OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

馮譽(yù)

摘 要：文章以O(shè)penFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請(qǐng)作為分析對(duì)象，重點(diǎn)分析全球及中國(guó)范圍內(nèi)關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的申請(qǐng)信息、重要申請(qǐng)人、專利布局、分支情況、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r等信息。

關(guān)鍵詞：OpenFlow；技術(shù)分支；重要申請(qǐng)人；核心專利

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0013-03

Abstract： Taking the patent application of OpenFlow network technology as the analysis object， this paper focuses on analyzing the application information， important applicants， patent layout， branch situation and technological development of OpenFlow network technology in the world and in China.

Keywords： OpenFlow； Technical Branch； important applicant； Core Patent

1 概述

OpenFlow起源于斯坦福大學(xué)的Clean slate計(jì)劃，后成為了GENI計(jì)劃的子項(xiàng)目。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制平面與數(shù)據(jù)平面相分離，采用分布式處理、集中式控制管理的方式大大地優(yōu)化了對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量控制的靈活性，解決了對(duì)底層傳輸設(shè)備的部署靈活性的瓶頸，能夠有效的促進(jìn)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和研究。本文以O(shè)penFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請(qǐng)作為分析對(duì)象，重點(diǎn)分析全球及中國(guó)范圍內(nèi)關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的申請(qǐng)信息、重要申請(qǐng)人、專利布局、分支情況等信息。

2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理及分支情況

2.1 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由控制器、OpenFlow交換機(jī)和虛擬化三部分組成。控制器的主要作用是根據(jù)OpenFlow協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)，并向交換機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)流表，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制和管理。OpenFlow交換機(jī)的功能主要是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其主要包括3個(gè)部分，分別為流表、安全信道和OpenFlow協(xié)議。虛擬化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，運(yùn)行于交換機(jī)和控制器之間。他通過抽象層對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離形成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)都能共享相同的物理設(shè)備。

控制器通過安全通道使用OpenFlow協(xié)議向OpenFlow交換機(jī)下發(fā)增加流表、修改流表、刪除流表等命令控制數(shù)據(jù)平面的OpenFlow交換機(jī)。OpenFlow交換機(jī)維護(hù)控制器下發(fā)的流表，當(dāng)OpenFlow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬟f過來(lái)的數(shù)據(jù)包時(shí)，OpenFlow交換機(jī)通過查找流表中的流表項(xiàng)完成數(shù)據(jù)包的匹配與轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的技術(shù)分支

本文對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，選擇的是CNABS中文檢索數(shù)據(jù)庫(kù)以及VEN檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，通過檢索后得到本文所要研究的初步專利數(shù)據(jù)樣本，然后通過去噪、人工篩選、標(biāo)引得到最終所要分析的專利數(shù)據(jù)樣本，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所涉及的技術(shù)分支進(jìn)行分解，主要分為以下四個(gè)技術(shù)分支：流表、網(wǎng)絡(luò)安全、流量控制以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，流表為OpenFlow的核心概念，流表由許多流表項(xiàng)（Flow Entries）組成，每個(gè)表項(xiàng)至少包括匹配域和指令集。OpenFlow交換機(jī)等將每個(gè)數(shù)據(jù)包按照優(yōu)先級(jí)依次匹配流表中的表項(xiàng)，匹配到的優(yōu)先級(jí)最高的表項(xiàng)即為匹配結(jié)果，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；如果沒能找到匹配的表項(xiàng)，則轉(zhuǎn)發(fā)給控制器，由控制器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；或者由控制器下發(fā)權(quán)限給OpenFlow交換機(jī)，OpenFlow交換機(jī)根據(jù)Egress Table轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。流表由控制器生成，并通過安全通道使用OpenFlow協(xié)議向OpenFlow交換機(jī)下發(fā)增加流表、修改流表、刪除流表等命令控制OpenFlow交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)流表的配置。控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜妥顑?yōu)路徑規(guī)則，計(jì)算得到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的最優(yōu)路徑，進(jìn)而生成相應(yīng)的流表項(xiàng)，并下發(fā)流表至指定交換機(jī)，通過流表的配置實(shí)現(xiàn)設(shè)置的路由策略。可見，流表的生成與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@取與維護(hù)以及路由策略的設(shè)置息息相關(guān)，而路由策略的實(shí)現(xiàn)則由流表的配置具體實(shí)現(xiàn)。另外，隨著OpenFlow協(xié)議的不斷更新，OpenFlow流表的存儲(chǔ)與查找面臨更大的挑戰(zhàn)，如流表項(xiàng)匹配字段數(shù)量的不斷增加、流表規(guī)模的爆炸性增長(zhǎng)以及實(shí)現(xiàn)OpenFlow 硬件交換機(jī)的端口線速處理更加困難等問題。對(duì)流表結(jié)構(gòu)和查找方法的優(yōu)化以減少流表存儲(chǔ)空間和硬件資源開銷是流表管理中的另一研究熱點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)安全主要分為三類：網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)、安全機(jī)制以及故障檢測(cè)與修復(fù)。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)是依照一定的安全策略，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，盡可能發(fā)現(xiàn)各種攻擊企圖、攻擊行為或者攻擊結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)通常通過分析網(wǎng)絡(luò)搜集的信息，把當(dāng)前行為與已知的攻擊行為進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)入侵者，從而具有更強(qiáng)的檢測(cè)能力。安全機(jī)制主要包括防火墻和入侵防御系統(tǒng)。防火墻根據(jù)定義的規(guī)則，對(duì)進(jìn)入的流量進(jìn)行審查，可以阻斷一些協(xié)議或端口的流量。入侵防御系統(tǒng)通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸行為，及時(shí)中斷、調(diào)整或隔離一些不正常或是具有傷害性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸行為。網(wǎng)絡(luò)故障可由多種因素造成，如光纖被挖斷、路由器崩潰等，據(jù)調(diào)查顯示，50%的故障可能由鏈路不明原因的短暫故障而造成。網(wǎng)絡(luò)故障的頻繁發(fā)生將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)故障的處理分為兩步，首先是對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障做出應(yīng)對(duì)。目前，網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)主要通過主動(dòng)或被動(dòng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中的性能指標(biāo)，如帶寬、延遲和丟包等，通過指標(biāo)判斷網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)故障。應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的方案主要分為故障保護(hù)和故障恢復(fù)兩種：故障保護(hù)依賴于提前計(jì)算的備份路徑和預(yù)分配的資源來(lái)對(duì)故障部件進(jìn)行繞行；故障恢復(fù)依賴動(dòng)態(tài)重路由來(lái)規(guī)避故障部件。

流量控制主要包括負(fù)載均衡和QOS管理。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡分為針對(duì)控制器的負(fù)載均衡和針對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路的負(fù)載均衡。前者是利用網(wǎng)絡(luò)最新狀態(tài)和請(qǐng)求的平均響應(yīng)時(shí)間合理分配網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，均衡控制器的負(fù)載。后者是通過動(dòng)態(tài)算法，在多條鏈路中進(jìn)行負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)鏈路的動(dòng)態(tài)選擇，使負(fù)載分布更加均勻，具有自適應(yīng)能力，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。QOS即服務(wù)質(zhì)量，指網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，用來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等性能。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，主要包括傳輸?shù)膸挕魉偷臅r(shí)延和數(shù)據(jù)的丟包率等。目前，QOS管理主要包括限速、流量整形、隊(duì)列管理、流量調(diào)度以及擁塞控制。

由于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制相分離，在提高網(wǎng)絡(luò)流量控制的靈活性的同時(shí)解決了底層傳輸設(shè)備的部署瓶頸問題，使得其可廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)，如在校園網(wǎng)、廣域網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及SDN網(wǎng)絡(luò)等。

3 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利現(xiàn)狀分析

經(jīng)過檢索式檢索與簡(jiǎn)單人工篩選，最終確定的涉及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)共計(jì)1119項(xiàng)，其來(lái)自23個(gè)國(guó)家或地區(qū)的總計(jì)255位申請(qǐng)人。

3.1 申請(qǐng)量年度分布

在全球范圍內(nèi)，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于近10年來(lái)比較新的技術(shù)，OpenFlow的概念于2008年提出，同年就申請(qǐng)了1件與之相關(guān)的申請(qǐng)。前期2008-2010年發(fā)展比較緩慢，申請(qǐng)量很少，每年的申請(qǐng)量只有個(gè)位數(shù)。專利申請(qǐng)的數(shù)量從2011年開始有較大幅度的上升，開始受到人們的重視，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入發(fā)展階段。在2012-2014年間，關(guān)于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球申請(qǐng)量進(jìn)入迅速增長(zhǎng)時(shí)期，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟。2015到2016年，全球申請(qǐng)量開始小幅回落，可能是OpenFlow技術(shù)發(fā)展較為成熟，相關(guān)申請(qǐng)有所減少。對(duì)于2016年申請(qǐng)量進(jìn)一步下降，可能是2016年部分專利尚未公開，所以并未被統(tǒng)計(jì)完全。為了對(duì)整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)有個(gè)正確的把握，筆者也只統(tǒng)計(jì)到了2016年，這是由于后期申請(qǐng)專利部分尚未公開，無(wú)法納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中。

3.2 申請(qǐng)的地域分布

中國(guó)、日本、美國(guó)、瑞典和韓國(guó)是專利申請(qǐng)的主要國(guó)家和地區(qū)，上述幾個(gè)區(qū)域的申請(qǐng)量占到了全球申請(qǐng)總量的九點(diǎn)五成。其中，美國(guó)作為OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)源地，其專利申請(qǐng)量?jī)H占全球申請(qǐng)總量的8.5%，而中國(guó)專利申請(qǐng)量占全球申請(qǐng)總量的72%，遠(yuǎn)高于并列第二名的美國(guó)和日本的申請(qǐng)量。美國(guó)專利總量占比較少的原因，可能是因?yàn)橹袊?guó)專利申請(qǐng)量巨大，稀釋了美國(guó)專利的占比，而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)總數(shù)占比如此之高，一方面反映出國(guó)內(nèi)對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度關(guān)注，且非常重視其發(fā)展前景；另一方面也反應(yīng)了中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的提高。

3.3 主要申請(qǐng)人分布

通過對(duì)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量進(jìn)行分析，得到全球在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的前10位申請(qǐng)人的申請(qǐng)量排名情況，這在一定程度上代表了各公司在該領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備和技術(shù)實(shí)力。前10位申請(qǐng)人中有8位申請(qǐng)人為中國(guó)。這與中國(guó)申請(qǐng)量占總數(shù)72%正好吻合。該數(shù)據(jù)足以說明中國(guó)公司對(duì)OpenFlow技術(shù)的研究較為廣泛，且國(guó)內(nèi)公司的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)有大幅提高。占據(jù)前五位的是華為、中興、日本電氣株式會(huì)社、華三以及愛立信，其中有三位申請(qǐng)人都是中國(guó)企業(yè)，足見中國(guó)在該領(lǐng)域中的雄厚實(shí)力，特別是華為，其申請(qǐng)量高達(dá)122件。美國(guó)總申請(qǐng)量占全球申請(qǐng)量8.5% ，與日本并列第二名，然而申請(qǐng)人前10位卻沒有美國(guó)的公司。造成這種現(xiàn)象的原因，其一可能是中國(guó)申請(qǐng)量太大；其二可能是美國(guó)申請(qǐng)人較為分散，如IBM有19件，惠普16件，谷歌14件，諾基亞10件等。從表中可看出，設(shè)備制造商占了7位：華為、中興、日本電氣株式會(huì)社、華三、愛立信、盛科網(wǎng)絡(luò)、斐訊，超過一半，可見設(shè)備制造商對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重視以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣使用的廣泛前景；其中，另外三個(gè)申請(qǐng)人為北京郵電大學(xué)、中國(guó)電信股份有限公司以及國(guó)家電網(wǎng)公司，北京郵電大學(xué)為國(guó)內(nèi)通信技術(shù)前沿的知名高校，其申請(qǐng)量較多說明國(guó)內(nèi)對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理論技術(shù)研究較為深入與廣泛；而中國(guó)電信股份有限公司以及國(guó)家電網(wǎng)公司是國(guó)內(nèi)重要的骨干企業(yè)，進(jìn)一步佐證了中國(guó)對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用的高度重視。

4 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專利申請(qǐng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)主要發(fā)展階段： 第一階段（2008年-2010年）為起步期。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的專利申請(qǐng)可以追溯到2008年，早期的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)比較緩慢，還處于新技術(shù)的萌芽期，專利內(nèi)容局限于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和流表管理的研究。第二階段（2011年-2012年）為發(fā)展階段。在該階段，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究得到了不斷的發(fā)展，在這個(gè)階段OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究范圍擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)安全與流量控制， OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不再僅僅局限于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)問題，而是出現(xiàn)更多的網(wǎng)絡(luò)管理、控制方法以提供更好的服務(wù)。第三階段（2014-至今）為全面發(fā)展階段，這個(gè)階段全球申請(qǐng)量的迅速增長(zhǎng)，人們對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，隨著OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)越來(lái)越多的考慮的是如何將OpenFlow網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)（如傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)、SDN網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等）的完美融合，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離的靈活性，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，以便平滑過渡至OpenFlow網(wǎng)絡(luò)。OpenFlow早期相關(guān)申請(qǐng)均為國(guó)外申請(qǐng)，說明國(guó)外對(duì)OpenFlow技術(shù)的研究較早，而國(guó)內(nèi)對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究始于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展階段，相對(duì)較晚。而在該技術(shù)的全面發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究較為廣泛和深入，涉及到該領(lǐng)域的各個(gè)方面，為該技術(shù)的研究與發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)梳理了OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分類和各技術(shù)分支的發(fā)展情況，并對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的核心專利和重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，有助于審查員全面了解OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)涉及OpenFlow網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的審查工作有較大幫助。

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