淺析SDN網絡技術的發(fā)展前景與應用問題

邱凱義 沈磊 劉朝龍

本文系統(tǒng)地研究了SDN網絡架構內容，對SDN中的關鍵技術和設備進行了分析，介紹了SDN技術的優(yōu)勢，并分析了當前SDN網絡發(fā)展面臨核心問題，對SDN網絡的發(fā)展進行了展望。通過對SDN新型網絡架構研究，其功能特性實現(xiàn)網絡轉發(fā)功能和控制功能徹底分離，在數(shù)據(jù)中心、廣域網、WVLAN等組網領域具有明顯優(yōu)勢，該技術是未來網絡技術發(fā)展主流方向，逐漸受到用戶青睞。

一、引言

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，云計算和大數(shù)據(jù)業(yè)務對網絡的智能化、敏捷性要求越來越高，當今主流傳統(tǒng)網絡架構逐漸難以滿足相關的業(yè)務需求，為了適應業(yè)務對快速網絡部署的要求，SDN（軟件定義網絡）新一代網絡架構的熱度持續(xù)升溫。通過SDN網絡的部署，管理人員通過向設備內輸入網絡命令實現(xiàn)對網絡中路由器和交換機等設備的控制。網絡中的設備不但要具備數(shù)據(jù)的轉發(fā)能力，還要具備網絡的控制能力。網絡部署人員能實現(xiàn)統(tǒng)架構進行重新規(guī)劃和布局， 將網絡功能模塊化，將設備的控制能力和對數(shù)據(jù)信息的轉發(fā)能力進行分離，實現(xiàn)對功能的集中管理。從控制層面從全局掌控網絡，成為網絡的大腦與核心，轉發(fā)層面只負責數(shù)據(jù)流的轉發(fā)，對整個網絡而言只作為透明的傳輸介質，具有實質意義。

SDN（軟件定義網絡）的架構方式能夠將設備的控制能力和對數(shù)據(jù)信息的轉發(fā)能力進行有效分離，作為一種新型網絡架構能夠將數(shù)據(jù)信息的轉發(fā)功能和設備的控制能力進行徹底分離，該架構為未來網絡技術革新指明了方向，并逐漸受到各大企業(yè)信息管理人員的認可。在中國各個行業(yè)積極參與SDN技術應用與部署對我國網絡技術發(fā)展與創(chuàng)新增強國家科技競爭力有著深遠影響。

二、SDN網絡技術概要和認識

SDN是Software Defined Network的縮寫，軟件定義網絡，SDN并不是一個具體的技術，它是一種網絡設計理念，最早起源于美國斯坦福大學實驗室的研究項目，由McKeown教授提出SDN 最早的概念，設計初衷是為了解決無法利用現(xiàn)有網絡中的大規(guī)模真實流量和豐富應用進行試驗，以便研究如何提高網絡的速度、可靠性、能效和安全性等問題。其基本思想是把當前IP網絡互連節(jié)點中決定報文如何轉發(fā)的復雜控制邏輯從交換機/路由器分離出來，以便通過軟件編程實現(xiàn)硬件對數(shù)據(jù)轉發(fā)規(guī)則的控制，最終達到對流量進行自由操控的目的。隨著 SDN 的發(fā)展，越來越多的廠商加人SDN 的研究行列。由于不同行業(yè)、不同應用對 SDN 有著各自不同的需求，因此在談論SDN時通常也有著不同的理解。

（一）SDN架構

圖1 SDN架構

SDN是一種新型的網絡架構，它的設計理念是將網絡的控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面進行分離，并實現(xiàn)可編程化控制。其中，應用層包括各種不同的業(yè)務和應用;控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面自有的編排，維護網絡拓撲，狀態(tài)信息等;基礎設施層（數(shù)據(jù)轉發(fā)層）負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉發(fā)和狀態(tài)收集。

（二）SDN技術內涵

SDN是為了應對當前網絡中面臨的擴展困難，靈活性不夠等發(fā)展瓶頸問題，其主要目的是簡化網絡配置、管理，促進網絡向動態(tài)靈活的方向演化，通過對網絡進行高度抽象、虛擬化后，雖然會造成網絡部分性能的能的下降。但帶來了網絡配置、管理的簡化，和更加靈活高效的發(fā)展方向與新的管控策略。網絡資源的配置就像在手機上安裝應用程序一樣，方便快捷。

（三）SDN主要特征與優(yōu)勢

SDN最主要的特征就是數(shù)據(jù)轉發(fā)和控制分離，同時還具有網絡虛擬化和開放接口等特征。

數(shù)據(jù)轉發(fā)和控制分離：將基礎硬件與業(yè)務實現(xiàn)分離，其硬件僅負責數(shù)據(jù)轉發(fā)和存儲，將控制與轉發(fā)分離后，更利于網絡的集中控制，使得控制層獲得網絡資源的全局信息，并根據(jù)業(yè)務需求進行資源的全局調配和優(yōu)化，整個網絡可在邏輯上，被視作是一臺設備進行運行和維護，無需對物理設備進行現(xiàn)場配置，從而提升了網絡控制的便捷性。

網絡虛擬化：通過南向接口的統(tǒng)一和開放，屏蔽了底層物理轉發(fā)設備的差異，實現(xiàn)了底層網絡對上層應用的透明化。邏輯網絡和物理網絡分離后，邏輯網絡可以根據(jù)業(yè)務需要進行配置、遷移，不再受具體設備物理位置的限制。

開放接口：通過開放的南向和北向接口，能夠實現(xiàn)應用和網絡的無縫集成，使得應用能告知網絡如何運行，才能更好的滿足應用的需求，比如網絡的帶寬、時延需求，計費對路由的影響等。實現(xiàn)，用戶自行開發(fā)網絡業(yè)務并調用資源，加快新業(yè)務的上線周期。

SDN的優(yōu)勢與價值明顯實現(xiàn)了網絡資源的使用效率，提升了網絡虛擬化能力并加速了網絡創(chuàng)新。還具有如下優(yōu)勢：

無縫的版本升級解決設備版本升級對業(yè)務的影響;網絡數(shù)據(jù)可視化;整體的流量調度。

三、SDN技術發(fā)展趨勢與存在的主要問題

由于計算虛擬化驅動由靜態(tài)到動態(tài)的網絡變化，需要網絡開放出來，能與虛擬化業(yè)務互通起來隨需而動;二是云計算對資源的垂直整合驅動網絡技術從獨立演進到協(xié)同，網絡作為一種資源被云計算整合到基礎架構中，提供快速連接的服務趨勢;三是云計算時代IT業(yè)務變化驅動由固定到可編程網絡越來越快的變化導致網絡資源需要隨業(yè)務跨地域整合，驅動SDN技術不斷的發(fā)展。

（一） SDN國外應用案例

Google 的網絡分為數(shù)據(jù)中心內部網絡（IDC Network）及骨干網（Backbone Network，也可以稱為WAN網）。其中WAN網按照流量方向由兩張骨干網構成，分別為：第一，數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的網絡（Inter-DC WAN，即G-scale Network），用來連接Google位于世界各地之間的數(shù)據(jù)中心，屬于內部網絡Google選擇使用SDN來改造數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的WAN網（即G-scale Network）

促使Google使用SDN改造WAN網的最大原因是 當前連接WAN網的鏈路帶寬利用率很低。GoogleWAN網的出口設備有上百條對外鏈路，分成很多的ECMP負載均衡組，在這些均衡組內的多條鏈路之間 用的是基于靜態(tài)Hash的負載均衡方式， ，最主要的應用是流量工程，最主要的控制手段是軟件應用程序。

（二）廠商的技術不斷投入

由于SDN架構下，交換機功能簡單且同質化，缺少市場價值。因此，對于以思科、華為技術為代表的傳統(tǒng)設備商而言，SDN將使它們目前的優(yōu)勢地位面臨巨大挑戰(zhàn)。同時，由于SDN 代表了網絡虛擬化這一必然趨勢，傳統(tǒng)設備商也無法拒絕或回避。因此，它們多采用“兩條腿走路”的方式：一方面，通過收購SDN初創(chuàng)公司、對原有設備進行SDN 升級等手段密切跟蹤SDN的發(fā)展;另一方面，則積極推出自己的SDN戰(zhàn)略，力圖利用現(xiàn)有優(yōu)勢地位掌握? SDN發(fā)展的主導權，將之融人現(xiàn)有網絡架構之中。這也就是設備要積極推動SDN與OpenFlow 解藕合的深層原因。

（三） SDN面臨的核心問題

由于SDN的出現(xiàn)打破現(xiàn)有網絡設備市場格局，為競爭者帶來絕佳的機會，因而獲得了大批創(chuàng)業(yè)者和各利益相關方的關注與積極參.大型互聯(lián)網公司希望 SDN提供掌握網絡深層信息的可編程接口，以優(yōu)化和提升業(yè)務體驗;云服務提供商希望SDN提供網絡虛擬化和自動配置，以適應其擴展性和多租戶需求;ISP 希望利用SDN簡化網絡管理以及實現(xiàn)快速靈活的業(yè)務提供;企業(yè)網用戶希望 SDN 實現(xiàn)私有云的自動配置和降低設備采購成本。大量的SDN技術的應用導致產生如下問題：

軟件復雜度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性存在隱患：SDN 架構下，控制器需要為每一條流制定優(yōu)化的路由策略，其運算壓力之大可想而知，且這一壓力會隨控制網元數(shù)量的增加呈幾何級上升。此外，由于不同應用會在SDN 系統(tǒng)建立不同的邏輯網絡，各應用程序彼此會妨礙對方的功能，資源競爭將會非常激烈。而從計算機程序的發(fā)展歷史來看，為了協(xié)調各程序的運行，提高資源利用效率，往往會導致資源分配算法的復雜度和運算量呈指數(shù)級上升，進而存在成為系統(tǒng)瓶頸的可能。如何在軟件復雜度和運算效率之間取得平衡是SDN面臨的一大挑戰(zhàn)。

不同SDN產品間的兼容問題：目前，ONF僅定義了控制器連接交換機的南向接口，而尚未定義控制器之間的接口及控制器開放給應用程序的北向接口。原因是該組織認為現(xiàn)在標準化這些接口為時尚早，且可能會扼殺網絡基礎架構中關鍵組件的創(chuàng)新。但這也無疑增加了各廠商設備間互通的難度，導致各SDN產品存在兼容性問題，導致產品間的排他性嚴重，無法實現(xiàn)多網融合，阻礙了SDN規(guī)模應用。

四、總結與展望

長期以來，網絡技術總是以被動方式進行演變，并且大量的技術革新都落地在網絡設備本身，如帶寬不斷提升，從千兆到萬兆、再到40G和100G;設備體系架構變化，也是為了性能地不斷提升，從交換能力幾十Gbps提升到T級別以致100T級別;組網變化，網絡設備的N：1集群性質的虛擬化，在一定范圍內和一定規(guī)模上優(yōu)化了網絡架構，簡化了網絡設計。新的技術應用，總會引起設備的升級換代，并且隨著流量的巨大變化。SDN的出現(xiàn)和理念演進，開始改變網絡被動性的現(xiàn)狀，使網絡具備較大靈活程度的“定義”能力。這種可定義性，是網絡主動“處理”流量而不僅僅是被動“承載”流量，并使得網絡與計算之間的關系不僅僅是“對接”，而是“交互”。其技術理念體現(xiàn)網絡智能管理能力，通過業(yè)務需求對資源快速進行調整，實現(xiàn)網絡資源的重構，在更高層面滿足業(yè)務需求，才是其技術發(fā)展的原生動力。

（作者單位：1.思極智聯(lián)（內蒙古）信息通信科技有限公司 2.北京國網信通埃森哲信息技術有限公司）