M—ICT時代SDN技術實踐與創新

李光+王延松+范成法

摘要：軟件定義網絡（SDN）集中控制、控制和轉發分離、網絡能力開放的特點將使其成為未來網絡的主要支撐技術，以應對萬物移動互聯、業務復雜多變、帶寬飛速增長等挑戰。重點介紹了中興通訊融合云計算和開放網絡思想在SDN技術方面的實踐和創新，相關場景包括數據中心網絡、廣域網、5G網絡切片、云網融合的隨選網絡等，同時指出了未來需要進一步重點關注的技術方向。

關鍵詞： SDN；網絡功能虛擬化；網絡重構；數據中心；廣域網；5G網絡切片；隨選網絡

Abstract： Due to the advantages of centralized control， forwarding and control separation， and open network capability， soft defined network （SDN） will be the main supporting technology of future network to deal with major challenges， such as Internet of everything， complex and various business， continuously increasing bandwidth， etc. ZTE focus on the practice and innovation of SDN technology which is combined with cloud computing and open network technology. Major related application scenarios such as data center network， wide area network （WAN）， 5G network slices， on-demand network （fusion of cloud and network） are discussed. Meanwhile， we propose the key technology development direction in the future.

Key words： SDN； NFV； network reconfiguration； data center； WAN； 5G network slice； network on-demand

1 新時代網絡面臨的挑戰

M-ICT時代是一個前所未有的巨變新時代，一個面向移動、萬物互聯、全面跨界融合的信息時代。隨著物聯網、5G的發展，將產生隨時隨地的海量連接，預計到2020年將超過500億移動連接。生活與工作也會難分彼此，消費者和企業需要在日常生活和工作中即時按需接入應用和獲取信息。虛擬現實（VR）/增強現實（AR）的興起將使虛擬與現實合二為一，物理與數字世界的關聯更加緊密，人工智能讓數字世界變得更智慧。因此，要求互聯網變得更加靈活、更加迅捷地服務于生活，需要幫助客戶在信息的收集、分發、處理、存儲、傳輸、消費等各環節挖掘更多的價值。

M-ICT時代是一個以“人”為本的時代。 圍繞著用戶需求，業務層出不窮、復雜多變。隨著豐富而便捷的各種互聯網應用服務（OTT）對用戶習慣的培養，用戶要求的不斷提高和多元化，對網絡的管理也提出了嚴峻的挑戰：當前的網絡成為了業務的管道，內容不可知、不可控、不可觀。各類技術的不斷疊加，大量獨立網絡和業務的“煙囪群”使得網絡管理變得異常復雜。用戶定制網絡、業務快速開通的呼聲愈發強烈[1]。

M-ICT時代是一個寬帶飛速增長、流量模型多樣化的時代，互聯網需要支持跨域和多樣化的帶寬、性能保證。過去7年，網絡流量增長了10倍。預計未來2～3年城域網總流量將增長3～7倍，超過6 000 Gbit/s，未來5年將增長10倍或更多。各種業務對網絡的帶寬、時延、并發用戶數提出了不同的要求。同時，業務的流量模型也在發生變化，淘寶“雙11”搶購、春晚直播等產生的流量具有事件性、突發性，對網絡帶來了巨大的壓力。當前網絡僵化、封閉的缺陷被逐漸放大。

2 SDN技術綜述

軟件定義網絡（SDN）的出現帶來了新一輪的產業變革，它正逐漸成為解決未來網絡發展問題的關鍵技術之一。

SDN的思想最早來自于學術界，2006年為了更好地實現控制與轉發分離并加快網絡創新，由斯坦福大學主導，在美國自然科學基金會（NSF）以及工業界的支持下啟動了Ethane項目，這是SDN技術的雛形。2008年，Nick McKeown在SIGCOMM會議上首次提出了將OpenFlow協議用于校園網絡的試驗創新，SDN呼之欲出。2011年初，成立了開放網絡基金會（ONF），并在2012年4月發布了SDN白皮書，其中網絡三層架構模型獲得了業界的廣泛認同。2012年谷歌宣布其主干網絡已經全面運行在OpenFlow上，通過10 G網絡鏈接分布在全球各地的12個數據中心，使廣域網線路的利用率從30%提升到接近100%。SDN的快速部署引起了業界廣泛關注，它向人們證明了SDN具有解決網絡現存問題的能力，同時也增強了業界對于SDN技術可行性的信心。

SDN關鍵技術包括幾個方面的內容：控制與轉發解耦，實現控制集中化和網絡能力開放化。其架構分為轉發平面、控制平面和應用平面。控制平面即SDN控制器是整個架構的核心，進行集中的管理與控制，并提供網絡能力開放接口。一個SDN控制器可以對轉發平面多臺設備進行控制，轉發設備與控制器之間通過南向接口進行通信，轉發設備僅僅進行數據的處理與轉發。除了對下層轉發設備進行控制外，SDN控制器還提供了一系列的開放編程接口，提供給應用層對網絡的業務靈活加載及控制。應用程序（APP）提供通過控制器北向接口，實現網絡功能的定制與創新。

SDN商用部署明顯加快。預計2016年，SDN在云服務提供商和通信服務提供商數據中心的部署比例將從2015年的20%提高到60%，同時，SDN的企業采用率預計將從6%提升至23%。預計至2019年，應用于數據中心和企業局域網SDN領域的以太網交換機和控制器收入將達到122億美元，其中交換機占82億美元，SDN控制器占40億美元。

3 SDN實踐與創新

3.1 未來網絡整體架構

云時代基于“云”來構建全新的基礎網絡，突破傳統垂直分割、封閉網元的剛性結構，引入水平分層的網絡架構，重塑彈性開放、云網協同的一體化網絡。SDN/網絡功能虛擬化（NFV）為這個變革提供了技術支撐和前進動力。中興通訊創新性地提出了以“云”為中心的未來網絡ElasticNet2020，如圖1所示。總體思想是“一個中心，雙輪驅動，三層重構”。“一個中心”是指將以虛擬數據中心（VDC）為中心重新構建網絡，云將成為新網絡基礎設施的核心。“雙輪驅動”是指SDN、NFV兩種技術相互促進。“三層重構”是指網絡重構、業務重構和運營重構[2-3]。

SDN在ElasticNet中的位置在網絡重構中，目的是改造傳統電信網絡的基礎設施層，形成云網融合的新基礎設施。網絡重構后，云網融合的基礎設施重點使能基礎設施即服務（IaaS）云能力。以“云”為核心的網絡可以分為云接入、云內網、云互聯3個部分[4]。

云接入是指終端到云的網絡連接，其中包括寬帶接入網、移動回傳網等。5G BackHaul的SDN化已成為業界共識，用戶定制業務的隨選網絡也離不開SDN技術，它將使接入網變得更加靈活、按需接入、用戶可定制。

云內網對應數據中心網絡，在邊緣、區域、中心3級數據中心，云計算、SDN、NFV等得到了充分的應用。通過將計算、存儲、網絡進行全方位的虛擬化改造，在SDN控制器和NFV協調層的統一調度下，流量不再經L4～L7層設備中轉，避免了流量的迂回，大大降低了轉發時延，虛擬機業務的添加、刪除也變得異常靈活、快捷，網絡的自動化管理、敏捷性和資源利用效率都將大為提升。

云互聯對應傳統互聯網協議（IP）骨干網。隨著數據中心逐步成為網絡上的核心節點，骨干網的流量特點也發生了變化。數據中心分布式部署、虛擬機（VM）遷移等帶來的東西向流量對骨干網帶寬、時延、服務質量（QoS）等提出了更高要求。廣域網IP和光的技術融合也對聯合調度、路徑選擇提出了新的挑戰。基于集中控制、控制和轉發分離的SDN-廣域網（WAN）解決方案可以很好地解決上述問題。

隨著網絡的演進，將出現3類新興的云網關：首先，基于NFV的虛擬化網絡功能放置在數據中心，形成了業務增值網關。其次，進入數據中心的流量要有效地分配到每個VM上，以做到負載均衡、用戶功能定制等，因此產生了分流網關的設備形態。另外，為了幫助客戶獲得云時代更好的體驗，前端設備需要運用SDN和NFV最新技術，形成具有“智能”的微云網關。這3類云網關設備既有分工，又有協作，共同促進了網絡的轉變，用戶體驗的提升，如圖2所示。

中興通訊基于對SDN技術的深入理解，融合云計算和開放網絡的思想，在ElasticNet架構下，開展了多項創新實踐。

3.2 數據中心網絡

隨著云計算的興起，云數據中心成為未來電信網絡的核心節點，其承載各類NFV云化軟件及IT系統，實現信息通信技術（ICT）融合，同時也成為網絡的一個部分，實現了“云”和網絡資源的統一規劃部署和調度。云數據中心是ElasticNet架構應用的最典型場景，SDN/NFV技術在其中充分融合，目前已經開始商用部署。

SDN應用的優勢首先體現在實現海量用戶的支持。數據中心存在大量的租戶，需要網絡層唯一標識租戶，并實現租戶的安全隔離，保障用戶的獨立性和數據安全；同時，租戶租用了VDC服務，需要與其內部網絡組網，需具備自助管理功能。通過SDN的集中控制器，實現網絡虛擬化，結合虛擬可擴展局域網（VXLAN）技術等，可以很好地解決上述問題。

其次，使用SDN可以實現多路徑轉發與負載均衡。SDN控制器上有全局的網絡視圖、資源信息和利用率信息等，可以預設用戶策略、負載均衡策略，通過統一計算和流表下發控制轉發路徑，顯著提升了轉發效率。

另外，SDN可帶來網絡能力的開放。網絡虛擬化后，網絡資源可以作為一種基礎資源進行開放和增值，用戶可以編程來定制網絡，并可以與計算、存儲資源一起，形成完整的IaaS服務，增加收益，高效運維。當然，能實現網絡的自動管理、診斷，及綠色節能等優點[5]，也是SDN在數據中心應用得到業界廣泛認可的重要原因。

中興通訊VDC解決方案基于SDN的Overlay架構，在VXLAN隧道端點（VTEP）/網關（GW）之間建立VXLAN隧道，無需升級原有硬件交換機。Underlay網絡負責提供底層網絡連通性。Overlay網絡在不改變底層網絡的前提下實現多租戶、大二層、按需自動化部署、配置等網絡功能。SDN控制器負責控制基礎網絡，以實現網絡的自動化配置。VTEP點可以選擇在虛擬交換機（vSwitch）上或者架頂（TOR）交換機上。數據中心南北向流量和東西向流量在VXLAN網關統一分流，出數據中心的流量在網關處做VXLAN終結和網絡地址轉換（NAT）等。對于小型私有云，既可以采用服務器VM做網關，也可以采用交換機，以降低建網成本。對于大型私有云，推薦采用大型交換機做網關，單位成本流量最低。對于大型公有云，建議采用路由器形態的網關設備，支持和NAT、VPN的合一部署，大大提升了設備集成度，如圖3所示。

中興通訊實現了多項創新技術：支持分布式路由，同租戶跨子網的流量就近轉發；基于Intel數據面開發工具集（DPDK），實現了虛擬機出向的流量一次查表，零報文拷貝，可達到線速轉發；SDN控制器可以支持完善的分布式集群功能，支持數據切片；SDN控制器基于高性能消息機制，組件之間完全隔離、異步并發；TOR將OpenFlow流表映射為芯片流表，實現硬件級高性能流轉發；通過OpenStack的Ironic技術和控制器配合提供裸金屬服務器部署能力，實現虛擬化和非虛擬化環境統一管理。

3.3 廣域網

廣域網涉及多個網絡層次，不同的網絡層次和區域一般是獨立的，處于不同的控制管理域。傳統的廣域網是封閉的，從應用和業務的角度來看，網絡是一個黑盒子。使用SDN技術，通過北向接口實現網絡能力對上層應用開放，讓上層應用獲得其所需的網絡資源和服務，可以真正實現“網絡即服務”[6]。

廣域網SDN應用涉及多個場景。有移動BackHaul的基于IP的無線接入網（IPRAN）虛擬化和軟件定義的分組傳送網（SPTN），也有數據中心之間的互聯網絡（DCI），還有光傳輸的軟件定義OTN（SD-OTN）等。而最終，整個大網將統一為SDN化的IP和光協同的大網。

SDN IPRAN實現了IPRAN網絡的集中管理控制和接入虛擬化，海量的IPRAN接入設備被虛擬為匯聚設備的遠端板卡進行管理。其中，網絡拓撲的獲取、路徑的計算和選擇、業務通道的建立均由SDN控制器完成，無需在IPRAN設備上運行復雜的IP/無縫多協議標記交換協議（MPLS），降低了專業技術門檻。同時，IPRAN虛擬化支持端到端、多段拼接的L2虛擬專網（VPN）、L3VPN業務以及L2+L3的VPN業務。在管理方式上，可采用Web Portal，實現IPRAN接入層業務一鍵式部署，并提供擴縮環APP業務，可快速實現網絡的彈性調整。整個系統采用標準化的南北向接口，利于互通和擴展。隨著SDN技術的進一步發展，以IPRAN接入層為起點的技術逐漸被擴展延伸，增加了多層多域的概念，增加了對MPLS的管理，使其可以應用到IP/MPLS全網，實現全網的SDN化。

SPTN是將SDN網絡控制與分組傳送網（PTN）轉發面結合的技術，實現了集中化智能控制、網絡可編程與PTN高效多業務傳送能力。端到端操作維護管理和電信級高可靠性的結合，提升了PTN網絡的資源利用率和開放性，打破了垂直組網架構，實現了網絡智能、動態的重組，同時有利于跨域業務協同等。PTN網絡虛擬化后，可感知網絡和業務狀態，實現精細化網絡調優，打破網絡資源電商化銷售模式。控制器采用分層架構，域控制器D-Controller負責一個管理域內的業務分發，跨域控制器H-Controller負責跨域業務分發，如圖4所示。

隨著數據中心逐漸成為網絡流量的起點和終點，以及數據中心承載的業務類型增多，跨數據中心間流量交互（即東西向流量）快速增長。DCI骨干網為上述流量提供快速、自動、多樣化、差異化的承載服務，能夠實現基于租戶級別的流量調度和優化。目前DCI常用的是可以感知到租戶流量的松耦合方案：業務編排器支持租戶建立端到端的自定義網絡；租戶網絡在骨干網邊緣路由器和GW之間通過VXLAN標識隔離；在DCI邊緣設備上，支持VXLAN-虛擬VPN（EVPN）功能，并可以把租戶流量映射到IP/MPLS網絡，而對DCI核心設備無特殊要求。骨干網邊緣路由器上只需支持通過邊界網關協議傳遞域內鏈路狀態（BGP-LS）、路徑計算單元通信協議（PCEP）和基于XML的網絡配置協議（NetConf），就可以和SDN控制器協同實現骨干網的流量調度和優化。

SDN化光傳送網（SD-OTN）的控制器采用層次化的設計，具有全局網絡視圖、轉發狀態等信息，并將傳輸資源虛擬化后開放給上層應用。通過SDN改造，實現了組件可編程、節點可編程、網絡可編程，方便運營商業務開展和網絡調度等。

中興通訊在廣域網SDN上大膽創新，取得多項先進成果：實現了IP和光的統一控制，實現多個場景的統一部署；基于路徑計算單元（PCE）實現分組和光聯合調度，實現跨層業務自動配置，降低了路由器投資；支持多種南向接口；支持多域分層控制，通過H-Controller實現跨域的路徑計算、業務編排。

3.4 5G網絡切片

國際電信聯盟（ITU）確定了5G的3個主要應用場景：一是面向4K/8K超高清視頻、全息技術、增強現實/虛擬現實等應用，需要支持0.1～1 Gbit/s的用戶體驗速率，此場景下的主要需求是高帶寬；二是面向大規模機器通信、物聯網的海量傳感器接入，每平方公里將有一百萬的連接，此場景需要支持海量的并發連接；三是面向無人駕駛、遠程機器人控制、遠程醫療手術等實時應用領域，要求超低的端到端時延，通常不能超過幾毫秒，此場景的主要需求是高可靠、低延時。上述應用需要5G網絡以靈活的方式構建，形成5G網絡的中的“三朵云”。運營商則可以對速率、容量和覆蓋率等網絡性能指標進行靈活動態的調整和合理的部署，從而滿足不同應用的個性化需求。基于網絡切片的5G將使運營商服務于小眾定制化的需求成為可能[7]。

中興通訊采用SDN/NFV的平臺技術實現新型網絡架構，解決物聯網等多樣化場景的問題。新型“三朵云”5G網絡架構通過引入NFV和SDN等技術，將未來移動網絡的控制面與轉發面分離，將作為上層應用的網絡控制功能與底層網絡基礎設施分離，這是實現網絡切片的基礎。5G網絡將呈現“一個邏輯架構、多種組網架構”的形態，通過網絡切片，實現基于統一基礎網絡架構按需構建不同的邏輯網絡實例。

中興通訊的5G網絡切片方案采用統一控制平臺，支持有線和無線的統一編排和調度，支持分組與光深度融合，聯合調度，以適應5G高帶寬、低延時的要求。

3.5 云網融合的隨選網絡。

隨選網絡是SDN/NFV新的發展階段。針對最終用戶，隨選網絡可以讓用戶根據自身的需要進行靈活定制，可快速提供專線服務，可靈活調整業務套餐，更可按需增加相應的網絡功能服務等，如圖5所示。針對運營商，隨選網絡重構了運營商大量的基礎設施及系統，如業務運營支撐系統（BOSS）、業務編排、網絡控制、基礎網絡資源等，可更加有效地利用閑置資源。同時，隨選網絡也重構了運營商的業務提供模式，實現從運營商定義業務到用戶自定義業務轉變。

相比一般只重視連接隨選的思路，中興通訊創新性地把應用隨選和連接隨選放到同等重要的地位。利用SDN最新技術實現了點到點、點到互聯網、點到數據中心三類專線服務。通過SDN的調度，可以實現站點、帶寬、服務質量（QoS）的端到端保證，以實現用戶定制網絡。 同時，通過NFV技術最新，構建微型虛擬化環境，基于此環境，用戶可以定制NAT、防火墻、WAN加速等業務，提升應用體驗。上層通過業務編排層和SDN控制器實現業務和網絡的自動化部署，快速提升用戶感知。

在具體的演進過程中，可以結合城域網的中心機房（CO）重構，實現應用的協同。企業個體的應用，可以放在微云系統中，多企業可共享的大型的應用可放在云端。兩者有機的配合可極大地提升用戶的體驗。

中興通訊獨有的微云一體機產品具有分布式智能，這些分布式智能是隨選網絡的必備功能。微云一體機和可作為企業級客戶終端設備（CPE）設備，除了具有高性能轉發的特點以外，支持本地虛擬化，支持云平臺統一管理，可配合云平臺和SDN控制器實現本地的防火墻、NAT和WAN加速等。

4 結束語

SDN作為一種新的網絡技術與架構，其核心價值已經得到了學術界和工業界的廣泛認可。中興通訊在SDN應用方面做了大量的實踐和創新，總體來看，SDN技術還在不斷演進[8]，以下幾點值得重點關注。

（1）基于SDN和NFV融合的E2E業務鏈技術，成為電信網絡全面開放化，業務部署敏捷化的殺手锏。

（2）建立包含運營商、電信設備商、互聯網公司、IT廠商、軟件開發商、芯片和器件廠商在內的新型ICT產業鏈。

（3）開源平臺也帶來了一些全新的商業模式。OpenDayLight、ONOS等開源平臺的崛起將重新定義設備廠商的角色，產生新的機遇和商業模式。

（4）新型路由優化技術（如BIER、分段路由等）幫助路由器向SDN的方式遷移。

2016年軟件定義網絡將仍然保持快速發展的態勢，網絡運營商、設備制造商等對SDN的探索與應用不會停止，隨著越來越多的產業相關方參與到SDN的發展中，將會帶來整個SDN市場的繁榮。

參考文獻

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[5] 李晨， 段曉東， 陳煒， 等. SDN和NFV的思考與實踐[J]. 電信科學， 2014， 30（8）： 23-27

[6] 沈瀅， 李文宇， 張俊霞， 等. SDN/NFV專利態勢與技術發展趨勢[J]. 信息通信技術， 2016， 10（1）： 17-21

[7] 中興通訊股份有限公司. 5G技術白皮書[R/OL]. （2016-04-22） [2016-07-10] http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/424379

[8] 韋樂平. SDN的戰略性思考[J]. 電信科學， 2015， 31（1）： 1-6