顧 強(qiáng)，張慶順，臧 軍（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東濟(jì)南250101）

1 概述

現(xiàn)正在運(yùn)行的互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架已經(jīng)有40 多年的歷史，在技術(shù)發(fā)展日新月異的現(xiàn)代社會已經(jīng)可稱得上是一個奇跡。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急速膨脹和業(yè)務(wù)類型的不斷豐富，數(shù)據(jù)平面和控制平面緊密耦合這一特點成了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管控難度日益增加，新功能難以快速部署。云計算、云存儲的快速發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力提出了異常迫切的需求，由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多由廠家封閉的系統(tǒng)實現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力的支持也極為有限。這促使人們開始思考網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架的變革，可編程網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架變革的主要方向，特別是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，大大提高了網(wǎng)絡(luò)管控的靈活性，便于新業(yè)務(wù)的快速部署。

IETF和IRTF等標(biāo)準(zhǔn)化組織在SDN方面已經(jīng)開展了一些卓有成效的工作。近幾年ONF 提出的Open?Flow協(xié)議［1］和以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的SDN［2］引起了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。

本文以SDN 發(fā)展歷程為主線，介紹了SDN 的構(gòu)架、最新進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)。

2 S D N發(fā)展歷程

2.1 可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的萌芽

20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)迅速獲得了廣泛應(yīng)用，其盡力而為的理念和受限的帶寬一直影響著用戶體驗。90 年代異步傳輸模式（ATM）的廣泛應(yīng)用為互聯(lián)網(wǎng)提供了有保障的連接和相對充裕的帶寬，互聯(lián)網(wǎng)也因此獲得了快速發(fā)展，同時也凸顯了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)封閉網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的局限性，促使學(xué)者對互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架重新審視和思考，提出了控制平面和數(shù)據(jù)平面解耦、可編程網(wǎng)絡(luò)的概念，集中出現(xiàn)了一些可編程網(wǎng)絡(luò)實踐的案例。

2.1.1 Open Signaling

Open Signaling 工作組（OPENSIG）成立于1995年，致力于通信硬件設(shè)備和相應(yīng)的控制軟件分離來促進(jìn)ATM 網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)更加開放，更具擴(kuò)展性，可編程［3］。這一想法得到了IETF的支持，在IETF內(nèi)部成立了專門的工作組負(fù)責(zé)通用交換機(jī)管理協(xié)議（GSMP）建議文檔的起草。隨著ATM技術(shù)的落伍，這個工作組被關(guān)閉，最新協(xié)議為2002年6月制定的GSMP V3。

2.1.2 Active Networking

同樣在20 世紀(jì)90 年代中期，Active Networking 這一概念被提出，其首創(chuàng)性地提出網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施通過可編程來適應(yīng)定制化的業(yè)務(wù)需求［4］。這種網(wǎng)絡(luò)有2個概念引起了大家的注意。

a）用戶可編程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)備配置有帶內(nèi)或者帶外的控制信道。

b）帶有控制信息的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包內(nèi)帶有路由器或交換機(jī)可以執(zhí)行的指令。

這樣用戶就可以通過帶內(nèi)或帶外專門的控制信道來對業(yè)務(wù)經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程，以便網(wǎng)絡(luò)更好地適配業(yè)務(wù)。由于安全和性能表現(xiàn)等方面的原因這種網(wǎng)絡(luò)沒能獲得廣泛的應(yīng)用。

2.1.3 DCAN

為加強(qiáng)對ATM 網(wǎng)絡(luò)的管理和增強(qiáng)其擴(kuò)展性，DCAN（Devolved Control of ATM Networks）也在20世紀(jì)90 年代中期應(yīng)運(yùn)而生［5］。其主張ATM 網(wǎng)絡(luò)的管理功能從ATM 設(shè)備中解耦出來，成為獨立的功能實體，DCAN 定義了這2 個功能實體之間的通信協(xié)議。SDN轉(zhuǎn)發(fā)、控制平面分離的理念也來源于此，目前的SDN實現(xiàn)方案仍然通過這種方式實現(xiàn)對ATM 和其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。

2.2 可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著千兆以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，ATM技術(shù)也逐漸沒落，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的局限性因為新技術(shù)的支撐而被暫時弱化，但是人們對可編程網(wǎng)絡(luò)的研究仍在繼續(xù)。

IETF 在完善現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架理念指導(dǎo)下繼續(xù)進(jìn)行可編程網(wǎng)絡(luò)研究，2003年開始的轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離（ForCES）的路由器體系結(jié)構(gòu)［6］研究已經(jīng)完全具備了SDN 的理念；2006 年，IETF 網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議工作組提出了NETCONF［7］協(xié)議，其主要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的修改，利用這組協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的API來接收和發(fā)送設(shè)備配置。NETCONF 協(xié)議也是目前SDN 南向接口協(xié)議之一，最新協(xié)議于2011年6月出版。

寬帶接入和移動通信業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究也日趨活躍，人們認(rèn)識到傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的固有問題很難在原有體系下解決，美國國家自然基金會（NSF）在網(wǎng)絡(luò)體系創(chuàng)新理念指導(dǎo)下資助了一些研究，提出了重塑互聯(lián)網(wǎng)的思路，這些研究直接促使基于OpenFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的SDN產(chǎn)生。

2.2.1 4D Project

2004 年4D Project 開始實施，倡導(dǎo)重新設(shè)計的理念，強(qiáng)調(diào)把路由決策邏輯與調(diào)節(jié)網(wǎng)元之間交互的協(xié)議分開［8］。其強(qiáng)調(diào)4 個平面：決策平面用于處理網(wǎng)絡(luò)控制；擴(kuò)散平面提供1個連接路由器或交換機(jī)的健壯、高效的通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；發(fā)現(xiàn)平面用于在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)物理網(wǎng)元并創(chuàng)建邏輯標(biāo)識識別它們；數(shù)據(jù)平面基于決策平面產(chǎn)生的狀態(tài)來處理報文。這一理念直接影響著后續(xù)的一些研究工作，如NOX 所提出的用于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

2.2.2 SANE/Ethane

NSF 資助啟動了重塑互聯(lián)網(wǎng)的項目——Clean-Slate Design for Internet，該項目擯棄傳統(tǒng)的漸進(jìn)疊加和向前兼容的原則，重新設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架。這一計劃由斯坦福大學(xué)主導(dǎo)，研究目的定位于實現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離并加快網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，一個名為SANE/Ethane 的項目［9-11］成果意義非凡。2006年這個項目定義了一種用于企業(yè)網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，采用集中式的控制器來管理網(wǎng)絡(luò)中的策略和安全，并對接入的設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證。就像現(xiàn)在的SDN構(gòu)架，有集中式的控制器來決定如何進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，有內(nèi)置流表只進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)，交換機(jī)和控制器之間通過安全通道連接。這一項目被認(rèn)為是目前基于OpenFlow 協(xié)議SDN的直接原型。

3 S D N構(gòu)架

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的研究，SDN 取得了巨大進(jìn)展，作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，其具備2 個特點：把執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)的硬件部分從控制決策部分中分離出來，成為只完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)平面，控制決策部分成為獨立的控制平面；控制平面和數(shù)據(jù)平面之間通過開放的接口進(jìn)行編程控制［12］。控制平面和數(shù)據(jù)平面分離大大提高了網(wǎng)絡(luò)管控的靈活性，便于新業(yè)務(wù)的快速部署。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和SDN構(gòu)架的區(qū)別如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和SDN構(gòu)架對比

目前體系構(gòu)架比較完整的是IETF 提出的ForCES路由器體系結(jié)構(gòu)和ONF 提出的以O(shè)penFlow 協(xié)議為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，下面對2 種比較有代表性的SDN 進(jìn)行簡略介紹和比較。

3.1 ForC ES 的路由器體系結(jié)構(gòu)

ForCES 的路由器體系結(jié)構(gòu)由IETF 提出及標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部分為控制單元（CE）和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元（FE），CE 和FE 通過ForCES 協(xié)議進(jìn)行通信。在FE 中定義了邏輯功能模塊（LFB），LFB 及其屬性都是由CE通過ForCES協(xié)議進(jìn)行控制，各LFB之間通過數(shù)據(jù)通道相互連接，該連接關(guān)系也由CE通過ForCES協(xié)議定義，以形成不同的LFB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)資源動態(tài)配置，完成各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［13］。這個體系便于現(xiàn)有的控制平面能對新加入的第三方數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對沒有控制平面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的兼容。雖然控制功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能是分開的，但是仍然緊密耦合在同一個設(shè)備實體中。

從2003 年開始有關(guān)ForCES 體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的文檔陸續(xù)發(fā)布，主要包括：ForCES需求（RFC3654）、ForC?ES 框架（RFC3746）、ForCES 協(xié)議及擴(kuò)展（RFC5810、RFC791）、ForCES 模型及擴(kuò)展（RFC5812、RFC7408）、ForCES適用性聲明（RFC6041）、ForCES邏輯功能模塊庫（RFC6956）［13］。目前ForCES 工作組仍然在對ForC?ES體系結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

3.2 以O(shè) penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)

ONF提出的SDN構(gòu)架如圖2所示。所有業(yè)務(wù)邏輯均部署在應(yīng)用平面，并通過開放的API 與控制平面相連；控制平面由集中設(shè)置的軟件控制器組成；數(shù)據(jù)平面由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成；為保證網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，南向接口除OpenFlow協(xié)議外也提供了對其他協(xié)議的支持。

圖2 ONF提出的SDN構(gòu)架

OpenFlow 協(xié)議作為目前成熟度最高的南向接口協(xié)議得到了產(chǎn)業(yè)界廣泛支持。OpenFlow 交換機(jī)規(guī)范明確定義了交換機(jī)組成和OpenFlow 協(xié)議在交換機(jī)中的實現(xiàn)方式。OpenFlow 規(guī)范中定義的交換機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。OpenFlow 交換機(jī)內(nèi)包含1 個或多個流表（Flow Table）和1 個組表（Group Table），以及與Open?Flow 控制器進(jìn)行通信的安全通道接口。為避免單流表過度膨脹，在OpenFlow 協(xié)議1.1 以后的版本引入了多級流表機(jī)制。

圖3 OpenFlow交換機(jī)結(jié)構(gòu)圖

OpenFlow 協(xié)議1.0［14］、1.1［15］、1.2［16］版本中每個流表項包含匹配域、計數(shù)器及1組指令，每個數(shù)據(jù)包包頭的信息與匹配字段匹配，如果匹配則執(zhí)行這個流表后面定義的指令。如果這個交換機(jī)里所有流表均不能匹配，則把這個數(shù)據(jù)包的包頭或整個數(shù)據(jù)包通過安全通道上交給OpenFlow 控制器，由OpenFlow 控制器決定這個數(shù)據(jù)包如何轉(zhuǎn)發(fā)，并生成流表通過安全通道下發(fā)到相應(yīng)OpenFlow交換機(jī)，OpenFlow交換機(jī)就可以正確轉(zhuǎn)發(fā)這個數(shù)據(jù)包了。計數(shù)器對經(jīng)過交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類計數(shù)，以滿足各種統(tǒng)計管理。在OpenFlow協(xié)議1.3［17］、1.4［18］版本中流表又增設(shè)了優(yōu)先級、超時設(shè)定、保留字段等參數(shù)。OpenFlow 協(xié)議流表結(jié)構(gòu)如表1所示。

在OpenFlow協(xié)議1.0版本中流表匹配域共包含12個字段：輸入端口、MAC 源地址、MAC 目的地址、以太網(wǎng)類型、VLANID、VLAN 優(yōu)先級、IP 源地址、IP 目的地址、IP、IP ToS 位，TCP/UDP 源端口和TCP/UDP 目標(biāo)端口。OpenFlow協(xié)議1.1版本中增加了對VLAN和MPLS標(biāo)簽的處理。OpenFlow協(xié)議1.2版本中規(guī)定下發(fā)流表的匹配字段不再通過固定長度的結(jié)構(gòu)來定義，而是采用TLV（Type、Length、Value）結(jié)構(gòu)定義，稱為OpenFlow擴(kuò)展匹配（OXM），這樣在增加更多關(guān)鍵字匹配字段的同時也節(jié)省了流表空間。OpenFlow協(xié)議1.3版本中流表支持的匹配字段已經(jīng)增加到40 個。這樣就可以跨越物理層、介質(zhì)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4 個層級對字段進(jìn)行匹配，每個字段都可以通配，字段之間可以任意組合，數(shù)據(jù)報文以流為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，而不是像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，而且更加靈活。

表1 OpenFlow協(xié)議流表結(jié)構(gòu)

OpenFlow 控制器利用OpenFlow 標(biāo)準(zhǔn)通過安全通道對OpenFlow交換機(jī)內(nèi)的流表進(jìn)行添加、修改、刪除、查詢等操作，最終完成各種網(wǎng)絡(luò)行為。

3.3 2種體系結(jié)構(gòu)的總結(jié)對比

以上2 種體系結(jié)構(gòu)都遵循了SDN 基本的原則：控制平面和數(shù)據(jù)平面相分離；控制平面與數(shù)據(jù)平面之間通過開放的接口和標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行交互。雖然2種網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是一致的，而且實現(xiàn)的功能也比較相似，但是兩者之間在應(yīng)用場景、控制平面和數(shù)據(jù)平面內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接口協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)模型等方面存在很大差異。

以ForCES 為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)得益于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的支持，標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較早，目前已經(jīng)具備了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，其目的是兼容新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響短期難以顯現(xiàn)。以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)是一種嶄新的構(gòu)架，激發(fā)了研究機(jī)構(gòu)、新興網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的濃厚興趣，2009 年發(fā)布的可用于商業(yè)化產(chǎn)品的OpenFlow協(xié)議1.0版本至今已經(jīng)取得了令人矚目的成果，在網(wǎng)絡(luò)實驗測試平臺、校園網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、流量工程、無線接入網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)等場景均有優(yōu)異表現(xiàn)，以至于很多人把以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)認(rèn)為是SDN的事實標(biāo)準(zhǔn)。

4 S D N面臨的挑戰(zhàn)

OpenFlow 協(xié)議的出現(xiàn)和發(fā)展帶動SDN 研究進(jìn)入新的階段，但在諸多方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

近幾年業(yè)界對SDN表現(xiàn)出極大熱情，綜合來看其發(fā)展仍然在完善標(biāo)準(zhǔn)制定、典型應(yīng)用開發(fā)測試階段，以O(shè)penFlow 協(xié)議為基礎(chǔ)的SDN 如何在完善自有協(xié)議體系的基礎(chǔ)上兼容傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)仍是一個難題［19］。

盡管支持OpenFlow 協(xié)議的ASIC 芯片設(shè)計廣受關(guān)注，但是目前仍然沒有一款專用芯片出現(xiàn)。一方面是SDN 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，另一方面是芯片生產(chǎn)廠商并不完全認(rèn)可學(xué)術(shù)界對支持OpenFlow 協(xié)議ASIC芯片的設(shè)計。這些原因都決定了芯片生產(chǎn)廠家暫時不會對SDN 專用芯片的開發(fā)投入太多，而是采取折中方案，在傳統(tǒng)芯片的基礎(chǔ)上增加支持SDN 的功能［20-21]。這就造成目前OpenFlow交換機(jī)流表容量、流表學(xué)習(xí)速度、流表轉(zhuǎn)發(fā)速率、轉(zhuǎn)發(fā)時延等關(guān)鍵指標(biāo)總體表現(xiàn)不佳，不同廠商的設(shè)備差異極大，難以達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)。

人們把SDN中的數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面分別類比成計算機(jī)中的硬件平臺、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)的重要性不言而喻，SDN 控制平面作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)面臨著可擴(kuò)展性、處理能力和安全性等方面的挑戰(zhàn)［20，22］。作為控制器之間交互的東西向接口標(biāo)準(zhǔn)仍在研究制定過程中，只有東西向的接口標(biāo)準(zhǔn)成熟后才能使SDN從數(shù)據(jù)中心、企業(yè)校園網(wǎng)等有限場景應(yīng)用走向全網(wǎng)普遍應(yīng)用；連接應(yīng)用平面的北向接口仍然沒有形成廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界雖然希望以REST?ful作為北向接口，采用模型、模板的方式，通過每個廠商公布自己的模型，實現(xiàn)互通和控制［19］，但是這種思路必須在規(guī)模應(yīng)用測試后才能明朗。

5 結(jié)束語

SDN 研究進(jìn)展得如火如荼，得到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商的廣泛關(guān)注，這將改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商的競爭格局，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)業(yè)的變革。目前SDN相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，不同利益集團(tuán)仍在博弈，但可以預(yù)見的是，以往那種封閉的技術(shù)路線肯定會改變，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架肯定會變得更加靈活，以便能夠支持日益豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

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