“互聯(lián)網(wǎng)+”時代未來網(wǎng)絡架構的發(fā)展與應用

文／祁琳青 陸以勤

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代未來網(wǎng)絡架構的發(fā)展與應用

文／祁琳青 陸以勤

“互聯(lián)網(wǎng)+”業(yè)務的發(fā)展，對網(wǎng)絡的基礎設施提出了更高的要求。互聯(lián)網(wǎng)誕生的網(wǎng)絡體系主要特點是設備之間的“互聯(lián)”，是一種對等式的通信方式，沒有主從概念，也沒有全網(wǎng)調控的概念，但隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與實體經(jīng)濟結合，業(yè)務運行大大超越了其誕生年代的背景，傳統(tǒng)的架構不能適應業(yè)務的發(fā)展，成為互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展的瓶頸。鑒于目前的網(wǎng)絡架構已不適合互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展，一種根據(jù)業(yè)務需求可動態(tài)彈性分配資源、根據(jù)網(wǎng)絡運行和安全狀態(tài)快速更新策略、并向第三方開放的新網(wǎng)絡體系結構在近兩三年得到快速的發(fā)展，如同云架構改變了計算資源和存儲資源的建設、運行和業(yè)務模式一樣，這種新型的網(wǎng)絡體系結構也將對網(wǎng)絡的建設、運維和業(yè)務提供模式帶來革命性影響，這種新型的網(wǎng)絡體系結構稱為未來網(wǎng)絡架構。

未來網(wǎng)絡架構有多種，一般目前普遍被業(yè)界認可的有軟件定義網(wǎng)絡（software defined network，SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（network function virtualization, NFV)。兩者是相輔相成的，SDN 側重于網(wǎng)絡架構的定義，而NFV 則注重對網(wǎng)絡設備結構的定義，兩者結合起來可以將網(wǎng)絡業(yè)務從特定的硬件緊耦合關系中分離開來，因此，也有人把SDN和NFV合并為SDNFV，例如一年一度的“全球SDN技術大會”在2016年改稱“全球SDNFV技術大會”。

經(jīng)過十年的發(fā)展，未來網(wǎng)絡架構開始進入了商用部署時期，國內外幾乎所有的主流網(wǎng)絡設備生產商都有SDN的產品，芯片生產商、網(wǎng)絡運營商、云計算服務商、互聯(lián)網(wǎng)應用企業(yè)等都在進行SDN和NFV的研究、試驗和部署，據(jù)Infonetics的調研報告顯示，到2018年全球運營商SDN/ NFV市場規(guī)模將達到110億美元。近兩三年越來越多的跡象表明，未來網(wǎng)絡正在走向現(xiàn)實，并且將會成為互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的關鍵技術，對互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)產生革命性的影響。

2014年8月，第一屆全國高校SDN應用創(chuàng)新開發(fā)大賽在華南理工大學舉行

未來網(wǎng)絡的發(fā)展

為了解決互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)架構的資源分配彈性差、感知度顆粒度低、缺乏集中控制等問題，計算機網(wǎng)絡專家一直在研究新的網(wǎng)絡架構。

2005年，CMU(卡內基梅隆大學) Albert Greenberg等 在CCR期刊發(fā)表的論文 《A Clean slate 4D approach to network control and management》中提出：網(wǎng)絡的關鍵是協(xié)同，這是控制和管理平面的事，重新構建網(wǎng)絡的機遇和重點在控制平面。十年后的2015 年，ACM SIGCOMM把 Test of Time Paper Award 頒給了這篇文章，理由是：This paper led to a resurgence of interest in the topic of separated data and control planes to better manage networks that developed into Software Defined。

2007年開始，斯坦福大學研究生Martin Casado 聯(lián)合Nick McKeown、Scott Shenker等人共同創(chuàng)建了一個網(wǎng)絡虛擬化技術創(chuàng)新的公司——Nicira，并最早提出了SDN的概念。2011年Google、Facebook、Yahoo等成立了開放網(wǎng)絡基金會（ONF），負責制定OpenFlow的規(guī)范。2013年4月，Cisco和IBM發(fā)起成立了OpenDaylight計劃，其范圍包括一個SDN控制器，北向和南向API(包括OpenFlow)專有擴展，東西向協(xié)議用于控制器之間的互通。

2011年11月11日，南京市政府聯(lián)合北京郵電大學、中科院計算所、清華大學共同成立中國（南京）未來網(wǎng)絡產業(yè)創(chuàng)新中心，并于2012年5月正式運營。2013年9月，中心升級更名為江蘇省未來網(wǎng)絡創(chuàng)新研究院。

2012年10月AT&T、BT和中國移動等13家運營商聯(lián)合發(fā)起了網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）ETSI組織NFV-ISG。

2014年首屆、2015年第二屆全國高校SDN應用創(chuàng)新開發(fā)大賽在華南理工大學舉辦，吸引了來自美國Internet2以及包括耶魯大學教授在內的SDN領域的國際會議主席或委員等專家參加，自主開發(fā)的SDN平臺被指定為比賽的測試和演示平臺，并與2014 中國未來網(wǎng)絡產業(yè)高峰論壇提出的基于SCNSDN架構的未來網(wǎng)絡試驗網(wǎng)連接，兩年來在全國舉辦了近20場關于SDN比賽的研討培訓會，為各高校培養(yǎng)了未來網(wǎng)絡領域大批急缺人才。華南理工大學自主開發(fā)的SDN試驗平臺如圖1所示。

圖1 華南理工大學自主開發(fā)的SDN試驗平臺

未來網(wǎng)絡從基礎架構上突破互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展瓶頸

SDN是一個新的網(wǎng)絡結構，通過將傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備緊耦合的架構分解為應用、控制、轉發(fā)獨立的三層，并實現(xiàn)可編程控制。傳統(tǒng)網(wǎng)絡每個路由或者交換設備都是一個控制和數(shù)據(jù)的合體，數(shù)據(jù)包由分布式設備自行決定操作方式，最后通過各個設備的合作達到目的。在SDN 網(wǎng)絡架構中，控制層和數(shù)據(jù)層分離，數(shù)據(jù)層設備只管數(shù)據(jù)的轉發(fā)操作，控制功能被集中轉移到稱為控制器的服務器，高層的應用、底層的轉發(fā)設備被抽象為多個邏輯實體。控制器負責收集全網(wǎng)信息，進行決策，并向數(shù)據(jù)層設備下發(fā)策略，每個數(shù)據(jù)層設備按照這些策略對不同數(shù)據(jù)包執(zhí)行操作，未來網(wǎng)絡架構如圖2所示。

為了便于第三方通過編程方式對網(wǎng)絡資源進行動態(tài)分配，需要對網(wǎng)絡進行抽象以屏蔽底層復雜度，為上層提供簡單的、標準化的、高效的網(wǎng)絡資源邏輯或者虛擬實體：第一，使第三方編程可以獨立于復雜的物理網(wǎng)絡結構；第二，提高網(wǎng)絡資源在整網(wǎng)角度的利用率；第三，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的快速和動態(tài)部署，提高網(wǎng)絡的彈性，降低網(wǎng)絡調度的顆粒度。因此，在未來網(wǎng)絡架構中，采用類似于云架構將計算和存儲資源虛擬化的方式，應用NFV技術實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的虛擬化。

由此可見，未來網(wǎng)絡架構增強了網(wǎng)絡的可控性，降低了網(wǎng)絡資源管理的顆粒度，增強了網(wǎng)絡的彈性，提高了網(wǎng)絡資源的利用率，第三方可以根據(jù)不同業(yè)務需求對網(wǎng)絡資源進行動態(tài)和實時的調配，網(wǎng)絡資源實現(xiàn)了虛擬化和切片化（類似于虛擬專用網(wǎng)），總的來說，這種架構讓客戶擁有更多的控制能力,繼承了互聯(lián)網(wǎng)開放創(chuàng)新的基因，可望突破互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展瓶頸。

SDNFV的典型應用

SDN和NFV作為未來網(wǎng)絡新的架構，符合互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)（包括通信產業(yè)）的需求，繼承了互聯(lián)網(wǎng)開放創(chuàng)新的基因，具有巨大的商業(yè)應用潛力。實際上，語音通信網(wǎng)絡架構由程控交換向智能網(wǎng)、NGN(下一代網(wǎng)絡）、IMS的演變過程，就是逐步實現(xiàn)這種將業(yè)務、控制、承載分離的網(wǎng)絡架構的過程。未來網(wǎng)絡在短短幾年內得到快速發(fā)展，已從未來快步走向現(xiàn)實，下面簡述未來網(wǎng)絡目前成功的或可以預見的應用。

1. 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡具有高度密集、動態(tài)性強、帶寬要求高等特點，目前，數(shù)據(jù)中心的流量模型也發(fā)生了變化，大部分網(wǎng)絡流量由南北向轉移為東西向。由于云計算、大數(shù)據(jù)等新IT應用已經(jīng)成為信息化發(fā)展的趨勢，為了滿足快速部署、動態(tài)遷移等業(yè)務擴展需求，需要數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構快速適配虛擬機的擴展以及業(yè)務的快速變更。另外，數(shù)據(jù)中心采用在多鏈路互聯(lián)，當其中一鏈路出線擁塞時，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡不能快速感知和自動調整流量的分配策略，導致鏈路的利用率不高。通過SDNFV網(wǎng)絡架構，并結合Overlay等網(wǎng)絡技術，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡向網(wǎng)絡虛擬化的深度延伸，從而構建新架構下的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，通過集中控制的方案簡化網(wǎng)絡架構、簡化運維、實現(xiàn)對網(wǎng)絡、對應用的感知，最終實現(xiàn)面向應用的網(wǎng)絡自動化運維。

2013年8月谷歌在SIGCOMM會議發(fā)表論文《Experience with a Globally-Deployed Software Defined WAN》中，提出利用SDN技術解決數(shù)據(jù)中心之間流量問題的方案，即谷歌數(shù)據(jù)中心的B4網(wǎng)絡，通過SDN將鏈路使用率從平均30%提升至接近95% ，被視為迄今為止最成功的SDN案例，獲得了SIGCOMM 2013的最佳論文獎。

圖2 未來網(wǎng)絡架構

目前，我國運營商新建的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡方案中，均采用未來網(wǎng)絡的架構。

2. 云平臺

云平臺需要支持超大規(guī)模用戶群、多租戶、動態(tài)工作負載和虛機遷移等，采用SDN開放的架構，利用NFV對網(wǎng)絡資源進行虛擬化，用戶自助開通數(shù)據(jù)中心內虛擬網(wǎng)絡，網(wǎng)絡資源像申請?zhí)摍C和存儲一樣容易，可以極大減少硬件投入和運維成本。

2015年中國移動公眾服務云商用部署SDN解決方案，提供虛擬私有云（VPC）服務及業(yè)務鏈。中國聯(lián)通基于自主研發(fā)云平臺——沃云平臺，積極開展VPC、控制器及業(yè)務鏈管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)、基于沃云的網(wǎng)絡功能虛擬化和虛擬網(wǎng)絡加速、虛擬企業(yè)用戶駐地設備(vCPE)等研發(fā)和試驗工作。例如中國聯(lián)通基于SDN的虛擬私有網(wǎng)絡VPC，基于虛擬化網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心物理網(wǎng)絡與租戶虛擬網(wǎng)絡的解耦，租戶間的網(wǎng)絡相互隔離、設置不相沖突，租戶在自己的虛擬網(wǎng)絡內，可自主進行網(wǎng)絡和計算資源的規(guī)劃和使用。中國電信提出基于OpenStack研發(fā)面向混合云的SDN解決方案，開展云網(wǎng)協(xié)同實踐，實現(xiàn)IDC網(wǎng)絡自動化部署，同時建設IDC承載專網(wǎng)，推進互聯(lián)網(wǎng)化轉型，以IDC為中心組網(wǎng)，一期將全國最大的15個IDC互聯(lián)。中國電信與2014年完成全球首個虛擬企業(yè)用戶駐地設備vCPE現(xiàn)網(wǎng)試驗。

3. 全網(wǎng)運行狀態(tài)和安全狀態(tài)監(jiān)控

利用未來網(wǎng)絡架構實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結構和流量可視化，實時感知網(wǎng)絡流量變化，并進行擁塞鏈路判斷。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控設備和安全設備一般放于網(wǎng)絡的邊界，網(wǎng)絡狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集顆粒度較粗，不能感知網(wǎng)絡內部運行和安全狀態(tài)，而未來網(wǎng)絡可采用分布式的流量樣本信息采集方法，實時獲取可定義的高細粒度流量統(tǒng)計信息，從網(wǎng)絡全局的角度監(jiān)控網(wǎng)絡流量。同時，通過SDN控制器可以靈活進行流量復制、流量過濾和流量匯集，結合DPI和IPS現(xiàn)有各種網(wǎng)絡應用分析工具提高網(wǎng)絡安全和監(jiān)控管理水平。

4. 廣域網(wǎng)優(yōu)化

利用未來網(wǎng)絡架構全網(wǎng)運行狀態(tài)和安全狀態(tài)監(jiān)控，進一步通過智能計算調整流量轉發(fā)路徑、優(yōu)化網(wǎng)絡利用率，全局集中調度流量，實現(xiàn)局部或者全網(wǎng)流量調優(yōu)，提升IP網(wǎng)絡帶寬利用率，保證關鍵業(yè)務質量。

實際上，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)也屬于廣域網(wǎng)優(yōu)化的例子。除了Google和中國運營商的應用案例外，很多企業(yè)如F5、Radware和Citrix NetScaler也提出了解決方案。

5. 網(wǎng)絡空間安全新架構

利用未來網(wǎng)絡架構可以增加安全檢測的感知能力以及防御的協(xié)同性，SDN集中控制的方式可以使網(wǎng)絡內部流量數(shù)據(jù)采集的顆粒度變細，使安全數(shù)據(jù)分析的相關度增加，提高檢測算法的有效性，網(wǎng)絡功能虛擬化使安全防御的體系可以深入網(wǎng)絡虛擬空間內部，利用集中控制的架構形成全網(wǎng)協(xié)同防御的機制。

6. 第五代移動網(wǎng)絡（5G）

5G 移動通信系統(tǒng)是對現(xiàn)有通信技術的融合及演進，國內外很多相關組織出于戰(zhàn)略考慮，已開展了關于5G 的研究，如我國的IMT-2020推進組、歐盟的5G PPP(5G Public-Private Partnership)等。

由于移動網(wǎng)絡采用NGN和IMS的架構，在2G向3G過渡時已逐步實現(xiàn)控制和承載的分離，但到了4G階段還沒有對網(wǎng)元進行虛擬化。國內外學者普遍認為，在未來的5G移動網(wǎng)絡架構中，將采用類似于SDN的應用、控制和轉發(fā)分離的架構，采用NFV技術將網(wǎng)絡設備部件化、標準化、虛擬化，并通過集中控制實現(xiàn)全網(wǎng)資源動態(tài)調整，向應用層開放標準的編程接口。5G 移動通信網(wǎng)絡為了更好滿足用戶的業(yè)務需要，提升移動網(wǎng)絡的傳輸效率，根據(jù)實際業(yè)務需要對虛擬化的網(wǎng)絡功能部件進行編排、靈活組合、彈性調配、故障隔離等。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，互聯(lián)網(wǎng)與實體經(jīng)濟的結合，互聯(lián)網(wǎng)承載的業(yè)務種類和數(shù)量快速增長，對互聯(lián)網(wǎng)的基礎設施提出了新的要求，原有的網(wǎng)絡架構已不能適應互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的新的發(fā)展，以SDN和NFV為主流的未來網(wǎng)絡架構繼承了互聯(lián)網(wǎng)開放、創(chuàng)新的基因，適合了產業(yè)發(fā)展需求，不僅具有巨大的產業(yè)潛力和前景，也為我國掌握互聯(lián)網(wǎng)核心技術，在網(wǎng)絡空間爭取話語權提供了機會，得到了政府、學術界和產業(yè)界的高度關注，正如中國工程院院士劉韻潔在2016年全球SDNFV技術大會上強調的那樣，互聯(lián)網(wǎng)面臨嚴重挑戰(zhàn)，互聯(lián)網(wǎng)與實體經(jīng)濟深度融合是發(fā)展必然趨勢，未來網(wǎng)絡迎來發(fā)展機遇，成為全球的競爭熱點。未來網(wǎng)絡近兩三年得到了快速發(fā)展，越來越多的跡象表明，它已從未來走向現(xiàn)實，我國的科研人員、技術人員應緊跟互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的步伐，在未來網(wǎng)絡領域占有一席之地，為實現(xiàn)網(wǎng)絡強國做好戰(zhàn)略和戰(zhàn)術部署。

（作者單位為華南理工大學信息網(wǎng)絡工程研究中心）