“人們總是高估在未來一年間可以做的事，而低估在未來5～10年可以做的事。”這一觀察已經為無數事實所驗證，對于SDN也同樣要避免短視和功利，看到其深遠、全局性、顛覆性的影響，因勢利導，早做準備，迎接挑戰，擁抱未來。