SDN特征剖析及典型應用介紹

沈慶國+張高明+駱堅

通過與基于策略的網絡管控、軟交換等技術的對比，梳理了SDN技術源流，闡述了SDN體系結構及其包含的網絡可編程、網絡虛擬化等技術思想，剖析了其創新特征和對網絡發展的意義；分析了SDN目前還缺乏清晰的商業模式、集中控制器存在狀態收集和可伸縮性等問題，指出違背復雜系統管控規律所帶來的局限性；介紹了SDN典型應用場景，說明SDN的適用范圍主要是在局部自治網絡中跨IP網、光網絡、無線網絡等層面進行一體化管控。

SDN OpenFlow 體系結構 可編程 虛擬化 適用性

Feature Analysis and Typical Application Introduction of SDN

SHEN Qing-guo， ZHANG Gao-ming， LUO Jian

（College of Communications Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007， China）

By comparing with policy based network control and soft switch， the technical origins of SDN are introduced. The SDN architecture， including the network programmability and network virtualization ideas， is illustrated. Its innovative features and the significance for network development are analyzed. The SDN is still lack of a clear business model and its centralized controller exists the problems in status collection and scalability. The limitations caused by the control principles of complex system are pointed out. In addition， the typical application scenarios of SDN are introduced and SDN is mainly suitable for the integrated control for IP networks， optical networks and wireless networks in local autonomous networks.

SDN OpenFlow architecture programmability virtualization applicability

SDN（Software-Defined Network，軟件定義網絡）自提出以后引起了網絡界的高度關注，世界上眾多研究結構、廠家和運營商紛紛進行技術研發、構想應用場景，成為最熱門的網絡技術之一，但其發展方向和應用前景卻需冷靜反思。本文首先對SDN的基本概念進行介紹，并重點分析OpenFlow接口、網絡可編程、網絡虛擬化等技術思想，梳理其技術源流，剖析其本質特點和實質意義；然后分析SDN在商業模式、可伸縮性等方面的問題；最后說明其適用范圍，闡述SDN在局部自治網絡中跨IP網、光網絡、無線網絡等層面集成管控上的應用潛力。

1 網絡控制集中化：控制規則和數據轉

發分離

為了提高網絡的管控能力，基于策略的管控思想在管理平面和控制平面中得到大量應用。策略是網絡管理和控制規則，說明了在特定條件下應當采取的網絡管控行為。當一個網絡系統行為方式發生變化時，只需對其策略進行修改就可滿足其變化要求，而不需要修改它的實現。這種策略規則與網絡實現相分離的機制，既提升了網絡管控能力，同時也為網絡的實現帶來了靈活性。

典型的策略具有“條件-動作”的結構。“條件”指明在具體的網絡狀態下應該執行什么操作行為，可以是分組流條件（IP分組頭部信息），或者是其他條件（用戶身份條件或設備條件）。由IETF制訂的策略管控框架被學術界和工業界廣泛接受。該框架主要由策略管理工具（PMT）、策略庫（PR）、策略決策點（PDP）、策略執行點（PEP）以及相關協議等組成，如圖1所示。它提供了粗粒度的實現方案建議，在具體應用中可根據需要進行必要的擴展。PDP負責管理轄區內的網絡設備，指定相應設備需執行的動作；PEP是具體的受控網絡設備，如路由器、交換機、防火墻等。PEP執行PDP發送來的決策，并將策略執行情況、系統狀態變化以及可用資源信息等告知PDP。通過策略管控方式，可以對網絡的路由、流量、帶寬等進行控制，提升網絡的服務質量和性能。不過，由于各網絡設備廠家實現方式不同，PEP有可能不能實現PDP發來策略所規定的目標。

策略規則和網絡實現相分離的思想，在OpenFlow網絡結構中得到進一步發展。OpenFlow是美國斯坦福大學提出的一種控制平面與數據平面相分離的新型網絡體系，在數據平面中用十數元組規則（即MAC地址、IP地址、套接字端口等）的形式制定數據分組轉發規則，以便保障分組流傳送服務質量。按照OpenFlow架構，將來的網絡是這樣的：底層的數據通路（交換機、路由器）是簡單的、標準化，具有設置流量策略表的標準接口，同時采用控制器來控制整個網絡。通過在控制器上透明調用底層設備的接口來進行策略規則編程，從而實現網絡的靈活管控，讓網絡軟件化。控制器相當于策略管控架構中的PDP，但可編程能力更強，避免了PEP可能不能實現策略目標的問題，同時結構更加清晰、策略規則產生更加方便和自動化。OpenFlow技術對未來的交換機、路由器、無線網絡網關等各種網絡設備的實現具有較大影響。endprint

2 可編程化和虛擬化：由軟件定義的網絡

OpenFlow具有網絡設備統一控制和可編程調整等特點。把OpenFlow的策略規則接口標準化、可編程化等思想進一步擴展，斯坦福大學等提出了軟件定義網絡SDN，其主要思想是使網絡接口開放，能按軟件編程的方式對網絡進行動態調節，便于網絡技術創新和能力提升。

SDN基本框架如圖2所示：

圖2 SDN基本框架

SDN的基本網絡要素包括如下：

（1）物理網絡轉發設備：提供標準的分組轉發功能，支持開放的設備控制接口如OpenFlow，該接口稱為南向接口；

（2）邏輯上集中的SDN控制器：是可編程的控制器，通過獲取全局網絡拓撲和運行狀態進行動態決策，并為上層具體應用提供編程接口（北向接口）；

（3）應用程序：該程序運行在控制器之上，利用控制器提供的編程接口，應用程序可以按軟件定義方式把整個網絡映射為一個虛擬網絡，在路由、帶寬管理、服務質量、安全等方面根據用戶要求進行靈活設置。

需要說明的是，SDN南向接口除了采用OpenFlow之外，還可采用其他協議。

SDN的基本特征包括：控制與轉發分離后的集中控制、控制平面與轉發平面之間的開放接口、網絡虛擬化。集中的控制平面可以控制全網中各個轉發設備，監視整個網絡狀態，進行全局優化控制。網絡虛擬化與以往的VPN、VLAN等虛擬網絡有些類似，都是在一個物理網絡上組建多個邏輯網絡，但以往的VPN、VLAN僅在第3層或第2層實現，而SDN網絡虛擬化涉及的協議層次更多，能更好地適應傳輸環境和用戶業務需求。

SDN的網絡可編程思想與下一代網絡（NGN）中的軟交換有些類似。軟交換是對傳統程控交換的變革，實現了業務提供和業務控制分離、呼叫控制和承載連接分離，呼叫控制由軟交換完成，并對外提供業務編程接口，方便智能業務研發、開放和互聯互通。一般認為NGN的功能分層結構可取三層或四層。國際分組通信協會（IPCC）提出的基于軟交換的NGN網絡結構分為四層：接入層、傳送層、控制層和業務層，如圖3所示：

圖3 基于軟交換的NGN網絡分層結構

SDN和軟交換在接口開放、靈活編程方面具有相同的技術理念，但它們所處的OSI層次不同：SDN是在網絡承載連接控制上的編程應用，主要屬于網絡層、傳輸層和MAC層；軟交換是業務呼叫控制上的編程應用，主要屬于會話層和應用層。從NGN框架的視角看，SDN是軟交換可編程化思想在承載層面的繼續。但是，SDN強調集中控制，而軟交換則并不要求集中控制（比如在端到端呼叫處理中有多個控制實體），這一差別將導致它們適用能力和范圍的不同。

3 SDN存在問題及局限性分析

SDN使控制面與轉發面分離后，可突破原有廠商的壟斷，其開放性便于新的組網模式的實現。

OpenFlow實質上是策略系統和跨層次交換技術的靈活實現。同樣，SDN更多的也是在網絡實現上的創新，其核心價值來源于它和上層應用的集成能力，讓電信運營商、服務提供商、企業快速地推出適應各種上層應用要求的網絡服務。但如何發揮這些能力，還有很多問題待解決。

首先，SDN的集中控制機制在多自治域互聯的廣域網中實現比較困難，其更適合在一個自治的局部網絡中使用。當存在多個自治域且每個自治域有不同的管理者時，一個自治域的所有者不愿意把其網絡設備交給其他管理者去控制，因此就會出現各自治域都是由自己的集中控制器管控的情況，而這些自治域控制器之間如何進一步集中控制則有待研究。一種可能的方法是借鑒BGP協議進行域間信息交換的思路，將SDN域間可達信息、各域轉發能力和策略封裝為SDN自治域服務API，供其他自治域控制器調用，不過這就又回到了分布式控制方式。

其次，控制器存在可擴展問題。全網絡集中進行決策和控制，需要巨大的處理能力和信息收集能力。盡管并行計算、云計算可解決處理能力問題，但整個網絡的狀態信息如何及時、準確地收集還沒有細致可行的方案。狀態信息是通過專用數據網絡上傳，還是使用某種廣播鏈路自動傳播？若是前者，則專用數據網絡如何構建、是否可擴展和可軟件定義？若是后者，則廣播式傳播在廣域網中又如何實現？僅僅提供一個OpenFlow接口并不能回答在大規模廣域網中信息收集問題，況且OpenFlow目前主要支持向網絡設備傳送流表配置數據，對網絡設備資源狀態信息（如鏈路誤碼率、剩余帶寬、內存利用率等）上報功能支持不夠。

最后，需要設計清晰的商業模式，讓SDN應用程序開發商能夠獲利，企業用戶能夠降低組網成本。近年來云計算發展非常迅猛，其獲得成功的一個重要原因就是應用和許可被隨時購買并生效，用戶不需要了解云計算系統基礎設施的細節和相應的專業知識，也無需直接進行控制，只要說明需要多大的計算能力、存儲空間，就能按需使用這些云計算系統提供的功能。就目前的研究狀況看，SDN還沒有提出一種可行的商業模式，相關的商業服務如何實現、如何購買還不清楚，但肯定不同于云計算模式。如果讓每個用戶直接編程設置底層網絡，既對用戶的網絡技術能力要求過高（用戶要了解其業務屬性、流量矩陣、帶寬要求、優先級等特征，才能有效定制其網絡），也會讓網絡的安全性、可擴展性大打折扣。

通過上述這些問題，說明SDN作為一個創新網絡，無論在技術模型還是商業模型上都還不夠細化，所適用的場景主要還是局部的、自治的組網應用，存在一定的局限性。這種局限性來源于節點轉發行為用流表規則標準化后呈現出簡單性的無形影響，從而有意無意地忽略了大規模網絡節點交互下所涌現的復雜性和非線性機制。SDN采取簡化路線來解決復雜網絡問題，即把多自治域系統組成的復雜網絡交給一個邏輯上的集中控制器進行管控，這就違背了復雜系統運作的基本規律。

由于SDN與目前IP網的轉發平面并沒有本質差別，SDN技術思想更多的只是在網絡實現上的創新。SDN看重的控制平面分離和開放所能發揮的作用，并不會像軟交換思想在通信網絡向NGN演進中發揮的作用那樣大。如上文所述，其原因就在于SDN和軟交換在是否集中控制上具有不同的特征。endprint

4 SDN技術的應用

SDN適合于在自治的、局部的網絡環境中使用。在一個自治網絡中，傳送層面、交換層面、路由層面等各層面網絡都可采用SDN的集中編程控制，而且還可設一個總的控制器在不同層面之間進行一體化管控。比如，通過采用OpenFlow技術，可在光交叉連接節點中實現虛擬的以太網交換能力，在OTN和IP網絡兩個層面間形成公共控制平面，使光網絡能更好地適應IP網絡流量變化，動態地按需提供帶寬，使得光網絡和IP網絡能夠應用一致的管控策略，并按SDN的思想實現協同重構。目前SDN在數據中心聯網、IP網和光網絡集成、無線網絡智能管控等方面的應用，都是這種思路的具體應用。

4.1 支撐云計算的數據中心虛擬化聯網

數據中心是云計算服務基礎設施部署的主要場所。數據中心網絡是一個局域性的二層網絡，傳統網絡技術已不能滿足云計算的需求，為SDN應用提供了機會。

數據中心可能同時運行成千上萬個虛擬機，每個虛擬機都有自己的MAC和IP地址。目前，主要通過虛擬交換機vSwitch實現同一臺物理服務器內部的虛擬機在二層互聯，跨物理服務器的虛擬機互聯交給傳統的二層交換機處理。虛擬交換機vSwitch運行于服務器操作系統內部，純軟件實現，簡單方便，但也存在兩大問題：一是虛擬機之間的流量監控問題，傳統的網管系統無法深入服務器內部進行流量監控，造成安全隱患；二是性能問題，虛擬機網絡流量越大，vSwitch就會占用越多的CPU資源進行報文轉發。

解決vSwitch存在問題的思路是把服務器內虛擬機通信流量發向服務器外部的二層網絡交換機。網絡交換機采用一種新型轉發模式，讓這些流量能夠從輸入端口“原路返回”，從而快速實現這些虛擬機之間的通信。傳統的橋接模式的網絡交換機都不支持這種“原路返回”，為此IEEE 802.1工作組正在制訂新的標準，以支持“原路返回”功能。

當虛擬機間的流量轉移到外面交換機上后，防火墻、服務質量（QoS）和端口監控等常規聯網控制功能都可方便地作用到虛擬機間流量上。當然，虛擬機間流量經過外面交換機再返回，會增加虛擬機間通信延遲。

由于數據中心網絡是一個自治的局部網絡，因此可以應用SDN技術，發揮其集中控制優勢。通過統一各二層交換機的網管接口可以實現集中拓撲探測，自動發現虛擬機間的二層連接群組關系，實現虛擬局域網VLAN的自動構建，做到虛擬機遷移過程中的動態組網，并保持IP地址不變。所需的“原路返回”功能可以在OpenFlow交換機上編程實現，而無需進行硬件升級。防火墻、QoS等作為SDN應用程序，可以在虛擬機組網路徑上實現動態插入。

當云計算環境是由2個或多個數據中心組成時，將會出現跨不同數據中心的分布式計算和虛擬機遷移需求，要跨數據中心組建二層交換網絡。目前主要是在IP網上建隧道實現二層互聯，通過IP隧道實現虛擬的二層鏈路（如虛擬出租線路VLL、虛擬專用局域網業務VPLS等）。這些隧道往往要手工建立，隧道數量和遠端虛擬局域網數量成正比，隧道兩端路由器之間要交換學習到的MAC地址信息，因此管理維護較復雜、開銷較大，在云計算模式下這些問題將更為嚴重。

采用SDN技術后，很容易通過編程方式實現設置遠端節點的IP地址、兩端哪些VLAN要相互聯結，自動建立三層隧道，并在三層隧道虛擬接口上開啟二層交換模式。既不需要升級網絡硬件，又提高了跨數據中心組網性能。

上述組網場景涉及到多層交換。多層交換是目前網絡產品廣泛應用的技術，比如大量應用的二層交換、三層交換、四層交換等技術。OpenFlow實質上是跨層次交換策略規則標準化的、靈活的實現。在數據中心組網中的應用，是SDN最成功的一種應用。這是由于有兩個有利條件：一是數據中心網絡是局部性的，且vSwitch原就是純軟件實現的；二是可將虛擬機組網服務融合在云計算商務模式中，從而避免單獨銷售SDN業務。

4.2 無線網絡中的應用

利用OpenFlow控制技術對無線移動網絡進行高效、靈活的網絡管理，是其提出之初就有的基本設想。NEC公司則在移動網絡中加以具體實現和應用，它基于SDN集中控制器監控各種無線信道質量和負載狀況，可在多種移動通信方式間實現動態切換，提高終端用戶的服務質量。此外，還利用OpenFlow智能流量管理功能對移動回傳網絡進行節能管理，在通信量相對較少的夜晚時段可以匯集網絡路徑，關閉多余的無線中轉站點的電源，從而節省能源。

瑞典Karlstad大學等基于SDN和OpenFlow提出了云化無線局域網CloudMAC，通過讓無線接入點（AP）僅具有MAC幀轉發功能，而將認證、MAC幀處理等功能上移到SDN集中控制器，可以方便地實現AP間無縫切換、跨層地靈巧躲避AP間信號干擾、不改變AP硬件僅靠軟件升級就能部署新組網功能等應用，如圖4所示。

中部瑞典大學的研究人員認為OpenFlow簡化節點分組轉發行為的特點適合傳感器節點能力受限的情況。目前傳感器網絡采用自組織聯網的方式，全網流量路由難以整體優化，端到端通信的可靠性也不高。通過在傳感器節點中增加流量感知和上報能力，網絡集中控制器能夠獲取全網流量矩陣，識別流量中繼關鍵節點，調節全網流量聚合路徑，提高端到端通信的可靠性。

5 總結

本文通過對軟件定義網絡SDN進行介紹，重點分析了OpenFlow接口、網絡可編程、網絡虛擬化等技術思想，指出SDN目前還存在缺乏清晰的商業模式、全局狀態收集和集中控制器可伸縮性等問題。

SDN技術思想更多的只是在網絡實現上的創新，對于復雜的大規模網絡所具有的可觀測性、可控制性問題并沒有突破，因此SDN更適合于在自治的、局部的網絡環境中使用，比如數據中心網絡、下一代傳送網絡、無線網絡。這些網絡都需多層交換或跨層面控制，都可采用SDN集中控制器進行一體化管控。本文通過分析其典型應用場景，闡述了SDN技術的適用范圍和應用潛力。盡管應用范圍有限，但SDN蘊涵的理念對通信網絡發展演進仍有重要的借鑒意義。endprint

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