軟件定義網絡技術及發展趨勢綜述

李紀舟,何 恩

(1.解放軍91746部隊,北京102206;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

軟件定義網絡技術及發展趨勢綜述

李紀舟1,何 恩2

(1.解放軍91746部隊,北京102206;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

軟件定義網絡是繼云計算、移動互聯網、大數據之后,信息通信領域又一熱議的對象,被稱作下一次網絡革命,對下一代互聯網發展有著重要的影響。首先介紹了軟件定義網絡的發展背景、原理、架構與內涵,然后闡述了SDN的關鍵技術,最后分析了SDN的優缺點及應用領域。

軟件定義網絡 關鍵技術 發展趨勢

0 引 言

互聯網自其發明以來,經過幾十年的發展,網絡規模快速擴大,業務不斷創新,用戶數量不斷增加,原有的網絡架構已經難以滿足未來發展需要。軟件定義網絡(SDN,Software-defined Networking)是一種新型的網絡架構模型,將控制與轉發分離,并通過開放的軟件定義API實現網絡功能的靈活重構,極大地改善了網絡的擴展能力和靈活性,成為信息通信領域熱議的又一對象,對下一代互聯網的發展有著重要的影響。

1 SDN發展背景

2006年,美國斯坦福大學聯合國家自然科學基金會(NSF)以及7家公司一起啟動了Clean Slate項目,目的是探索出一個全新的互聯網絡模型,擺脫目前Internet基礎架構的限制,利用新興技術,支撐新服務、新應用,發展出創新實驗平臺[1]。Clean Slate項目提出了Ethane網絡架構,通過一個中央控制器向基于流(Flow)的以太網交換機下發策略,交換機根據接收到的策略進行轉發。Ethane架構的提出是軟件定義網絡(SDN)技術的思想源頭。

2008年4月,在Ethane架構基礎上,斯坦福大學的研究者們又進一步提出了OpenFlow的概念,并發表了題為《OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks》的論文,首次闡述了OpenFlow的工作原理及應用場景等[2]。2009年,Technology Review (MIT)發表了一篇介紹OpenFlow的文章,用“軟件定義網絡(SDN)”一詞描述OpenFlow技術所帶給網絡變革的作用,這是世界上第一次正式使用SDN一詞。同年,Technology Review網站將SDN技術評選為年度十大前沿技術。自此SDN技術開始被學術界和工業界廣泛關注,迅速發展起來。

在工業界,2010年1月,Google數據中心開始采用OpenFlow技術。4月,Big Switch開始投資OpenFlow領域。2011年3月,開放網絡聯盟(ONF)成立,標志著SDN/OpenFlow從單純的學術研究正式過渡到產業化發展的軌道中。ONF的發展異常迅速,其成員幾乎囊括了IT產業鏈上下游的所有重要廠家。2011年10月,ONF召開OpenFlow第一屆年會Open Networking Summit。2012年,被業界稱作SDN商用元年。期間,思科、瞻博科技、Extreme網絡三大公司發布了最新的SDN發展藍圖;虛擬化技術和云基礎架構廠商VMware以12.6億美元收購SDN的先驅、開源政策網絡虛擬化私人控股企業Nicira。到2012年初,Google通過SDN在其數據中心廣域網中實施了流量工程和優先級調度試驗工作,將鏈路使用效率從平均的30%～40%提升到接近100%。

在學術界,2012年8月,國際互聯網研究的頂級學術會議SIGCOMM成立Hot SDN Workshop專門會議,并于2013年將SDN納入SIGCOMM主會的征稿議題。斯坦福、普林斯頓等著名大學涌現了較多與Openflow/SDN有關的研究項目,涉及到網絡安全、路由決策、網絡虛擬化、無線接入、數據中心節能等研究領域。

在標準推進方面,ONF專門致力于軟件定義網絡及其核心技術OpenFlow的標準化以及商業化。2012年1月,ONF發布了OpenFlow管理和配置協議第一個版本(OF-CONFIG 1.0&1.1)。2012年4月,ONF發布OpenFlow 1.3,開始支持多級流表驅動的轉發模型。同月,發布了SDN白皮書。2013年發布OpenFlow 1.4版,提供OpenFlow-hybrid機制解決Hybrid SDN(混合式SDN網絡)兼容問題,目的為降低對既有網絡設備的沖擊。同年又啟動Open-Flow一致性測試項目,來認證供應商在交換器,路由器和網絡軟件中SDN協議的實施。在ONF的不懈努力下,OpenFlow成為當前業界影響力最大的SDN協議。

除ONF外,包括互聯網工程任務組(IETF)、國際電信聯盟(ITU)、歐洲電信標準協會(ETSI)也在推動了SDN的發展和應用。

2 SDN原理、架構及內涵

目前,學術界和工業界討論的“SDN”一般分為廣義和狹義兩種[3]:其中,廣義SDN一般指向上層應用開放資源接口,能夠實現軟件編程控制的各種基礎網絡架構;狹義上的SDN,則專指符合ONF定義的開放架構,在控制器控制下基于標準OpenFlow協議進行轉發的網絡架構。無論廣義還是狹義, SDN無外乎包括以下設計思想:

1)控制與轉發分離。

2)使用開放的、中立于設備提供商的網絡控制接口,在狹義SDN中規定采用Openflow,而廣義SDN不限于Openflow,可以采用SNMP、Netconf、XMPP等其他控制協議或接口。

3)邏輯上集中的控制平面(網絡操作系統):維護網域視圖,并向應用開發者提供定義良好的開放API。

ONF定義的SDN架構如圖1所示。從下向上,分為基礎設施層、控制層及應用層[4]。

圖1 SDN架構Fig.1 SDN infrastructure

基礎設施層:又稱數據轉發層,由網絡的底層轉發設備組成,包含了特定的轉發面抽象。負責基于業務流表(Table)的數據處理、轉發和狀態收集,根據控制層下發的指令,對數據進行轉發。

控制層:又稱為網絡操作系統(NOS),具體負責處理數據轉發平面資源的抽象信息,支持網絡拓撲、狀態信息的匯總及維護,可通過基于應用的控制來調用不同的轉發平面資源。控制層由控制軟件實現,擺脫了硬件設備對網絡控制功能的束縛,主要負責集中維護網絡拓撲及網絡狀態信息,實現不同業務特性的適配。利用控制數據平面接口,控制層可以對底層網絡設備的資源進行抽象,獲取底層網絡設備信息,生成全局的網絡抽象視圖,并通過API接口提供給上層應用。其結果是,對于上層應用程序來說,網絡呈現為一個單一的邏輯開關。通過這種軟件模式,網絡管理人員可以靈活配置、管理和優化網絡資源,實現了網絡的可編程及靈活可控。

應用層包括了各類控制平面的應用,主要負責管理和控制網絡對應用轉發/處理的策略,并支持對網絡屬性的配置,提升網絡利用率、支持安全及QoS的控制。應用層能夠根據不同的網絡應用需求,進而調用與控制層相接的應用編程接口(API),完成不同應用程序的功能。利用API接口,業務應用可以充分利用網絡的服務和能力,并在一個抽象的網絡上進行操作,實現常見的網絡服務,包括路由、組播、安全、訪問控制、帶寬管理、流量工程、服務質量、處理器和存儲優化、能源使用以及各種形式的政策管理,量身定制以滿足業務目標。

SDN網絡中的工作流程是,控制層的控制軟件與基礎設施層中的網絡設備通過控制數據面接口(南向接口)交互,與應用層中的APP通過開放的API(北向接口)交互;網絡基礎設施相當于傳統網絡中的交換/路由角色,稱作OpenFlow交換。Open-Flow交換由安全通道、流表和OpenFlow協議組成,主要負責管理數據層面的轉發。OpenFlow交換機接收到數據報文后,首先去查找(flow table)流表,進行報文的匹配,如果數據匹配,則執行相關動作。如果達不到匹配表項的條件,則把數據報文轉發給控制層,由控制層決定是否轉發。控制層是通過OpenFlow協議來更新OpenFlow交換機中的流表(flow table),進而完成對網絡流量的集中管控。控制層對底層的網絡設備資源進行抽象,為上層應用提供全局的網絡抽象視圖,這一切都由軟件來完成,擺脫了硬件網絡設備對網絡控制功能的約束和捆綁。應用層利用控制層的開放接口,對控制層的網絡抽象進行編程,進而操控各種流量模型和各類應用的網絡流量,使應用產生的流量對網絡進行感知,實現了網絡的智能化。

SDN架構下的網絡,主要有控制器和OpenFlow交換機兩種設備,控制層的網絡操作系統和應用層的網絡控制平面應用通常一起實現在控制器中。

SDN架構使網絡的智能都集中在邏輯上中心化的網絡操作系統及其應用上,網絡運營商可以通過北向接口來開發各種定制化的控制平面網絡應用,而網絡設備不需要理解各種復雜的網絡協議,只需要按照SDN控制器通過南向接口下發的指令轉發數據。這樣,使網絡變成了一臺可以編程的計算機,使以往由網絡設備完成的控制層面智能開放到運營商和網絡管理員可以編程的程度,以更靈活的滿足網絡的需求。

3 SDN關鍵技術

ONF頒布的SDN白皮書和OpenFlow標準協議涉及的關鍵技術主要有[3]:

3.1 網絡操作系統(NOS)

網絡的核心功能及所有智能化功能均體現在網絡控制器中,也稱作網絡操作系統(NOS)。由網絡操作系統對轉發面進行轉發策略的調度和管理,然后通過無智能的快速轉發面設備,支持運行在網絡操作系統上的各類業務。

3.2 轉發面抽象建模

對轉發面進行抽象建模是SDN的關鍵技術,在SDN OpenFlow協議中,轉發面設備被抽象為一個由多級流表(flow table)驅動的轉發模型。

3.3 OpenFlow技術

OpenFlow技術指開放網絡聯盟制定的轉發面控制標準協議,這是目前發展最完善的SDN技術。該協議將轉發面設備抽象成一個由多級流表(flow table)組成的轉發模型,網絡操作系統通過Open-Flow協議,下發OpenFlow流表到具體交換機中,進而控制、管理交換機的具體行為。此外,ONF還制定了OpenFlow交換機的配置管理協議OF-Config,可通過該協議對OpenFlow交換機進行配置,Open-Flow和OF-Config協議都提供了開放的、靈活配置手段。

OpenFlow協議主要包涵四個方面內容:(1) OpenFlow的端口(Port)。OpenFlow規范將Switch上的端口分為3類:a)物理端口,即設備上物理可見的端口;b)邏輯端口,在物理端口基礎上由Switch設備抽象出來的邏輯端口,如為tunnel或者聚合等功能而實現的邏輯端口;c)OpenFlow定義的端口。目前總共定義了ALL、CONTROLLER、TABLE、IN_PORT、ANY、LOCAL、NORMAL和FLOOD等8種端口。(2)OpenFlow的流表。OpenFlow通過用戶定義的或者預設的規則來匹配和處理網絡包。(3)OpenFlow的通信通道。協議定義了一個Open-Flow Switch如何與Controller建立連接、通訊以及相關消息類型等。共有三種消息類型:Controller/ Switch消息、異步(Asynchronous)消息、對稱(Symmetric)消息。(4)OpenFlow協議及相關數據結構。

試卷共分兩部分，第一部分為單項選擇題，共25小題，每題2分，共50分；第二部分為非選擇題，共8小題，共50分。考查分值所占比例較高的章節有： 生物的遺傳和變異(9分)，生物與環境(9分)，人體生命活動的調節(8分)，綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡(7分)。

3.4 應用開放接口

SDN上層網絡應用開放的應用編程接口,在NOS的控制下,實現開放化,支持控制器軟件的多樣化和業務定制的網絡功能。網絡操作系統將應用接口進行封裝,并對上層應用開發者進行開放,能使應用APP或者運營商根據自身的需求,靈活地配置、增加或刪除業務,允許用戶定制、二次開發以及集成第三方業務。應用開放接口可使策略管理和用戶之間快速協同,更好地滿足智能管道時代個性化用戶的各種業務需求,方便用戶體驗。

4 SDN網絡的優勢及存在的問題

SDN網絡采用了控制功能與數據平面的分離理念,實現了網絡可編程管理,為集中化、精準化地控制網絡提供了方便。因此,相對于傳統網絡架構而言,SDN網絡具有如下優勢[5]:

1)只需對軟件進行更新,即可實現對網絡功能升級,無需再針對每一個硬件設備進行配置,通過網絡服務和應用程序的形式可直接部署實現網絡配置,提高網絡部署周期。

2)通過控制軟件的集中化控制,研究者、企業和運營商可從一個單一的邏輯點獲得全網控制權,極大地簡化了網絡的設計和運行,從而加速了網絡創新周期。也方便從宏觀角度配置網絡傳輸帶寬等資源,提高網絡資源的利用率。

3)SDN使封閉的網絡設備走向開放,使得網絡設備不再需要理解和處理成千上萬的協議標準,極大地簡化了底層網絡設備的功能,有效降低了網絡復雜度及網絡構建成本。也簡化了運維管理的工作量,大幅節約運維費用。

4)SDN網絡實現了轉發與控制分離,使網絡控制功能軟件化,方便網絡的智能化與自動化及硬件的標準化,業務功能的軟件化便于新網絡業務的快速部署和測試。同時,SDN網絡實行網絡協議集中處理,便于提高復雜協議的收斂速度和運算效率

5)SDN網絡具有可編程性,能夠在一個底層物理基礎設施上加速多個虛擬網絡,可通過SDN的網絡操作系統(NOS)分別為不同的網段實現QoS(服務質量),擴大了網絡功能的靈活性和差異化服務的程度。

6)SDN架構將側重于硬件的網絡智能管理,轉向側重于依靠軟件管控,用戶不需要更新原有的硬件設備就可以實現新的網絡功能。同時,SDN整合和簡化了控制功能,使網絡的硬件設備變得更加安全可靠,也降低了設備購買和運營的成本。另外,控制功能和數據功能分離之后,用戶可以通過軟件單獨開發控制功能,還可以將軟件控制功能固化在專用集成電路、芯片或者服務器設備中。

7)具有安全優勢。擁有了自由遷移的SDN網絡后,管理者能夠通過快速且高水平地查看網絡的所有區域以及修改網絡來改變規則,進而快速限制以及從中央視角查看網絡內部的威脅,可以有效地作出更改。SDN快速對網絡作出調整的能力,使管理人員以更安全的方式來執行流量整形和數據包QoS。

SDN架構相對于傳統網絡架構具有諸多優勢,是下一代互聯網的發展方向,已成為各界研究的熱點技術之一,但仍然存在一系列尚待解決的問題。

1)大型網絡中引入SDN技術,多域的組網以及大量轉發設備的控制算法非常復雜,且SDN技術中基于流的轉發性能是否能支持互聯網海量的數據轉發有待驗證。

2)SDN架構中的控制器,也稱作網絡操作系統(NOS)是網絡的關鍵部件,NOS將會和計算機操作系統、智能手機操作系統一樣成為網絡鏈條中的核心,集中式的控制器將給網絡安全帶來高的風險,并且要求網絡操作系統(NOS)的控制能力更具有靈活性、自適應性。

3)SDN技術的標準除了南向接口OpenFlow的協議比較明確外,控制層的標準以及控制層的北向接口都還未得到業內的統一認識,標準化的力度還較弱,難以形成可商用化的系統或者設備。

4)SDN網絡架構下,網絡操作系統需要為每一條流制定優化的路由選擇,運算量大,并且運算量會隨著控制網元數量的增加而大規模的上升。同時, SDN架構的不同應用會建立起不同的邏輯網絡,大量的應用程序運行,相互之間會產生干擾或妨礙,使一些功能無法發揮,造成對網絡資源的激烈競爭。為了協調各應用程序的正常運行,提高網絡資源利用率,往往會提高網絡資源分配算法的復雜度,也會造成運算量的指數級上升。另外,為了實現網絡的可編程性,應用程序一般會對環境擁有較大的控制權,這樣反而很容易導致網絡系統的崩潰。

5)SDN目前還處于發展的初期階段,在體系結構設計、接口抽象、控制平面擴展以及虛擬化管理方面還需進一步研究,原型系統研制、實驗平臺構建、新型網絡體系結構和業務支持驗證等方面尚不成熟。

6)SDN網絡的架構是采取集中控制模式,面臨著集中所帶來的“單點失效”缺點,易造成固有的安全性隱患。

5 SDN應用領域

目前,SDN主要用于校園網、數據中心、網絡管理、安全控制和負載均衡等領域,隨著SDN技術的深化發展,其應用領域會更加廣泛[2]。

5.1 應用于校園網

基于OpenFlow技術的SDN,當初就是針對校園網設計的,OpenFlow技術是通過構建一個可以靈活配置網絡新協議和新算法的創新模型,實現基本的網絡管理和安全控制功能。美國斯坦福大學及多所高校已部署了30多個基于OpenFlow技術的SDN網絡,搭建了應用環境。

5.2 應用于數據中心

隨著云計算和大數據技術的發展,數據中心處理的數據呈現出“大數據”特征,規模大、速度快、流量大。數據中心的交換機層次管理結構復雜,隨著技術的發展,原有的信息系統不斷被功能更強大的新系統所取代,需要對服務器和虛擬機進行快速配置和數據遷移。如果不能在大量的服務器機群中進行快速高效的尋址與數據傳輸,就極容易造成網絡擁塞,發揮不出網絡功能。在數據中心網絡中部署OpenFlow交換機,可以借助SDN技術,實現高效尋址、優化傳輸路徑、負載均衡等功能,提高數據交換的效率,提高數據中心的可控性。Google的數據中心廣域網(B4)給出了一個SDN實際商用的案例。

5.3 應用于網絡管理

SDN網絡架構下的數據流是由控制層決定是否轉發數據,可以通過軟件實現對網絡的技術管控,方便網絡管理的實現,特別是動態路由、負載平衡、流量管理等功能,可以通過配置控制層提前設置數據轉發策略,進而實現可視化的網絡管控模式。

5.4 應用于網絡安全

隨著SDN應用技術的發展,其在網絡管理中的應用優勢明顯。SDN網絡的流管理功能很容易進行擴展,能方便實現數據流的安全控制,因此,可以將SDN技術應用于網絡的安全控制,提升網絡安全。目前,SDN在校園網的部署里,有很多應用都是針對網絡安全管控設計的。例如,NEC公司系統平臺研究實驗室針對目前校園網劃分VLAN進行訪問控制不夠靈活、配置難度大的現狀,提出了一種基于Openflow的網絡訪問控制方案,顯著提高了網絡訪問控制的自動化程度,不需要針對每個交換機進行繁瑣的配置,降低了由于WIFI接入用戶經常移動、部門變動而帶來的VLAN重新劃分的工作量。

5.5 應用于負載均衡

傳統的負載均衡方案一般需要在服務器集群的入口處,通過一個gateway或者router來監測、統計服務器工作負載,并據此動態分配用戶請求到負載相對較輕的服務器上。SDN網絡中所有的網絡設備都可以通過OpenFlow進行集中式的控制和管理,同時應用服務器的負載可以及時地反饋到Open-Flow控制器,使SDN非常適合做負載均衡的工作。

6 結 語

SDN(軟件定義網絡)采用控制和轉發的分離架構,使研究者可以通過軟件實現任意的網絡控制邏輯,而不需對網絡設備本身進行修改,具備極強的靈活性,已經在路由決策、網絡虛擬化、無線接入、云計算數據中心網絡等領域得到研究和應用,成為一項熱點技術。自從SDN概念于2009年提出后,SDN技術發展已有較大的進步,但從實際應用看,還仍然處于發展階段,包括Openflow芯片、網絡操作系統設計等難點問題值得深入研究,而實際的大規模商業應用也還有待驗證。

[1] 郭春梅.SDN網絡技術及其安全性研究[J].信息網絡安全,2012(08):112-114.

GUO Chun-mei.Research on Technology and Security of Software-Defined Networking[J].Netinfo Security,2012 (08):112-114.

[2] 左青云.基于OpenFlow的SDN技術研究[J].軟件學報,2013,24(05):1078-1097.

ZUO Qing-yun.Research on OpenFlow-Based SDN Technologies[J].Journal of Software,2013,24(05): 1078-1097.

[3] 劉露.對SDN技術的研究與思考[J].互聯網天地, 2013(03):1-3.

LIU Lu.Research and Thinking of Software Definition Network[J].China Internet,2013(03):1-3.

[4] 張順淼.軟件定義網絡研究綜述[J].計算機應用研究,2013,30(08):2246-2251.

ZHANG Shun-miao.Survey on Software Defined Network Research[J].Application Research of Computers,2013, 30(08):2246-2251.

[5] 鄭毅.SDN的特征、發展現狀及趨勢[J].電信科學, 2013,29(09):102-107.

ZHENG Yi.Characteristics,Development and Future of SDN[J].Telecommunications Science,2013,29(09): 102-107.

LI Ji-zhou(1967-),male,senior engineer,mainly engaged in the research of information security and communications technology.

何 恩(1980—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為信息安全。

HE En(1980-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in information security.

Technologies and Future Development Trend of Software-Defined Networking

LI Ji-zhou1,HE En2
(1.Unit 91746 of PLA,Beijing 102206,China;2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

SDN(Software-Defined Networking),which is called a new networking revolution and has great influence on the next generation of the Internet,is a hot topic after cloud computing,mobile internet,big data in the area of information and communication.This paper firstly introduces the background,principle,architecture and connotation of SDN,then elaborates on its key technologies,finally analyzes its advantages and shortcomings as well as application area.

SDN(Software-DefinedNetworking);key technology;development trend

文獻標志碼：A

1002-0802(2014)02-0123-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.001

李紀舟(1967—),男,高級工程師,主要研究方向為信息安全與通信技術;