關于軟件定義網絡的架構與開發環境研究

夏仕俊

（國網上海市電力公司信息通信公司，上海 200120）

1 計算機網絡面臨的部分問題

計算機網絡通常由大量的網絡設備構成，諸如交換機、各種類型的中間件（如防火墻），以及諸多作用在之上的復雜協議。需要使用非常有限的工具來手動配置復雜的策略將高層次的政策轉化為低層次的配置命令，并適應不斷變化的網絡條件。因此對于網絡環境的管理和性能調優相當具有挑戰性，且容易出錯。同時“互聯網僵化”是更加嚴峻的問題。因為互聯網極其龐大的部署基數，又涉及重要基礎設施（比如能源供應等方面），所以極難在物理結構和協議性能兩方面有所發展。隨著互聯網應用及服務變得越來越復雜和苛刻，以何種方式，使得互聯網可以快速應對這些新的挑戰已成為當務之急。

“可編程網絡”的概念作為一種促進網絡演進的方法已被提出多年，而軟件定義網絡（Software Defined Network，簡稱SDN）是一種新的網絡模式，其中網絡設備通過控制決策層去耦合，可顯著簡化網絡管理，實現創新和發展。在SDN中，網絡的拓撲關系、轉發路由等按照邏輯集中在基于軟件的控制器中，網絡設備通過標準化的開發成為可通過開放接口（例如ForCES，OpenFlow等）進行編程的簡單的數據包轉發裝置。

SDN目前吸引了來自學術界和工業界顯著的關注，一些網絡運營商和服務提供商等最近創建了工業導向的開放網絡基金會以推動SDN并標準化OpenFlow協議。在學術界，也創建了OpenFlow網絡研究中心，專注于SDN研發，IETF、IRTF和其他一些標準制定組織也在為SDN的標準化努力。

2 軟件定義網絡架構

數據通信網絡通常由用戶設備，或網絡基礎架構互聯的主機組成，這種基礎架構是主機共享的。如路由器和交換機，以及進行主機之間數據傳遞的通信鏈路。路由器和交換機通常是“閉路”系統，通常帶有有限的、供應商特定的控制接口。因此，一旦部署并投入使用，要當前的網絡基礎架構再進行演變是相當困難的；換句話說，部署現有協議（例如，IPv6）的新版本是相當困難的，更不要說部署完全新的協議和服務，這是在當前的網絡中幾乎不可克服的障礙，無論是互聯網還是局域網絡都不例外。

軟件定義網絡的開發是為了促進創新，使網絡數據路徑的簡單編程控制成為可能。如圖1所示，來自控制邏輯的轉發與硬件的分離使得新協議和應用程序的部署成為可能，簡化了網絡可視化及管理、以及各種中間件到軟件控制的整合。網絡被簡化成“簡單”的轉發硬件和決策網絡控制器的組合，來代替以往執行策略和協議分散在個個網絡器件上的情況。

圖1 傳統網絡與SDN架構的對比

圖1SDN架構將控制邏輯從轉發硬件上解耦，并且使中間件的合并，更簡單的策略管理和新的功能成為可能，實線表示數據平面連接，虛線表示控制平面連接。

（1）現有SDN架構

ForCES和OpenFlow是兩個知名的SDN架構協議，二者均遵守基本的SDN控制平面和數據平面的分離原則，并且都會標準化平面之間的信息交換，但是在設計、架構、轉發模式以及協議接口的技術上有很大不同［1，2］。

IETF提出了ForCES（轉發與控制元件分離）工作組方法，該方法重新定義了將控制元件與轉發元件分離的網絡設備內部架構。然而，這個網絡設備仍然表示為單個實體，由工作組提供的驅動用例，來將新的轉發硬件與第三方控件結合在單一網絡設備中。因此，控制平面和數據平面被放在靠近的位置（例如，同一機箱或機房）。與此相反，在“的OpenFlow型”的SDN系統中，控制平面是完全從網絡設備剝離開的。

在OpenFlow架構中（見圖2），轉發設備即OpenFlow交換機，包括一個或多個流表，及一個通過OpenFlow協議與控制器安全交換的抽象層。流表由流條目組成，每個流條目決定一個流中的數據包如何處理和轉發。流條目通常由匹配字段（或匹配規則）、計數器及一組指令或操作組成，它們決定如何處理匹配的數據包。

圖2 OpenFlow架構圖

圖2為通過OpenFlow協議發生的控制器和轉發設備之間的通信。流表的三個構成部分為：匹配規則、數據包匹配規則時的動作及用于收集流統計數據的計數器組成。

（2）轉發設備

底層網絡基礎架構可以包括多個不同的物理網絡設備、或轉發設備，諸如路由器、交換機、虛擬交換機、無線接入點設備、等等。在軟件定義網絡中，這樣的設備通常被描述成抽象層中可通過開放接口訪問的基本轉發硬件，而控制邏輯和算法被隔離移動到一個控制器，這類轉發設備通常指的是在SDN術語中被簡單稱為“交換器”的設備，圖3分離的控制邏輯可被視為一個網絡操作系統，應用可被在其中創建以“編寫”網絡。

（3）控制器

解耦的網絡系統一直被比作操作系統，控制器在此系統中提供了網絡的編程接口，它可用于實現管理任務，并提供新的功能。該模型的分層視圖如圖3所示，這個抽象分層假定控制器是集中式的，應用程序的編寫環境如同此網絡是一個單一的系統，它使得SDN模型能夠在多種不同的應用和不同的網絡技術及物理介質，諸如無線（如802.11和802.16），有線（如以太網）和光纖網絡中得以應用。

圖3 SDN分層視圖

（4）產業的標準化

最近，一些標準制定組織開始關注SDN。比如IETF的ForCES工作組一直致力于標準化關于網絡集中控制和網絡基礎架構抽象的機制、接口和協議，以及開放網絡基金會（ONF）一直致力于的OpenFlow標準化。隨著控制平面將網絡應用從底層硬件架構抽象出來，將重點放在了標準化以下幾項之間的接口，即網絡應用和控制器及控制器和交換基礎架構之間。一些ITU電信標準化部門（ITU-T）的研究小組近來的工作是SDN在不同維度下的需求討論并給出建議。

3 SDN開發工具

（1）仿真和模擬工具

Mininet使整個OpenFlow網絡被模擬在一臺機器上，簡化了初始的開發和部署過程。新的服務、應用和協議在被接入真實硬件上前，可先在仿真的預期部署環境中進行開發和測試。Mininet默認支持OpenFlow的1.0版，但它可被修改以支持適應新發布的軟件交換機，ns-3網絡仿真器環境內部可支持OpenFlow交換機，不過它目前的版本只能執行OpenFlow的0.89版。

（2）可用軟件交換機平臺

目前有幾種可用的SDN軟件交換機可以使用，比如運行SDN測試平臺或通過SDN開發服務。表1目前符合OpenFlow標準的軟件交換工具列出了現有的軟件交換機的簡要描述，包括實現語言，現有設備支持的OpenFlow標準版本。

表1 目前符合OpenFIow標準的軟件交換工具

（3）本地SDN交換機

SDN實現的所有技術中，一個比較主要的在商業網絡硬件中的實現是OpenFlow標準。目前還并不需要展示OpenFlow啟用的硬件和制造商的詳細介紹，而是提供了一個市場上可用的本地SDN交換機列表，并提供了一些相關信息，包括OpenFlow執行的版本。

行業對SDN有力支撐的一個明顯的證據是商用OpenFlow網絡硬件的可用性，表2符合OpenFlow標準的主流商用交換機制造商列出了當前可用的商用交換機，它們的制造商和Open-Flow的，以及它們執行的版本。

表2 符合OpenFIow標準的主流商用交換機制造商

［1］ DORIA A，SALIM J H，HAAS R，et al.Forwarding and Control Element Separation（ForCES）Protocol Specification.RFC 5810（Proposed Standard），Mar.2010.

［2］ MCKEOWN N，ANDERSON T，BALAKRISHNAN H，et al.OpenFlow：enabling innovation in campus networks.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，38（2）：69-74，2008.