基于SDN的技術化網絡設計

李淑玲 尚萍

摘要：隨著網絡技術的飛速發展，當前網絡架構出現了許多難以解決的難題，當網絡結構出現問題時拓撲結構難以修改，網絡中的問題不能及時處理;核心設備內置的協議不但數量多并且復雜，業務承載量不斷增加，設備性能消耗嚴重，這些都是促進SDN網絡發展的催化劑。本論文主要對SDN技術進行研究，對比傳統網絡與SDN網絡，了解SDN網絡的優勢，給出SDN網絡的設計方案。

關鍵詞：SDN;技術化;OpenFlow;網絡框架

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0044-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1背景

自20世紀60年代互聯網的概念被提出后，發展至今規模日益擴大，尤其近十年來隨著社會的發展，互聯網用戶的數量經歷了爆炸性增長，互聯網已經融入人們的生活，人們現在已經越來越離不開網絡。但是隨著互聯網的膨脹和應用類型的不斷豐富，互聯網的缺陷逐漸顯現出來。

眾所周知，傳統網絡的分層式結構是互聯網取得成功的關鍵，每一層的功能都有明確的定義，但是跟著網絡中設備數量的不斷增多，網絡核心路由器內部擴充了多種協議，業務承載量不斷增加，協議所提供的功能不斷增多，造成目前網絡控制平臺復雜的原因，同時還增加了運營商制定優化管理網絡的難度，研究人員想要在實際生產環境中對新協議進行測試和部署都難以實現。另一方面，互聯網流量快速增加，用戶對流量的需求不斷增大，各種新型的服務不斷出現，提高了網絡運維成本。

軟件定義網絡（SDN）繞過實體網絡裝置的限制并且讓企業組織可以動態地管理其網絡。SDN使用軟件抽象層來動態地管理網絡，能夠大力降低設備的性能消耗，幫助運營商更加精準的管理底層基礎網絡設備，讓運營商減少在網絡上的資金投入，同時為當今網絡發展中出現的新技術云計算、大數據等的研究提供好的網絡環境。由此得出，對SDN相關技術基礎的研究和推進，在未來的網絡建設中可以為開發人員提供新的解決問題的角度和想法，為開發人員提供有力的基礎。

2 SDN研究現狀

SDN是一種最新提出的網絡技術，在短短的幾年內就已經在業界內聲名顯赫，然而由于當前的技術和成本問題，SDN目前尚在理論階段，其標準化進程也正處于發展階段尚未成熟，如果想要將該技術在目前的生產環境中大量使用還有較長的一段路要走。美國斯坦福大學研究過一個課題，課題名稱為Clean Slate，它是美國GENI項目投入的資金和人力物力財力等，而SDN技術就是在該項目的探究過程中衍生出來的。一個項目自然有一部分核心研究人員，而Clean Slate項目的核心研究人員是Nick McKeown教授團隊，他們對該項目進行不斷地深層次挖掘。2009年，在麻省理工評論的"未來十大突破性技術"當中，SDN技術成功的占有一席之地，之后對該技術關注的人越來越多，SDN技術的人氣越來越高。隨著SDN技術的形成，現如今已經被廣泛應用于多個領域，并逐步加深對該技術的研究，不斷深度挖掘和嘗試希望能對該技術在商業方面的使用進行推廣，現階段SDN技術除了應用于局域網組網之外，在數據中心組網方面也有很大的占比。

3 SDN核心技術

3.1 基本理論

軟件定義網絡（SDN）繞過實體網絡裝置的限制并且讓企業組織可以動態地管理其網絡。SDN 使用軟件抽象層來動態地管理網絡。能夠大力降低設備的性能消耗，幫助運營商更加精準的管理底層基礎網絡設備，讓運營商減少在網絡上的資金投入，同時為當今網絡發展中出現的新技術云計算、大數據等的研究提供好的網絡環境，由此得出，對SDN相關技術基礎的研究和推進，在未來的網絡建設中可以為開發人員提供新的解決思路和方法。

SDN技術是將傳統網絡進行重新整合，整合為三層的SDN網絡架構，這三層分別分為應用層、控制層、數據轉發層。再利用SDN的核心思想，控制器與數據轉發分開，最終達到網絡層次劃分的目的，實現集中管理。如圖1所示，為SDN體系框架。

在SDN架構下，控制層與數據轉發層被分開，下層基礎設備只負責數據的轉發，不需要通過各種算法的計算。下層轉發設備只需要查找本地轉發表，如果有記錄則直接轉發，若沒有記錄，則只需要向上層控制器詢問數據處理方法。這樣底層也可采用相對廉價的設備構建基礎網絡設施，減少了成本。

3.2 SDN核心技術

在SDN網絡中，我們需要有一項技術來將控制器和轉發層連接起來，而這就需要一種通用的接口協議標準來進行合理的管控，OpenFlow就可以解決這個問題，完成標準的定義工作。該技術在數據轉發過程中，由控制器向OpenFlow交換機發送流表信息，用這樣的方式來控制一組數據在網絡中的流通路徑。OpenFlow網絡由OpenFlow交換機和控制器通過OpenFlow通道組成。

3.2.1 交換機

SDN網絡由兩部分組成，分別是OpenFlow交換機和控制器，，而OpenFlow交換機則是由流表（flow table）、安全通道（secure channel）和 OpenFlow 協議構成，它代替了傳統網絡中的基礎設施層設備，負責數據的轉發等。

OpenFlow交換機基本具有普通交換機的所有功能，它還能夠實現數據轉發功能設備的統一。對于SDN網絡中的交換機而言，可以根據不同的場景需要，，采用軟件或者硬件設備來完成交換機的交換功能。而OpenFlow交換機有它相較于傳統交換機的特點，它支持OpenFlow協議，，它能夠通過OpenFlow協議將控制層與轉發層耦合起來，當管理員在控制器上輸入流表后，就可以下發相應規則到這臺OpenFlow交換機上，當數據經過該OpenFlow交換機時，則對比流表規則轉發。在SDN網絡中的OpenFlow交換機除了上述的特點之外，它還不參與轉發策略的制定，經過設備的數據走向有控制器下發，交換機只對數據高速轉發。

3.2.2 OpenFlow

OpenFlow協議主要是通過對不同類型的數據消息進行處理來實現控制器和交換機兩者的路由管控，SDN數據轉發設備層的OpenFlow交換機的組成部件和功能上的需求是通過該協議來規范的，控制器對交換機長距離管控時也用到了OpenFlow協議。交換機整體框架如圖2所示。

控制器和OpenFlow交換機之間通過安全的OpenFlow協議相互通信，在這個過程當中，兩者之間的數據通過SSL機制進行加密。OpenFlow交換機由三部分組成，其中流表和安全通道是OpenFlow交換機的核心。OpenFlow交換機對比傳統網絡中的設備有一定的相通點，OpenFlow交換機在發生數據交換時，過程與當前網絡用于匹配信息的路由表、轉發表的過程基本一致，數據進入交換機后與流表項進行匹配轉發。

3.2.3 控制層

在SDN網絡中，控制層是整個網絡的核心。一方面，控制層對整個網絡資源進行全局把控，生成統一的全局資源視圖，并進行維護和管理;另一方面，為應用層提供可編程的接口，執行對網絡資源優化的操作指令。控制層位于SDN網絡架構的中間位置，向下通過南向接口對數據轉發設備進行統一的網絡控制和設備管理，通過北向接口與應用層進行數據通信，并執行應用層向下的操作命令。

4某大型醫院SDN技術網絡設計

4.1 項目背景

現有某大型醫院在全國范圍內開設了一家總部和三家分部，眾所周知，醫院的科室類型繁雜，每個科室都有不同的醫療設備及不同的上網需求，所以網絡結構復雜，設備之間的交互性差。由于網絡中設備眾多，導致網絡管理過程中設備配置復雜，管理難度加大。為了提高內外部人員的上網體驗，讓管理層面趨于簡單化和便捷化，現根據網絡現狀進行方案設計，對網絡整體結構進行改進。

4.2 網絡拓撲

醫院總部與分支的網絡架構組成基本一致，總部網絡相較于分部更加復雜，其某一分部的網絡拓撲如圖3所示。

4.3 SDN技術設計方案

該醫院目前的網絡數據調度網非常龐大，其中分部數據還需要匯總到總部網絡數據中心，這對核心網絡的要求非常高，根據這一現狀，我們可以利用SDN技術，將數據轉發層與控制層實現分開。底層負責數據轉發和存儲的基礎設施，能夠考慮使用相對成本較低的設備搭建基礎網絡，在控制層對網絡進行集中控制，根據查看到的設備鏈路信息進行統一的資源調整和改進。同時，使用SDN網絡的核心技術OpenFlow進行基本組網，組網方式具體如圖4所示。

利用SDN技術的思想，將底層的數據交換與上層的控制層面進行分離，整個網絡通過多域、多控制器的結構設計，將整個網絡分為4個域，分離的4個區域整體包括了所有的用戶，為所有用戶提供基本的網絡服務，而在劃分的幾個區域當中，每個區域分散多臺OpenFlow交換機，而在出口處有一臺控制器進行統一的管理。幾個區域的控制器統一到一起，組成一個分布式的控制平臺，便于網絡建設和管理人員管理整個網絡。具體設計SDN網絡架構整體如圖5所示。

5總結

SDN技術是目前正在迅速崛起的一種網絡技術，本文從當前網絡的現狀入手，尋求一種可以解決目前網絡問題的解決方案，而SDN技術就是現階段人們正在研究的技術。本文主要深入探討了SDN網絡的網絡架構，詳細講解了數據在進入設備后的轉發路徑，由控制器統一管理交換機流表，對SDN技術的理論基礎做了整體的討論，并以SDN核心技術為基礎，設計出一套在大型網絡環境中適用的SDN技術化解決方案。利用Mininet和虛擬機等模擬工具對SDN網絡環境進行了模擬，這對后續深入挖掘該技術提供了良好的基礎。在論文完善這個過程中，解決方案的設計與模擬環境的搭建基本達到預期，將解決方案套入到大型醫院的網絡模型當中，但是在論文完善過程當中仍有許多不足，解決方案的設備選型等沒有深入研究，后期再學習過程中對SDN技術的研究和探索還有待加強。

傳統的網絡設備產業是一個相對封閉的產業，整個行業被一些巨頭所把持，網絡設備的更新換代也只是在性能上的提高并沒有根本上的變化，而同期的服務器市場卻經歷了服務器硬件與操作系統的分離、虛擬技術的普及兩個階段。SDN的出現打破了網絡設備軟硬一體化的開發模式，將網絡產業打造為開放的三層結構，將網絡產業打造為開放的三層結構，其體現的控制與轉發分離、等特點都將是未來網絡的發展方向。或許距離SDN時代的到來還有一定困難，但隨著技術周期演變的加速，SDN已經離我們不遠。

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【通聯編輯：光文玲】