新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

尹秀蘭

摘 要：SDN是繼大數(shù)據(jù)、云計算之后的新一代信息技術(shù)之一。是目前為業(yè)界公認(rèn)的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式，其將網(wǎng)絡(luò)資源軟件化，提供網(wǎng)絡(luò)的可編程性。其技術(shù)體系分為三層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式相比較有很多優(yōu)勢，當(dāng)然也有它的不足。當(dāng)前，SDN技術(shù)已經(jīng)被全球各大公司應(yīng)用在不同場景，如美國的FOX公司、谷歌公司、國內(nèi)的阿里等。

關(guān)鍵詞：SDN 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式 SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0158-03

隨著大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分布式管理、無法彈性流量控制等局限性日益凸顯，諸多方面呼喚一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式的出現(xiàn)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN：Software Defined Network）是目前為業(yè)界公認(rèn)的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，其將網(wǎng)絡(luò)資源軟件化，提供網(wǎng)絡(luò)的可編程性，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式。這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式將比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式更快、更好、更簡單地實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能特性。

1 SDN的起源與發(fā)展

SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，它最重要的特點(diǎn)是將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離。2006年，SDN概念誕生于美國的斯坦福大學(xué)，SDN出現(xiàn)的最終目的是要重新發(fā)明因特網(wǎng)，旨在改變局限性日益凸顯，且難以進(jìn)化發(fā)展的現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 SDN技術(shù)體系

SDN技術(shù)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中鎖定在一起的的控制層與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層進(jìn)行了分離，實行了集中管理制，將原本屬于各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理控制權(quán)進(jìn)行集中化管理，將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系分成了三層：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)根據(jù)控制層發(fā)出的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備狀態(tài)信息收集等動作，本身不做任何決策，只是執(zhí)行層，相當(dāng)于人類的四肢，受大腦控制和支配。控制層在整個架構(gòu)中起到核心和關(guān)鍵作用，它相當(dāng)于人的大腦，掌控著基礎(chǔ)設(shè)施層的所有資源，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)、設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)控等，它能根據(jù)應(yīng)用層提出的各種業(yè)務(wù)需求對基礎(chǔ)設(shè)施層的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理調(diào)配。應(yīng)用層是直接面對客戶的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，它相當(dāng)于人類大腦中各種各樣的想法，針對不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)出現(xiàn)的各種各樣的需求，向控制層提出，控制層根據(jù)掌控的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度和分配，盡量滿足應(yīng)用層提出的各種應(yīng)用需求。如圖1所示。

控制器是SDN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，主控整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。目前已經(jīng)有很多SDN控制器，例如RYU、OpenDaylight、Floodlight、ONOS等，它們都各有特色，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾怼⒘鞅硐掳l(fā)、流量控制策略、網(wǎng)絡(luò)訪問策略等的制定。基礎(chǔ)設(shè)施層的主要設(shè)備是SDN交換機(jī)，也被稱為白盒交換機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理。控制器通過南向接口向SDN交換機(jī)傳達(dá)指令，SDN交換機(jī)的設(shè)備狀態(tài)、拓?fù)湫畔⒌纫捕冀?jīng)由南向接口向控制器傳達(dá)。南向接口相當(dāng)于連接大腦與四肢的神經(jīng)系統(tǒng)，是由ONF（開放網(wǎng)絡(luò)基金會）提出的。目前已經(jīng)獲得了業(yè)界廣泛支持的南向接口協(xié)議——OpenFlow，已經(jīng)成為了SDN領(lǐng)域的事實標(biāo)準(zhǔn)。OpenFlow協(xié)議解決了如何把控制器流表下發(fā)給SDN交換機(jī)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的問題；同時ONF還提出了OF-CONFIG協(xié)議，旨在遠(yuǎn)程配置和管理基礎(chǔ)設(shè)施層的SDN交換機(jī)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，實現(xiàn)對SDN交換機(jī)等底層設(shè)備的集中化管理和控制。控制器與應(yīng)用層是通過開放的北向接口連接的，是直接為應(yīng)用層的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的，它需要密切聯(lián)系具有多樣化需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。北向接口的目標(biāo)是使得業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠按需便利地調(diào)用底層的網(wǎng)絡(luò)資源。目前北向接口的標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成共識，但是其充分的開放性、靈活性、便捷性備業(yè)界廣泛認(rèn)可。目前北向接口比較多樣化，RESTful API是目前被業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者經(jīng)常使用的一種北向接口，是網(wǎng)絡(luò)中client客戶端和server服務(wù)端的一種交互形式。另外，部分傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)商也在其現(xiàn)有設(shè)備上也提供了可編程網(wǎng)絡(luò)接口供業(yè)務(wù)應(yīng)用調(diào)用，作為SDN北向接口。北向接口作為連接SDN控制器和用戶應(yīng)用系統(tǒng)的重要傳輸通道，關(guān)乎SDN網(wǎng)絡(luò)的的實際應(yīng)用價值與能力，其接口標(biāo)準(zhǔn)仍未統(tǒng)一。

3 SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的比較

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)、路由器、防火墻等）的控制層面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面綁定在一起，由設(shè)備生產(chǎn)商鎖定和控制，網(wǎng)絡(luò)的控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣壎ǎW(wǎng)絡(luò)設(shè)備是分布式管理機(jī)制；不同廠商生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用不用的配置命令或?qū)Ｓ袇f(xié)議，廠商間的私有協(xié)議、命令等并未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)實施須每設(shè)備登錄配置，網(wǎng)絡(luò)工程實施人員需掌握不同廠商的配置命令等內(nèi)容，增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的難度，用戶無法實現(xiàn)對不同廠商設(shè)備的集中控制與管理，同時應(yīng)用層的設(shè)計也只能基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施生產(chǎn)廠商預(yù)設(shè)的功能，某些情況下為了實現(xiàn)新功能必須購置其他種類的設(shè)備，既增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，同時也極大地限制了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別是實現(xiàn)了控制層與基礎(chǔ)設(shè)施層的分離。通過開放的OpenFlow協(xié)議實現(xiàn)控制層與基礎(chǔ)設(shè)施層間的交互，采用標(biāo)準(zhǔn)化的SDN交換機(jī)替代不同生產(chǎn)廠商預(yù)制的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。控制層與基礎(chǔ)設(shè)施層分離后，打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的分布式管理機(jī)制，提高了設(shè)備管理的靈活性，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中管理。標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備SDN交換機(jī)替代傳統(tǒng)的專用預(yù)制設(shè)備，有效節(jié)約運(yùn)營成本。傳統(tǒng)設(shè)備不僅需要較高的采購成本以滿足不同的應(yīng)用需求，同時根據(jù)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求對采用不同協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行配置也是一項需要消耗大量人力與時間的工作，進(jìn)而帶來較為高昂的運(yùn)營成本。使用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備以及控制層的集中管理可以有效提高設(shè)備的使用效率，并減少配置維護(hù)的人工投入。

4 SDN應(yīng)用與趨勢

目前，SDN技術(shù)已經(jīng)被全球各大公司的應(yīng)用在不同場景，如，美國FOX公司利用SDN技術(shù)進(jìn)行超級碗節(jié)目的轉(zhuǎn)播，用SDN技術(shù)實現(xiàn)報文在網(wǎng)絡(luò)中更細(xì)粒度的控制，利用控制器實現(xiàn)流量調(diào)度；谷歌公司將SDN技術(shù)應(yīng)用于其骨干網(wǎng)，以改善其骨干網(wǎng)鏈路帶寬利用低的問題；國內(nèi)的阿里為了應(yīng)對每年的雙11活動，在阿里云和網(wǎng)絡(luò)采用了SDN技術(shù)，保證雙11期間巨大流量的網(wǎng)絡(luò)傳輸和彈性流量調(diào)度與資源調(diào)配。

當(dāng)前，服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化等技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在云計算平臺中，它們將最底層的CPU、內(nèi)存、硬盤等物理資源以建立資源池的方式進(jìn)行共享，根據(jù)需求進(jìn)行動態(tài)分配給用戶使用。OpenStack是目前最活躍的一個開源云計算管理平臺，是SDN控制器的一個重要應(yīng)用。OpenStack是目前在云計算領(lǐng)域中運(yùn)用在SDN應(yīng)用層的云管理平臺，應(yīng)用層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的管理者和使用者可利用SDN插件，通過開放的北向接口與SDN控制器對話，可便捷地調(diào)配SDN控制器主控的基礎(chǔ)設(shè)施層網(wǎng)絡(luò)資源。當(dāng)有云計算平臺的云主機(jī)發(fā)出應(yīng)用需求時，相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略、網(wǎng)絡(luò)訪問策略等配置可以在OpenStack管理平臺上集中制定并進(jìn)而驅(qū)動SDN控制器統(tǒng)一地、自動下發(fā)到相關(guān)的SDN交換機(jī)上。因此，網(wǎng)絡(luò)資源可以和計算、存儲等虛擬化資源一樣，以邏輯資源的形式統(tǒng)一呈現(xiàn)給業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)者，開發(fā)者無需針對底層具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備耗費(fèi)大量開銷，這有助于新業(yè)務(wù)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)功能的快速創(chuàng)新。

SDN逐步由技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)向應(yīng)用驅(qū)動，由客戶需求、客戶應(yīng)用來驅(qū)動SDN進(jìn)一步向前發(fā)展。針對不同的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)場景化、自動化、柔性化與開放性。

5 結(jié)語

SDN這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式的實質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)資源可編程化，最終目標(biāo)是服務(wù)于多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和創(chuàng)新，按需調(diào)配邏輯化的網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)對彈性流量、創(chuàng)新應(yīng)用業(yè)務(wù)、縮短新網(wǎng)絡(luò)功能迭代周期等。

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