淺談SDN網絡發展與運營商的應用

姜金亞+王思義

【摘要】 SDN是一個新興的技術，受到學術界和產業界的廣泛關注。首先介紹了SDN的起源、發展及主要技術派別；然后論述了SDN的網絡架構、關鍵技術以及相關產業鏈的發展情況；最后分析了SDN在國內運營商相關應用以及面臨的挑戰與未來的可能。

【關鍵詞】 SDN 網絡架構 產業鏈 運營商

隨著移動通信、云計算、大數據等一系列新興互聯網業務的興起，對傳統網絡架構提出了更高的要求。現有的TCP/ IP分布式網絡結構已經不能有效地支持云計算、大數據等為代表的新型應用。當前，針對現有網絡的瓶頸限制，業界已經產生了兩種不同網絡架構觀點：一種是對現有網絡進行改良，另一種是推翻現有網絡架構，重新定義一種新的網絡架構體系。目前研究者更加關注后一種觀點，并且第二種觀點也出現兩種網絡架構體系：一種是內容中心網絡的概念，將重點由存儲位置轉移到信息本身，將內容與位置解耦；另一種是SDN（software defined networking，軟件定義網絡）的概念，提出了轉發平面與控制平面分離的的思想，并提供可編程的網絡平臺，為未來網絡發展提供了新的方向[1]。本文將介紹SDN網絡的概念、關鍵技術、國內運營商相關應用等。

一、SDN的起源和發展

2006年，美國斯坦福大學Nick McKeowm教授團隊提出了Openflow概念用于校園網的試驗創新， SDN的概念由此誕生[2]。2007年，斯坦福大學學生Martin Casado主持了一個關于網絡安全與管理的項目Ethane，通過集中控制器讓網絡管理者能夠便捷的定義基于網絡流的安全控制策略，從而控制整個網絡通信安全。在此基礎上，2008年McKeown等人將傳統網絡設備的控制平面與數據平面分離，采用標準接口對網絡設備進行集中管理和控制，為網絡資源的設計、管理和使用提供了更多的可能性，從而更容易推動網絡發展。同年Nick Mckeown 教授等人在ACM SIGCOMM上發表了題為《OpenFlow：Enabling innovation in campus network》的論文，首次提出了openflow的概念，并闡述其工作原理及其應用場景。2011年，Nick等人的推動下成立了開放式基金會（Open Networking Foundation，ONF）專門負責Openflow的發展與維護。同期，隨著互聯網公司的介入，特別是谷歌的實踐應用，Openflow成為SDN和下一代網絡的代名詞。2012年，代表廠商設備的工業標準組織IETF分別設立與了SDN相關的網絡虛擬化疊加（network virtualization overlay，NVO）、路由系統接口（interface to the routing system，I2RS）工作組。同年，13家全球一線電信運營商在ETSI的指導下，成立了“網絡功能虛擬化”的行業規范組（“Network Function Virtualization”Industry Specifications Group，NFV ISG）。NFV沒有使用SDN字眼，但通常被認為是運營商的SDN。2014年，在中國北京舉辦的全球SDN技術大會上中國工信部電信研究院、華三等七家企業同時加入ONF，至此加入ONF的中國企業已達19家，成為ONF最重要的國家。SDN的風靡，已經撬動了IT界生態系統，SDN生態圈不再僅有學術派和網絡技術廠家的參與，英特爾等IT巨頭也紛至沓來，更有成為SDN標準背后推手的可能。

二、SDN主要技術流派

SDN并不是一個具體的技術，也不是一個具體的協議，而是一種設計理念和思想，讓軟件應用參與到網絡控制中并起到主導作用，而不是讓各種固定模式的協議來控制網絡。狹義的SDN特指OpenFlow南向接口的網絡，廣義SDN泛指向上層應用開放資源接口，可實現軟件編程控制的各類基礎網絡架構[3]。SDN是一個新鮮事物，不同流派有不同代表，它們之間也有較大差異。

革命派的新銳標準組織代表者ONF強調控制與轉發解耦，轉發設備通用化，全局統籌優化，屏蔽底層差異；而演進派的代表組織IETF更關注設備的可編程性，即開放北向API接口，為用戶創新提供有力保證，強調設備的控制功能與開放API，沿用了傳統設備中的路由、轉發等結果與功能，并在此基礎上進行豐富與擴展；實用派基礎運營商的代表組織NFV卻更加注重降低成本，提高管理、維護、網絡及業務部署效率，主要任務是定義網絡功能虛擬化需求與架構，并沒有相應的協議支持。

三、SDN網絡架構

由ONF提出的SDN網絡架構如圖1所示，該結構有分為三個部部分，由下到上依次為：基礎層、控制層、應用層[4]。除上述三層外，還有連接控制層與應用層的北向接口，連接基礎層和控制層之間的南向接口，并且還定義了統一的南向接口標準OpenFlow協議。基礎層主要是由支持OpenFlow協議的SDN交換機組成，負責基于業務的流表的數據的轉發、處理等；控制層主要是由控制器和網絡操作系統組成，負責處理數據轉發層面資源的抽象信息，可支持網絡拓撲、狀態信息的匯總和維護，并基于應用的控制來調用不同的轉發面資源；應用層由各種應用軟件構成，負責管理和控制網絡對應應用轉發和處理的策略，也支持對應網絡屬性的配置實現提升網絡利用率、保障特定應用的安全和服務質量。綜上所述OpenFlow協議、網絡虛擬化技術和網絡操作系統是SDN區別傳統網絡架構的關鍵技術。

四、SDN產業鏈結構

SDN作為個新型產業，也是下一代互聯網的攪局者，因而獲得大批初創型公司、IT互聯網企業和傳統設備廠商等相關利益方的廣泛關注。目前，SDN產業鏈初步可以分為六大陣營：傳統設備商、新興網絡服務商、傳統網絡服務商、標準組織、新興設備商和芯片廠商[5]。

中興、華為和思科等傳統設備商在SDN架構控制平面研究技術不具備先發優勢，采取的戰略方式是一方面通過提供SDN的解決方面，另一方面積極探索基于現有架構實現網絡集中控制和開放應用API接口的個性化的技術，以免競爭優勢流失。以Google、Amazon、騰訊等為代表的新興網絡服務商重點關注網絡服務、控制創新。如果SDN控制器的北向接口全部開放，網絡服務公司就能獲取網絡的主導權，使其 能夠對自身網絡運維與傳輸網絡的整合，有助于降低其運行成本、提供服務質量、加快新業務部署。AT&T、中國移動、中國聯通等傳統網絡提供商相對于互聯網企業，對SDN的態度比較保守，因為 SDN本身不太成熟，目前以實驗探索為主，具體的部署工作較少。ONF、IETF等標準組織更加關注南北向接口標準化、架構、需求等方面的定義，側重于SDN架構與云平臺化的管理融合。Intel、HP等新興設備商看到進軍網絡設備和開拓新業務的可能，因此通過提供SDN的解決方案，重點關注云化網絡的需求來擠占傳統網絡設備商的市場份額。而博通、Intel等芯片廠商積極推出實現SDN網絡處理的芯片解決方案，尋求分享SDN一份美羹。

五、SDN在國內運營商中的應用

SDN對運營商是一次重大挑戰，可能使運營商加速管道化，但又是一次網絡變革的機遇。基于其低成本、高效率、靈活的業務提供能力等優勢與特點，國內運營商正在加快SDN的研究實驗與業務部署，三家運營商對其所采取的策略也各有區別。中國移動用NFV的靈活擴展能力，提供多種多樣的物聯網服務；利用NFV架構優勢，高起點發展固定接入網；利用NFV快速部署與升級的特點發展VoLTE新網絡。中國聯通對于SDN/NFV有自己的步伐與規劃—在小范圍的商用部署基礎上，逐步實現現網向基于SND/NFV的網絡發展。在新業務和物聯網方面優先考慮SDN/NFV方案，傳統專線SDN化，網絡軟件化，提升業務集成能力，提供ICT融合產品，目前完成了基于沃云的網絡功能虛擬化需求的驗證，正探索符合聯通現狀的NFV演進路線。中國電信則采取從邊緣到核心的的SDN/NFV的策略，首先對數據中心進行規模推廣，然后將終端和網絡引入SDN/NFV，最后進行全網業務優化。

六、SDN面臨的挑戰與未來展望

盡管SDN有很多優勢，也是為未來網絡發展的趨勢，但目前離真正大規模的應用還有諸多問題必須解決。

1、網絡安全方面。SDN的開放性是實現統一配置、管理、提供可編程特性的重要原因。因而，開放性使得SDN的控制器的安全漏洞、策略的不完善性充分暴露在攻擊者面前，一旦網絡攻擊成功，必將造成大面積網絡癱瘓[6]。

2、網絡部署方面。運營商考慮到現網設備、網絡規模和業務安全等客觀方面，運營商不可能在短期內大規模的完成全網部署。而且現網由于長期留存下來不同廠商、支持不同協議的老舊設備在保證性能和支撐業務方面，由硬件平臺向虛擬平臺過渡，仍然面臨平滑演進與長期共存的挑戰[7]。

3、標準化方面。不同的利益集團 對SDN關注的重點不同，還存在利益差異，到目前為止還未形成一個統一的SDN標準協議。所以，制定一個統一的標準協議還需漫長的過程。

隨著通信網絡和互聯網技術不斷發展與進步，SDN在運營商網絡應用技術方案也將不斷成熟，所面對的挑戰也將逐步得到解決。無論SDN如何發展，其目標都是解決現有網絡架構中存在的問題，幫助企業和運營商提供更好的網絡服務。SDN的發展目前還是任重道遠。

參 考 文 獻

[1] Open Networking Foundation. Software-defined Networking：The New Norm For Network [S]，2012.

[2] Mckeown N，Anderson T， Balakrishnan H，etal. OpenFlow：Enabling Innovation In Campus Networks [C]// USA：Proc. Of ACM SIGCOM08，2008：69-74.

[3]沈辰，張愛麗，岳鵬.網絡技術創新發展研究[J].現代電信科技.2016，46（2）：12-17

[4]柴蓉，胡恂，李海鵬，蔣桂香.基于SDN的5G移動通信網絡架構[J].重慶郵電大學學報，2015（5）

[5]鄭毅，華一強，何曉峰.SDN的特征、發展現狀及 趨勢[J].電信科學，2013（09）

[6]張朝昆，崔勇，高翯翯，吳建平.軟件定義網絡（SDN）研究進展[J].軟件學報，2015（01）

[7]鄧書華，盧澤斌，羅成程，高協平.SDN研究簡述[J].計算機應用研究，2014（11）