SDN發展趨勢

劉韻潔+黃韜+張嬌

摘要：軟件定義網絡（SDN）受到全球范圍的廣泛關注與重視，正在給當前網絡領域帶來一場巨大的變革。SDN能夠極大地提升現有網絡的可控可管性和靈活性，有效降低網絡服務提供者的投資成本（CAPEX）和運營成本（OPEX）。SDN正朝著更加開放、更加智能、更大規模的方向演進，將更好地支撐未來網絡的發展。此外，隨著SDN技術和應用的快速發展，對相關人才的需求也將成為一個必須解決的重要問題。

關鍵詞： SDN；開放；智能；未來網絡

1 傳統網絡向SDN演進

從20世紀分組網絡誕生到現在，經過40多年的高速發展，互聯網已經從一個提供簡單文本傳輸的科研型網絡演變成為一個涵蓋語音、視頻、數據處理等多種業務的商業網絡。互聯網提供的電子商務、電子支付、高清視頻等業務也已經成為我們日常生活、商業運行和社會發展中不可或缺的組成部分。隨著互聯網應用的不斷豐富與發展，互聯網面臨的挑戰也在逐漸升級。

一方面，當前以互聯網協議（IP）為細腰的互聯網體系架構越來越難以滿足業務發展的需求。首先，微信、優酷等新業務不斷涌現，由于傳統網絡架構不靈活，這些業務的服務質量難以保證，無法為用戶提供差異化服務能力，同時，運營商僅僅提供服務通道，沒有回報，長此以往，產業價值鏈難以為繼。其次，全球移動數據流量飆升，互聯網總流量也逐年遞增，現有網絡無法避免對網絡流量中重復內容的傳輸，難以適應海量流量的增長。最后，互聯網+、中國制造2025、工業4.0等需要互聯網與實體經濟進行融合，而當前互聯網并不能滿足實體工業所需要的低延時、安全性以及服務分級等需求。

另一方面，現有網絡也難以支持變革式的創新。首先，在當前僵化的互聯網架構下，新的網絡功能只能采用“打補丁”的方式進行部署，隨著越來越多新的協議需求被提出，網絡節點變得非常臃腫，設備難以擴展。其次，現有網絡的基礎設施被多個管理者擁有和管控，基礎網絡很難開放來承擔創新型協議部署的風險。因此，新的協議和架構難以在實際網絡中部署驗證。

總體來說，我們既需要設計新型網絡體系架構來滿足當前不斷豐富的業務需求，同時也需要網絡具有對新協議、新技術快速部署的能力，滿足未來不可知的業務需求。經過多年來學術界和工業界的積極探索，軟件定義網絡（SDN）技術應運而生。

SDN的思想來源于美國斯坦福大學Clean Slate研究組提出的一種新型網絡創新架構Ethane項目，該項目提出了一個新型的企業網絡架構，簡化了管理模型。隨后，OpenFlow協議又被提出來進一步簡化Ethane項目中的交換機設計[1]。隨著OpenFlow技術的推廣，SDN的概念逐漸浮現，并引起了全球學術界和產業界的高度關注。SDN將控制功能從交換機中剝離出來，形成了一個統一的、集中式的控制平面，而交換機只具有簡單的轉發功能，從而形成了轉發平面。通過控制平面對數據平面的集中化控制，SDN為網絡提供了開放的編程接口，并實現了靈活的可編程能力。正是這種集中式控制和數據控制分離（解耦）的特點使SDN具有了強大的可編程能力，這種強大的可編程性使網絡能夠真正地被軟件所定義，達到按需定制服務，簡化網絡運維，靈活管理調度的目標。

2 SDN技術發展趨勢

SDN作為一種新的網絡技術與架構，其核心價值已經得到了業界的廣泛認可。越來越多的研究者正在關注SDN技術的未來發展與應用落地，數據平面、控制平面以及業務編排平面等相關技術熱點正在得到業界持續關注。

（1）更加開放靈活的數據平面

經過多年的發展，OpenFlow目前已成為SDN的主流南向接口協議之一，迄今已經更新到OpenFlow v1.5[2]，而且協議仍在不斷地演進當中。然而，對于OpenFlow協議中規定的多級流表，許多硬件廠商受到自己設備原始設計的限制，很難提供足夠的支持，目前普遍支持的只有能力受限的兩級流表。

OpenFlow協議在實際應用過程中依然受到了基于流水架構的轉發芯片的制約，沒有完全開放網絡的可編程能力。目前主流的SDN轉發設備處于被動演進的模式，協議版本間互相隔離，導致數據層面交換機和控制層面控制器對于新的版本要做重新的定制和改動，可擴展性和靈活性大打折扣。為此，近幾年業界提出了一些新的標準和技術體系，例如斯坦福主導的可編程協議無關包處理器（P4）[3]協議等。它們突破了傳統數據平面處理架構的約束，使開發人員能夠靈活地定義各種協議報文的格式，并能夠在控制平面通過編程完全控制數據平面設備處理數據包。

在可預見的將來，網絡數據平面之上很可能誕生一種被市場廣泛認可的高級編程語言，通過編譯技術適配不同的數據平面硬件。這種高級編程語言將極大地降低網絡設備開發門檻，繁榮網絡應用開發市場。

（2）更高性能的開源網絡硬件

軟件開源化使軟件產業得到了快速發展，硬件的開源化也成為了網絡硬件發展的新趨勢之一，谷歌、Facebook、英特爾等公司紛紛加入硬件開源的陣營。自2004年到2012年，谷歌數據中心通過定制開源硬件以及可擴展性極強的網絡架構對其交換和處理能力進行橫向疊加，在性能、功耗、成本上取得了最佳折衷。Facebook于2011年發起了開源計算項目（OCP）[4]來重新設計數據中心開源交換機。英特爾公司推出基于軟件的高速數據平面DPDK[5]，可在通用處理器上達到100 Gbit/s吞吐率，逐漸接近傳統專用硬件設備的轉發速率。思科公司2016年開源了高性能數據平面產品fd.io[6]，提出了數據平面通用加速架構，得到了工業界的廣泛關注。

伴隨著數據平面硬件的開源浪潮，網絡硬件設備的設計、生產和維護成本將大幅下降，高速網絡硬件的技術壁壘逐漸被打破，網絡基礎設施的利潤空間將向上游的控制軟件和網絡應用轉移。未來專用硬件的應用場景將逐步減少，而基于通用硬件和開源硬件的性能優化將成為一個重要方向。

（3）更加智能的網絡操作系統

網絡操作系統增加了精細化管控能力、彈性管控方式和統一的資源調度機制，成為了一種能夠實現網絡資源高效管控，按需提供網絡服務能力的網絡開放核心平臺。從全球范圍看，網絡操作系統成為了未來重要的發展趨勢，逐漸形成了兩大陣營。2013年4月，思科聯合IBM等多家通信和IT巨頭，啟動OpenDaylight[7]開源項目，旨在打造開源網絡操作系統，屏蔽網絡各種硬件設備和南向協議的差異，使SDN開發人員在編寫網絡應用程序時能夠更專注于網絡業務本身。在OpenDaylight項目啟動不久，ON.Lab于2014年12月推出了開源SDN操作系統—開放網絡操作系統（ONOS）[8]。ONOS聚焦于如何用控制器來高效的控制運營商級的網絡，打造一款高可用、可擴展、高性能、完全開源的控制器，其設計理念是能在任何硬件（包括白牌機）上靈活地創建服務并且大規模地部署，滿足運營商級網絡部署的需要，它受到了AT&T等的大力支持，并已完成了平臺開發，價值應用發布和概念性部署。

未來的網絡操作系統將面向更廣闊的各專業網絡，具有不同的形態和控制機制，網絡操作系統將逐步通過層級化等方式形成統一的控制體系，各層次的網絡操作系統間通過高效的層間接口進行交互。此外，未來的網絡操作系統將會更加智能，將逐步融合大數據分析、神經網絡、機器學習等技術，逐步增加網絡自學習、自恢復、自愈合的能力，人工智能與操作系統的深度融合正在加速前行。

（4）網絡設備的功能虛擬化

由于現有業務與設備耦合過于緊密，每增加一個新的業務就需要增加相應的網元，所以在SDN中引入基于網絡功能虛擬化（NFV）[9]的虛擬化網元成為了網絡的重要發展趨勢。通過NFV技術，網絡中的網元將會被虛擬化，從而做到集中、云化的部署和管理。

目前，Linux基金會已經發起成立了OPNFV[10]項目，旨在加快NFV相關的新產品和新服務的產業化。現在已經有一些基于NFV技術的應用案例得到業界的普遍認可，也有了市場驅動力，主要包括虛擬無線接入網、移動核心網和網絡邊緣虛擬化等。諸如阿爾卡特朗訊于2014年發布了虛擬化的移動網絡功能應用產品組合，同時與英特爾及西班牙電信開展合作推出了CloudBand NFV平臺。NTT公司于2014年發布了基于NFV的云服務產品，該產品能夠提供防火墻、應用加速等多項功能。

NFV作為新興技術，目前還存在諸多挑戰和較大的提升空間，例如高效的虛擬化網絡功能資源分配、快速部署和遷移等問題。此外，基于軟件的系統可靠性也正在成為NFV面臨的重要挑戰之一，不同于傳統硬件設備的可靠性解決思路，NFV需要引入一些計算機軟件可靠性設計的方法來提升整體系統的穩定性等。

（5）高度自動化的業務編排

隨著數據平面的開放和底層設備的虛擬化，數據平面和底層資源都向上開放了可操作的接口，給網絡帶來了靈活的業務編排能力。業務編排主要目的是根據業務的需求，持續編排部署網絡中的資源，使其以最優化的方式運行。其中，網絡資源可以理解為網絡中的各類軟硬件資源，如鏈路資源、存儲資源、虛擬網絡功能資源等，持續可以理解為隨著網絡環境和業務需求的變化，業務編排需要根據底層的反饋信息，不斷地優化網絡資源的部署。

業務編排技術帶來的業務靈活性和自動化管理能力，能大幅減少運營商的運營成本（OPEX），一直是運營商所關注的焦點。AT&T在2016年3月宣布了其SDN/NFV統一編排平臺ECOMP[11]，并在同年7月宣布與Linux基金會合作，將其全部代碼開源并托管在Linux基金會下，旨在推動SDN/NFV技術的發展。在AT&T宣布其ECOMP的同一時間段，中國移動攜手Linux基金會等舉辦了Open-O[12]的新聞發布會，發起了全球首個統一的SDN和NFV開源協同器的項目倡議，并計劃在2016年底針對虛擬用戶終端設備（vCPE）場景推出第一個代碼版本。

網絡業務編排系統靈活和高度自動化的特點在技術實現上也帶來了許多的難題，例如網絡服務的自動化設計和軟硬件資源如何去分配部署，底層環境中實時數據的收集和分析，根據反饋的數據對邏輯和物理資源生命周期的自動化管理以及端到端一體化業務編排等眾多方面需要去不斷完善。

3 SDN產業發展趨勢

學術界、產業界和標準化組織全面推進SDN，深刻改變了現有的網絡生態圈，從傳統網絡架構到SDN的轉型成為了新的市場增長點。以谷歌、騰訊、百度等為代表的互聯網公司和以AT&T、英國電信、德國電信、中國移動、中國電信、中國聯通為代表的網絡運營商加速向基于SDN/NFV的網絡架構轉型。

（1）數據中心場景下的創新應用

隨著互聯網的高速發展，互聯網內容提供商提供的應用也越來越豐富，支撐這些業務的數據中心規模急速增長。當前，谷歌、微軟等互聯網公司的數據中心都達到了上萬臺物理服務器的量級。在此形勢下，傳統數據中心網絡架構已經難以支撐企業、市場發展的需求。因此，在數據中心內部使用SDN實現高擴展性，提高網絡資源利用率，支持虛擬化、多業務、多租戶成為了新的發展趨勢。

從2010年開始，谷歌在部署B4[13]時選擇了SDN技術架構以及OpenFlow南向協議交換機，并同時支持基礎路由協議和動態流量工程功能。2014年4月，谷歌宣布推出基于SDN和NFV技術的Andromeda虛擬化平臺，用于提供、配置和管理虛擬網絡以及網絡中數據包處理的業務流程點。2014年6月，Facebook公布了新的開源網絡交換技術，包括典型的交換機Wedge及基于Linux的網絡操作系統FBOSS。

在中國，騰訊公司針對運營中遇到的問題，在其廣域網中部署了基于SDN的廣域網流量調度方案。該解決方案中，分布式的控制層上移成為了集中式的控制系統。集中控制系統基于全局路由算法、全局路徑統一計算、資源合理調度，并實現鏈路自動調整，節省了帶寬租用費用。此外，百度、阿里巴巴等也都在其數據中心中創新性地使用了SDN技術。

（2）針對運營商網絡場景的創新應用

隨著SDN在數據中心的成功應用，越來越多的電信運營商開始全力擁抱SDN/NFV，新一代的基于軟件化的運營商網絡也成了新的趨勢。SDN已經在移動核心網、移動回傳網、數據中心中進行了小規模的部署和驗證，眾多運營商也陸續發布了一系列的愿景和計劃。

其中，美國運營商AT&T提出的Domain2.0[14]計劃邁出了運營商網絡軟件化轉型的第一步。該計劃預計2016年將進入加速推動軟件化的高速通道，到2020年網絡75%的功能完全由軟件構成。到目前為止，AT&T已經發布了一個基于SDN的產品服務，這個服務使用戶可以自己來添加或改變網絡服務類型。

中國運營商也在軟件化網絡和數據中心云化方面進行了積極的努力與探索。例如，中國聯通在2015年9月發布了新一代網絡架構CUBE-Net 2.0白皮書[15]，將基于SDN、云和超寬帶技術實現網絡重構，從3個維度來詮釋構建以數據中心為核心的網絡。中國移動則在2015年正式推出下一代革新網絡NovoNet，旨在通過融合新的技術手段，構建可全局按需調度資源，網絡能力完全開放的新一代網絡。

（3）實現產業界大規模商用部署

隨著SDN技術的不斷成熟和小規模成功部署，SDN實現大規模商用部署已經成為了未來網絡的發展趨勢。調研公司IHS最新的調查報告顯示，預計從2016年開始，SDN的部署將呈現飆升的趨勢。SDN在云服務提供商和通信服務提供商的數據中心中的部署比例將從2015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。此外，根據Technavio公司的市場調研分析預測，到2020年全球軟件定義一切（SDX）市場年復合增長率將超過32%，向虛擬化的轉化是市場增長的主要驅動力。近來，越來越多的企業采用SDX，它可以提供精簡的業務模型，從而達到以最少成本實現自動化控制的目的。

4 SDN發展的思考

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。但是它在實際應用中仍然面臨諸多挑戰，對于其未來的發展也還存在不同的觀點，有的人認為SDN只能停留在少數大型企業的專有骨干或數據中心網絡中，或是成為運營商網絡的一個附屬功能，當然也有人認為SDN技術必將掀起一場網絡技術的革命。但不管SDN最終怎樣，當前的發展趨勢表明SDN將在運營商網絡轉型，產業互聯網應用等方面發揮重要作用。

（1）在電信運營商網絡轉型方面：隨著SDN技術的不斷成熟和小規模試驗驗證，未來網絡將嘗試開始在運營商網絡（對移動核心網、移動回傳網、超大規模數據中心、骨干網等場景）中展開大規模商用部署，運營商網絡將融合SDN/NFV等新的技術手段，通過網絡編排與管理系統對具體場景需求進行網絡功能剪裁和按需組網部署，滿足不同場景對帶寬、時延、服務質量等差異化要求，從而構建可全局按需調度資源，網絡能力完全開放的新一代網絡。

（2）在產業互聯網應用方面：產業互聯網，也就是互聯網與實體經濟的深度融合，將是互聯網應用的下一個藍海，具有萬億級的市場規模。SDN對網絡設備的集中式管控能力將有助于網絡資源的按需分配和網絡流量的精確引導，從而能夠應對產業互聯網（工業互聯網、車聯網等）對網絡帶寬和時延嚴苛的需求。

當然，隨著SDN技術和應用的快速發展，未來還面臨的一個重要問題就是人才問題，未來產業界的發展將需要一大批既精通網絡技術，又具備軟件開發能力的復合型人才，甚至需要既懂SDN，又懂得人工智能、機器學習等前沿技術的人才。

5 結束語

SDN技術最核心的使命就是加快網絡創新，推動網絡架構從注重標準向注重實現轉型，進而打破設備的封閉性，降低網絡研究開發的門檻，使得整個網絡更加開放，最終繁榮整個網絡應用市場。我們相信，隨著SDN技術的不斷成熟，SDX時代的到來，未來必將會在整個產業界掀起一場革命，也必將給中國打造自主、可控、安全的新型網絡提供一個重要的歷史機遇。

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