SDN技術介紹及其在IP播出網絡中的應用探索

任會影

（天津廣播電視臺，天津300000）

隨著SDN技術的不斷發展完善，其應用的范圍、行業越來越廣，SDN技術在IP播出網絡中的應用需要人們去認真研究學習。

1 傳統IP轉發網絡的局限性及SDN技術的產生

1.1 傳統IP轉發網絡的局限性

1.1.1 流量路徑的靈活調整能力不足

以網絡中最常見的“魚”型圖（如圖1所示）為例，從R1或者R2訪問R6時，所有的數據流量不管網絡狀況如何都將通過R7完成轉發，R4和R5無流量經過，從而造成某些鏈路超數據量負荷，有些鏈路處于閑置狀態，即對目前的網絡狀況沒有一個全局的了解。如果有一個核心的“大腦”能夠通過實時計算，掌握網絡各種細節、狀況，指揮流量分擔，從而改變轉發路徑，一部分數據流量通過R7完成轉發，一部分流量通過R4和R5完成轉發，最終靈活完成網絡配置。

圖1 “魚”型圖

1.1.2 網絡協議實現復雜，運維難度較大

一個傳統網絡的基本架構，如果要做到路由聯通，所有的設備都需要單獨配置動態路由協議，如OSPF、ISIS、RIB等，如果要運行BGP還需要提前對網絡做好規劃，如怎么避免環路、怎么避免路由收不到等，從而使網絡配置復雜，對運維工程技術人員的要求也較高。

1.1.3 網絡新業務升級速度較慢

如果網絡業務或者需求發生變化，需重新調整所有的路由器、網絡設備等，從而造成網絡新業務升級速度過慢，此時需要一個“大腦”負責升級指揮網絡新業務，由它下發升級指令，所有設備統一快速完成升級。

1.2 SDN技術的產生

基于以上傳統轉發網絡的局限性，SDN技術應運而生。SDN（Soft ware Defined Network）即軟件定義網絡，2006年斯坦福大學教授NIKE及其團隊首先提出了OpenFlow的概念，并基于該技術實現了網絡的可編程能力，從而使網絡像軟件一樣可以靈活編程。

2 SDN技術介紹

SDN的三個主要特征為轉控分離、集中控制、開放接口。

2.1 轉控分離

網元的控制平面在控制器上，負責協議計算，產生流表。轉發平面只在網絡設備上，這點與實際網絡系統中的框式設備有著本質不同，如播出系統中使用的H3CS7506E系列核心以太網交換機，它的基本結構從上到下依次為主、備交換路由引擎，以及按照需求配置的插槽模塊，但是這種方式只是結構上的變化，并不是實際意義上的轉控分離。

2.2 集中控制

設備網元通過控制器集中管理和下發流表，不需要對設備進行逐一操作，只需要對控制器進行配置即可。

2.3 開放接口

第三方應用只需要通過控制器提供的開放接口，以編程方式定義一個新的網絡功能，然后在控制器上運行即可。

需要特別注意SDN控制器既不是網管，也不是規劃工具。網管沒有實現轉控分離，網管只負責管理網絡拓撲、監控設備告警和性能、下發配置腳本等，但這些仍然需要設備的控制平面負責產生轉發表項。規劃工具的目的和控制器不同，規劃工具是為了下發一些規劃表項，這些表項并非用于路由器轉發，是一些為網元控制平面服務的參數，比如IP地址、VLAN等。控制器下發的表項是流表，用轉發器轉發數據包。

SDN是對傳統網絡架構的一次重構，由原來的分布式控制的網絡架構重構為集中控制的網絡架構。其網絡體系架構模型可分為三層：協議應用層、控制層、轉發層，下面逐層進行介紹。

轉發層位于最底層，主要由轉發器和連接器的線路構成基礎轉發網絡，這一層負責執行用戶數據的轉發，轉發過程中所需要的轉發表項由控制層生成。即由一系列高性能高背板帶寬的轉發器組成，各種表項都支持，但是自己卻沒有運算能力，能夠很好地完成控制器交給的任務。

控制層是系統的控制中心，即“大腦”控制器位置所在，負責網絡的內部交換路徑和邊界業務路由的生成，并負責處理網絡狀態變化事件，它由SDN控制器組成，通過OpenFlow協議協調控制底層的轉發器，實時掌控整個網絡的工作狀態。控制器的北向接口通過API連接APP，實現網絡結構編程，南向接口連接控制器，負責任務下發指令。

協議應用層通過API提供一個可編程接口，以APP或者其他方式登錄進來，從而對網絡進行編程，使網絡配置更加靈活。這一層主要是體現用戶意圖的各種上層應用程序，此類應用程序稱為協同層應用程序，典型的應用包括OSS、Openstack等。

傳統的IP網絡同樣具有轉發平面、控制平面和管理平面，SDN網絡架構也同樣包含這3個平面，只是傳統的IP網絡是分布式控制的，而SDN網絡架構下是集中控制的。

SDN基本工作原理：APP業務平臺作為任務發起端通過API接口將任務下發給控制器。通常控制器作為服務端，轉發器主動向控制器發起控制協議建立申請，通過認證后，控制協議即建立連接，即轉發器先要在控制器中完成信息注冊，注冊完成后有一個資源上報過程，這些資源信息包括接口、標簽、VLAN資源、設備廠家信息（設備類型信息、設備版本號、設備ID信息）、網絡拓撲信息等，控制器采集這些信息是為了根據這些信息進行本地搜索和加載相應驅動程序。通過搜集這些信息，控制器最終能夠根據網絡資源計算合理的路徑信息，通過流表方式下發給轉發器，由轉發器執行最終任務。

3 SDN技術的價值

SDN的可編程性和開放性，使人們可以快速開發新的網絡業務和加速業務創新。如果希望在網絡上部署新業務，可以針對性修改SDN軟件，實現網絡快速編程，業務快速上線，SDN網絡在網絡架構中增加了一個SDN控制器，把原來的分布式控制平面集中到一個SDN控制器上，由這個集中的控制器來實現網絡集中控制，其技術原理是通過SDN控制器的網絡軟件化過程來提升網絡可編程能力。通信平面包含管理平面、控制平面和數據平面，SDN網絡架構只是把系統的三個平面的功能進行了重新分配，傳統網絡控制平面是分布式的，分布在每個轉發設備上，而SDN網絡架構則是把分布式控制平面集中到一個SDN控制器內，實現集中控制，而管理平面和數據平面并沒有太多變化。SDN網絡具備快速網絡創新能力，如果這個新業務有價值則保留，沒有價值可以快速下線。不像傳統網絡那樣，一個新業務上線需要經過需求提出、討論和定義開發商開發標準協議，然后在網絡上升級所有的網絡設備，經過數年才能完成一個新業務。SDN使得新業務的上線速度從幾年加快到幾個月或者更快。

4 SDN技術在IP播出網絡中的應用

傳統電視播出系統經歷了模擬、數字、標清、高清這樣的發展階段，隨著4K、8K時代的到來，普通的同軸電纜傳輸信號方式已經無法滿足需求，IP化播出網絡已成為各個臺未來的制播系統首選，其中SDN技術在IP播出網絡中的應用已經成為大家關注的焦點[1]。

一個典型的IP組播播出網絡系統采用兩臺SDN交換機配合控制器，SDN管理機為主體，所有的信號如視頻服務器、外來信號源等以靜態IP組播信號的方式接入交換機，數據的轉發由交換機完成，由SDN控制器負責，這樣形成了與傳統播出結構類似的IP矩陣，下游接多選一設備以終端切換方式（IGMP協議）完成信號最后的輸出。

5 結語

SDN技術誕生得很早，但是轉入實際應用，尤其是在廣電行業的應用興起于近幾年，學習SDN技術，熟悉SDN技術在IP播出網絡中的應用，對于每一位廣播電視技術工作者都極為迫切，希望通過本文的介紹，大家能對SDN技術在IP播出網絡中的應用有所了解。