新型網絡架構軟件定義網絡SDN技術初探

尹秀蘭

摘? ?要：SDN是繼大數據、云計算之后的新一代信息技術之一。是目前為業界公認的一種新型網絡架構模式，是網絡虛擬化的一種實現方式，其將網絡資源軟件化，提供網絡的可編程性。其技術體系分為三層結構：應用層、控制層和基礎設施層。這種新型網絡架構模式與傳統網絡模式相比較有很多優勢，當然也有它的不足。當前，SDN技術已經被全球各大公司應用在不同場景，如美國的FOX公司、谷歌公司、國內的阿里等。

關鍵詞：SDN? 軟件定義網絡? 新型網絡架構模式? SDN與傳統網絡

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

隨著大數據、云計算技術的發展，傳統網絡架構的分布式管理、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絡架構模式的出現。軟件定義網絡（SDN：Software Defined Network）是目前為業界公認的一種新型網絡架構模式，其將網絡資源軟件化，提供網絡的可編程性，是網絡虛擬化的一種實現方式。這種新型網絡架構模式將比傳統網絡架構模式更快、更好、更簡單地實現各種網絡功能特性。

1? SDN的起源與發展

SDN是一種新型網絡架構模式，它最重要的特點是將控制平面和數據平面分離。2006年，SDN概念誕生于美國的斯坦福大學，SDN出現的最終目的是要重新發明因特網，旨在改變局限性日益凸顯，且難以進化發展的現有傳統網絡架構。

2? SDN技術體系

SDN技術將傳統網絡設備中鎖定在一起的的控制層與數據轉發層進行了分離，實行了集中管理制，將原本屬于各網絡設備的管理控制權進行集中化管理，將網絡架構體系分成了三層：基礎設施層、控制層和應用層。基礎設施層負責根據控制層發出的指令進行數據轉發、設備狀態信息收集等動作，本身不做任何決策，只是執行層，相當于人類的四肢，受大腦控制和支配。控制層在整個架構中起到核心和關鍵作用，它相當于人的大腦，掌控著基礎設施層的所有資源，包括網絡拓撲維護、設備狀態信息監控等，它能根據應用層提出的各種業務需求對基礎設施層的網絡資源進行合理調配。應用層是直接面對客戶的各種業務應用系統，它相當于人類大腦中各種各樣的想法，針對不同業務系統出現的各種各樣的需求，向控制層提出，控制層根據掌控的網絡資源進行調度和分配，盡量滿足應用層提出的各種應用需求。如圖1所示。

控制器是SDN網絡的關鍵，主控整個網絡的運行。目前已經有很多SDN控制器，例如RYU、OpenDaylight、Floodlight、ONOS等，它們都各有特色，能夠實現網絡拓撲的管理、流表下發、流量控制策略、網絡訪問策略等的制定。基礎設施層的主要設備是SDN交換機，也被稱為白盒交換機，在網絡中負責基于流表的數據轉發處理。控制器通過南向接口向SDN交換機傳達指令，SDN交換機的設備狀態、拓撲信息等也都經由南向接口向控制器傳達。南向接口相當于連接大腦與四肢的神經系統，是由ONF（開放網絡基金會）提出的。目前已經獲得了業界廣泛支持的南向接口協議——OpenFlow，已經成為了SDN領域的事實標準。OpenFlow協議解決了如何把控制器流表下發給SDN交換機等數據轉發設備的問題;同時ONF還提出了OF-CONFIG協議，旨在遠程配置和管理基礎設施層的SDN交換機等數據轉發設備，實現對SDN交換機等底層設備的集中化管理和控制。控制器與應用層是通過開放的北向接口連接的，是直接為應用層的業務應用服務的，它需要密切聯系具有多樣化需求的業務應用系統。北向接口的目標是使得業務應用能夠按需便利地調用底層的網絡資源。目前北向接口的標準尚未達成共識，但是其充分的開放性、靈活性、便捷性備業界廣泛認可。目前北向接口比較多樣化，RESTful API是目前被業務應用系統開發者經常使用的一種北向接口，是網絡中client客戶端和server服務端的一種交互形式。另外，部分傳統網絡設備生產商也在其現有設備上也提供了可編程網絡接口供業務應用調用，作為SDN北向接口。北向接口作為連接SDN控制器和用戶應用系統的重要傳輸通道，關乎SDN網絡的實際應用價值與能力，其接口標準仍未統一。

3? SDN與傳統網絡的比較

傳統網絡設備（如交換機、路由器、防火墻等）的控制層面與數據轉發層面綁定在一起，由設備生產商鎖定和控制，網絡的控制與物理網絡拓撲綁定，網絡設備是分布式管理機制;不同廠商生產的網絡設備采用的配置命令或專有協議，廠商間的私有協議、命令等并未實現標準化，網絡實施須每設備登錄配置，網絡工程實施人員需掌握不同廠商的配置命令等內容，增加了網絡運維管理的難度，用戶無法實現對不同廠商設備的集中控制與管理，同時應用層的設計也只能基于現有基礎設施生產廠商預設的功能，某些情況下為了實現新功能必須購置其他種類的設備，既增加了網絡運維成本，同時也極大地限制了網絡的靈活性。

SDN網絡與傳統網絡最大的區別是實現了控制層與基礎設施層的分離。通過開放的OpenFlow協議實現控制層與基礎設施層間的交互，采用標準化的SDN交換機替代不同生產廠商預制的傳統網絡設備。控制層與基礎設施層分離后，打破了傳統網絡設備的分布式管理機制，提高了設備管理的靈活性，可以實現網絡設備的集中管理。標準化通用設備SDN交換機替代傳統的專用預制設備，有效節約運營成本。傳統設備不僅需要較高的采購成本以滿足不同的應用需求，同時根據不同的業務應用需求對采用不同協議的設備進行配置也是一項需要消耗大量人力與時間的工作，進而帶來較為高昂的運營成本。使用標準化的設備以及控制層的集中管理可以有效提高設備的使用效率，并減少配置維護的人工投入。

4? SDN應用與趨勢

目前，SDN技術已經被全球各大公司的應用在不同場景，如，美國FOX公司利用SDN技術進行超級碗節目的轉播，用SDN技術實現報文在網絡中更細粒度的控制，利用控制器實現流量調度;谷歌公司將SDN技術應用于其骨干網，以改善其骨干網鏈路帶寬利用低的問題;國內的阿里為了應對每年的雙11活動，在阿里云和網絡采用了SDN技術，保證雙11期間巨大流量的網絡傳輸和彈性流量調度與資源調配。

當前，服務器虛擬化、存儲虛擬化等技術已經被廣泛應用在云計算平臺中，它們將最底層的CPU、內存、硬盤等物理資源以建立資源池的方式進行共享，根據需求進行動態分配給用戶使用。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用。OpenStack是目前在云計算領域中運用在SDN應用層的云管理平臺，應用層業務系統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，可便捷地調配SDN控制器主控的基礎設施層網絡資源。當有云計算平臺的云主機發出應用需求時，相關的數據轉發策略、網絡訪問策略等配置可以在OpenStack管理平臺上集中制定并進而驅動SDN控制器統一地、自動下發到相關的SDN交換機上。因此，網絡資源可以和計算、存儲等虛擬化資源一樣，以邏輯資源的形式統一呈現給業務應用開發者，開發者無需針對底層具體網絡設備耗費大量開銷，這有助于新業務應用和網絡功能的快速創新。

SDN逐步由技術驅動轉向應用驅動，由客戶需求、客戶應用來驅動SDN進一步向前發展。針對不同的業務需求，實現場景化、自動化、柔性化與開放性。

5? 結語

SDN這種新型網絡架構模式的實質是將網絡資源可編程化，最終目標是服務于多樣化的業務應用需求和創新，按需調配邏輯化的網絡資源、應對彈性流量、創新應用業務、縮短新網絡功能迭代周期等。

參考文獻

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