軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新探索

智勇 博科通訊有限公司，上海

1 SDN的概念和優(yōu)勢

1.1 SDN的概念和架構(gòu)

SDN技術(shù)源自于斯坦福大學(xué)的Clean State項目，其目標(biāo)是打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的封閉格局，開創(chuàng)更加開放和靈活的網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)。近幾年來，SDN越多越來越的得到了網(wǎng)絡(luò)廠商、解決方案提供商和最終用戶的普遍關(guān)注和重視。軟件定義網(wǎng)絡(luò)，顧名思義就是將軟件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)硬件平臺通過開放式的API接口相結(jié)合，通過軟件的可編程、可定制和自動化特性，實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)硬件平臺上的集中化管理、自動化運維、快速的功能開發(fā)和靈活的業(yè)務(wù)部署。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以看做是一套封閉的軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，各廠商在其專用的硬件平臺甚至專用芯片之上，配合各自獨有的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，提供不同風(fēng)格的管理界面。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，一方面需要用戶在設(shè)備上進行配置和設(shè)定，另外設(shè)備之間也通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行交互，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)表項的生成和數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)。 而在SDN網(wǎng)絡(luò)中，則采用了層次化的架構(gòu)和開放式的模型（圖1）:整個網(wǎng)絡(luò)劃分為SDN應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)控制器層和硬件轉(zhuǎn)發(fā)層。通過網(wǎng)絡(luò)控制器與上層應(yīng)用平臺之間的北向接口（Northbound Interface）以及控制器與硬件設(shè)備之間的南向接口（Southbound Interface），實現(xiàn)控制信令的下發(fā)、流量信息的采集、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測以及數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 SDN網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)架構(gòu)

1.2 SDN相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺的運行模式，將設(shè)備的控制層從各個廠商專有的操作系統(tǒng)平臺中抽取出來，通過靈活的可編程軟件系統(tǒng)與設(shè)備之間標(biāo)準(zhǔn)的API接口，實現(xiàn)控制信令的收發(fā)和數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式具備了很多方面的優(yōu)勢:

1.2.1 避免廠商鎖定。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用了封閉的軟硬件一體化架構(gòu)，提供了各自獨特的操作系統(tǒng)界面、接口甚至私有協(xié)議。而SDN通過層次化的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的接口，構(gòu)建了全新的開放式系統(tǒng)，使得用戶能夠避免被特定廠商設(shè)備的界面、接口和協(xié)議鎖定，擁有更多的選擇權(quán)；

1.2.2 確保互聯(lián)互通。不同廠商的設(shè)備在互聯(lián)時，即便都是采用了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，但各自的實現(xiàn)方式各有不同，因此常常會出現(xiàn)互通的問題。SDN在能夠有效避免設(shè)備之間復(fù)雜的協(xié)議交互，提升設(shè)備之間的互聯(lián)互通的兼容性；

1.2.3 提高開發(fā)效率。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上開發(fā)新的功能和特性，需要綜合考慮到底層的硬件架構(gòu)、操作系統(tǒng)的支持、與其他功能的兼容性，同時還受限于各廠商各自的計劃和進度（一般以月或者季度來計算）。而SDN模型通過將上層控制系統(tǒng)與底層硬件平臺解耦，特性的開發(fā)將更多的側(cè)重在外部獨立的應(yīng)用軟件平面，開發(fā)周期能縮短到以周甚至天來計算，因此用戶能夠更加有效的把控并推進新業(yè)務(wù)的部署。

1.2.4 簡化管理維護。SDN模式下，管理員主要是面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)來進行配置和維護，軟件系統(tǒng)能夠提供更加友好的使用界面，大大簡化管理維護難度。同時，SDN減少甚至消除了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間大量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交互，因而能夠降低了整個網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。

1.2.5 提高利用效率。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，每臺設(shè)備都是一個獨立的個體，有各自的路由策略和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，很難做到全網(wǎng)資源的統(tǒng)一調(diào)度。SDN能夠通過集中的應(yīng)用系統(tǒng)，面向整個網(wǎng)絡(luò)平臺，綜合考慮設(shè)備負(fù)載、鏈路負(fù)載、轉(zhuǎn)發(fā)延時、線路費用等因素，進行全網(wǎng)的資源狀態(tài)收集和全局的資源調(diào)度，實現(xiàn)最優(yōu)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，提升整網(wǎng)的利用效率。

1.2.6 推進自動化運維。SDN能夠充分發(fā)揮軟件靈活和自動化的特性，將傳統(tǒng)的需要人工完成的重復(fù)性、機械性、觸發(fā)性的工作轉(zhuǎn)化為軟件的自動化執(zhí)行，進一步與網(wǎng)絡(luò)的故障、配置、計量、性能和安全管理相結(jié)合，推進網(wǎng)絡(luò)管理和運維的自動化。

2 SDN混合部署模式

2.1 SDN混合部署模式及轉(zhuǎn)發(fā)邏輯

所謂的混合模式的SDN，如圖2所示，就是在硬件設(shè)備的控制層面保留傳統(tǒng)路由交換協(xié)議的同時，開啟SDN相關(guān)協(xié)議，接受來自外部集中控制層面下發(fā)的指令，并且允許在同一物理端口同一VLAN上同時使能這些協(xié)議。設(shè)備在進行轉(zhuǎn)發(fā)時，能夠支持基于SDN控制層面所下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)表項，如Openflow流表進行轉(zhuǎn)發(fā)，也能夠通過傳統(tǒng)路由交換協(xié)議所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)表進行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 SDN混合模式的架構(gòu)

當(dāng)設(shè)備處于SDN混合模式時，為了避免路由交換協(xié)議與SDN協(xié)議之間產(chǎn)生沖突，針對不同情況下采用何種轉(zhuǎn)發(fā)方式，這在混合模式設(shè)計之初就需要有明確的設(shè)定，以O(shè)penflow為例硬件設(shè)備的具體轉(zhuǎn)發(fā)邏輯如下:

（1）當(dāng)設(shè)備端口設(shè)置為混合模式時，該端口一方面繼續(xù)正常參與傳統(tǒng)的路由交換協(xié)議的交互和轉(zhuǎn)發(fā)表項的生成，同時也接受來自SDN應(yīng)用和控制器下發(fā)的Openflow流表作為轉(zhuǎn)發(fā)表項；

（2）來自該端口的流量首先會與Openflow流表進行匹配，當(dāng)流量能夠匹配時，將按照流表的定義進行轉(zhuǎn)發(fā)或執(zhí)行其他動作；

（3）在上述情況中，如果匹配流表的動作為normal，則意味著匹配到的流量將通過傳統(tǒng)的路由交換協(xié)議產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)表進行轉(zhuǎn)發(fā)；

（4）當(dāng)來自該端口的流量未能匹配到流表時，這些流量也將由交換機通過傳統(tǒng)的路由交換協(xié)議產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)表進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 采用混合模式部署方案的優(yōu)勢

（1）不需要提前區(qū)分哪些流量采用路由交換轉(zhuǎn)發(fā)，哪些通過SDN轉(zhuǎn)發(fā)，所有流量都通過混合模式的端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣就不需要改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保持當(dāng)前的傳統(tǒng)路由交換協(xié)議不變，只需要疊加SDN協(xié)議就能夠在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)平滑的SDN部署。

（2）只需要通過流表對特定的流量（如異常或攻擊流量）進行相應(yīng)的控制即可，剩余的絕大部分流量仍可以通過傳統(tǒng)的路由或交換實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，這大大減少了所消耗的流表條目數(shù)和流表管理的工作量，使SDN真正能夠得到規(guī)模化的部署。

（3）當(dāng)基于流表進行轉(zhuǎn)發(fā)的機制出現(xiàn)異常時，還能回落到基于傳統(tǒng)路由交換進行報文轉(zhuǎn)發(fā)的模式，網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性能夠得到有效的保障。

3 SDN混合部署模式的應(yīng)用探索——以在園區(qū)網(wǎng)中部署基于Openflow的用戶管理功能為例

通過混合模式，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中部署SDN將變得簡單和靈活。以在園區(qū)網(wǎng)中部署基于Openflow的用戶管理為例，通過SDN的方式為園區(qū)網(wǎng)提供用戶接入、身份認(rèn)證、權(quán)限控制以及基于訪問時長和流量計費的功能。

3.1 應(yīng)用的實際效果

（1）當(dāng)用戶接入網(wǎng)絡(luò)，能夠正常訪問園區(qū)內(nèi)部的資源，內(nèi)部用戶之間也可以實現(xiàn)相互的訪問；

（2）當(dāng)用戶訪問園區(qū)外部資源時，用戶的HTTP訪問請求將被重定向到WEB Portal服務(wù)器上，用戶需要在Portal頁面上輸入自己的用戶名和密碼進行身份驗證；

（3）身份驗證通過的用戶將獲得訪問外部資源的權(quán)限，并控制訪問外部資源的下載速率；

（4）根據(jù)用戶的訪問時長或上下行流量，對用戶進行計費。

圖3是針對該應(yīng)用需求搭建的模擬環(huán)境，使用了一臺SDN設(shè)備作為測試平臺，提供基于Openflow混合模式的SDN功能。為了模擬實際的應(yīng)用場景，還部署了園區(qū)出口防火墻、WEB重定向服務(wù)器、Web Portal服務(wù)器、AAA認(rèn)證授權(quán)計費服務(wù)器以及相應(yīng)的SDN應(yīng)用軟件和控制器。

圖3 SDN混合模式實現(xiàn)用戶管理的模擬環(huán)境架構(gòu)

3.2 具體流程

在SDN設(shè)備上，采用了Openflow 混合端口模式，同一物流端口同一VLAN下的流量，可以同時支持基于路由交換轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)發(fā)和基于Openflow流表的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)報文抵達(dá)開啟混合模式的端口后，首先會執(zhí)行流表的查詢，如果匹配，則按照流表的定義執(zhí)行相應(yīng)的動作；而如果沒有匹配，或者匹配流表的action為Normal，則按照傳統(tǒng)路由交換來進行轉(zhuǎn)發(fā)。具體的流程如下:

（1）來自圖中1/20端口的終端報文抵達(dá)SDN設(shè)備后，首先匹配到基礎(chǔ)流表:當(dāng)報文的目的地址為園區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)地址段時，執(zhí)行動作為Normal，即允許用戶相互之間互訪，并能夠訪問內(nèi)網(wǎng)資源、內(nèi)部DNS和DHCP服務(wù)器等。

（2）沒有匹配到上述基礎(chǔ)流表的流量，將匹配到一條重定向流表。需要注意的是，由于流表的匹配是按照優(yōu)先級排定順序的，因此重定向流表的優(yōu)先級要低于上述基礎(chǔ)流表。匹配到重定向流表的流量將被發(fā)送到WEB重定向服務(wù)器所在的端口1/10，流表的動作同時包含了修改報文的VLAN ID為重定向服務(wù)器所在的VLAN、目的MAC為重定向服務(wù)器的MAC。這樣重定向服務(wù)器收到修改后的報文后才能夠正常進行重定向處理。

（3）重定向服務(wù)器會返回HTTP 302重定向信息，由于Openflow的流表是有方向性的，此時同樣需要定義一條流表匹配重定向服務(wù)器返回給終端的流量，流表的action為normal，使得HTTP 302信息能夠通過正常的路由/交換轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端。

（4）客戶端的HTTP請求被重定向到內(nèi)網(wǎng)的Web Portal服務(wù)器，此時客戶端與WEB Portal之間交互的流量也是通過基礎(chǔ)流表來匹配和轉(zhuǎn)發(fā)的。

（5）客戶端在Web Portal上輸入用戶名、密碼信息，Web Portal將賬號信息發(fā)送到SDN應(yīng)用APP，該APP將作為Radius Client到AAA服務(wù)器上進行認(rèn)證。用戶身份認(rèn)證成功后，一方面需要在Portal頁面上顯示認(rèn)證成功信息，同時也要通過SDN控制器下發(fā)允許這個用戶訪問外網(wǎng)的流表，這條流表同樣通過action normal實現(xiàn)。

（6）如果園區(qū)網(wǎng)有多個出口，用戶還可以通過Web Portal頁面自主選擇不同的出口，這是目前熱門的園區(qū)網(wǎng)多運營商的需求，只需在流表中設(shè)定發(fā)往不同的output端口，就能很靈活的實現(xiàn)。

（7）如果需要對該用戶下行流量進行速率限制，可以設(shè)定用戶下行方向的流表，并通過流表中的meter動作來實現(xiàn)速率的限制。

3.3 優(yōu)勢

通過上面的這個模擬環(huán)境可以看出，采用了SDN混合模式來實現(xiàn)用戶管理功能，相比于傳統(tǒng)價格昂貴的專用設(shè)備而言，具有部署簡單、使用靈活、性價比高的優(yōu)勢:

（1）除了預(yù)設(shè)有限數(shù)量的基礎(chǔ)流表外，每個用戶最少只需要消耗上行1條流表或者和上下行2條流表（如果需要下行方向限速），而且只是在用戶需要訪問外網(wǎng)時才消耗這2條流表。相對于純Openflow模式，能夠大大節(jié)省流表資源的占用，提供更多的用戶接入能力；

（2）SDN設(shè)備中的流表是無狀態(tài)的，完全依賴于上層應(yīng)用的流表管理和下發(fā)，因此SDN設(shè)備出現(xiàn)故障重啟或更換后，只需要重新下發(fā)流表即可，不需要用戶重新認(rèn)證；

（3）可選的設(shè)備類型豐富，從接入層到核心層，只需要支持Openflow混合模式即可，可以滿足不同場景不同用戶數(shù)量的接入需求；

（4）IPv6的流程與IPv4完全相同，因此能夠平滑支持IPv4/IPv6雙棧；

（5）如有精細(xì)化管理的需要，可以為每個用戶的不同業(yè)務(wù)使用不同的流表進行控制，而每條流表都有獨立的meter和counter，因此流量的控制和統(tǒng)計更加靈活；

（7）當(dāng)園區(qū)網(wǎng)多運營商共同運營時，可以非常靈活的實現(xiàn)用戶自主選擇運營商出口。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)從1969年ARPAnet開始至今，已經(jīng)有接近半個世紀(jì)的發(fā)展，TCP/IP協(xié)議也經(jīng)歷了30多年的廣泛應(yīng)用，成為了如今互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議。而SDN的概念從提出至今也不過才短短幾年時間，SDN的集中管理的模型、控制和轉(zhuǎn)發(fā)層面的分離、操作系統(tǒng)的開放接口和硬件的可編程化，可以看做是對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化和完善，而非要將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議整體推倒重來。

特別是在目前階段，在人才儲備、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和硬件支持等方面都尚未完善的情況下，SDN更應(yīng)該作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用的有益補充，采用如混合模式的部署方案，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上更加簡單靈活高效的實現(xiàn)特定的功能。因此目前的SDN不應(yīng)該是全面的顛覆、而更應(yīng)該是相互的融合。

[1]黃韜、劉江、魏亮、張嬌、楊帆等著軟件定義網(wǎng)絡(luò)核心原理與應(yīng)用實踐[M]北京：中國工信出版集團，人民郵電出版社，2016：19-21頁

[2]張衛(wèi)峰.深度解析SDN 利益、戰(zhàn)略、技術(shù)、實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：67-75頁

[3]Thomas Nadeau D, Ken Gary 著，畢軍、單業(yè)、張紹宇 等 譯軟件定義網(wǎng)絡(luò) SDN與OpenFlow解析[M]北京：人民郵電出版社，2014：127-132頁