SDN架构与解析 深度开放与融合

　　新的技术商用，总会引起设备的升级换代，并且随着流量的巨大变化，网络的部署与变更技术上越来越复杂，网络在应对流量变化上很难有良好的预期性，在当前方式下，一旦完成业务部署，服务器通过网线连入网络，应用流量吞吐对网络的影响就难以控制、网络的调整也就变得相当滞后。

　　软件定义网络——sdn(software defined network)的出现和理念演进，开始改变网络被动性的现状，使网络具备较大灵活程度的“定义”能力;这种可定义性，是网络主动“处理”流量而不仅仅是 被动“承载”流量，并使得网络与计算之间的关系不仅仅是“对接”，而是“交互”。

　　sdn的思想集中体现在控制面与实体数据转发层面之间分离，这对网络交换机的工作方式产生了深远的影响。高端用户原本就不满足于使用网络预先设定好 的功能，而是希望在自己的业务功能不断丰富变化的过程中，能够按照自身需求快速进行调整。而在控制层面分离出来后，或者说控制层面可以开放出来，更能实现 虚拟化的灵活性，使得用户能够进行程序编制，那么基于应用与流量变化的快速响应，便不需要完全依赖于设备供应商的长周期软硬件升级来完成。

　　sdn的思想是将更多的控制权交给网络使用者，除了设计部署、配置变更，还可以进行网络软件的重构，使得新的技术验证可以先于商业化。这种网络能够以抽象化的方式解决网络的复杂性问题，解除了用户收支网络功能和特性的紧约束，能够在更高层面研究和满足项业务需求。

　　1 当前主流sdn的概念探讨

　　最经典的sdn架构描述是来自onf(open network foundation)的sdn体系架构图(如图1所示)。

　　图1 sdn体系架构

　　图1表达了sdn的分层解耦合概念，包括通用的基础硬件层、硬件抽象层、网络操作系统、上层应用。其中基础硬件与硬件抽象两层组成物理网络设备，也 就是sdn架构中的数据转发层面;网络操作系统与上层应用组成了控制层面。数据转发层面与控制层面之间以一种标准化的交互协议来解耦合，此协议当前为 openflow。这种去耦合的架构，表明网络操作系统及网络应用(如路由控制协议等)不必运行在物理设备上，而可以运行在外部系统(如x86架构的服务 器)内，从而实现网络控制的灵活可编程性。

　　除了解耦合控制层面与数据转发层面，sdn还引入了集中控制的概念(如图2所示)。对于传统的设备，因为不同的硬件、供应商私有的软件，使得网络本 身相对封闭，只能通过标准的互通协议与计算设备配合运行。网络中所有设备的自身系统都是相对孤立和分散的，网络控制分布在所有设备中，网络变更复杂、工作 量大，并且因为设备异构，管理上兼容性很差，不同设备的功能与配置差异极大;同时网络功能的修改或演进，会涉及到全网的升级与更新。而在sdn的开放架构 下，一定范围内的网络(或称sdn域)，由集中统一的控制逻辑单元来实施管理，由此解决了网络中大量设备分散独立运行管理的问题，使得网络的设计、部署、 运维、管理在一个控制点完成，而底层网络差异性也因为解耦合的架构得到了消除。集中控制在网络中引入了sdn区别于传统网络架构的角色——sdn controller，也就是运行sdn网络操作系统并控制所有网络节点的控制单元。sdn能够提供网络应用的接口，在此基础上按照业务需求进行软件设计 与编程，并且是在sdn controller上加载，从而使得全网迅速升级新的网络功能，而不必再对每个网元节点进行独立操作。

　　图2 封闭式网络与开放网络

　　分层解耦合架构中采用了openflow的协议来分离网络的控制与转发层，图3是来自斯坦福的一张图表明openflow的解耦模型。

　　图3 openflow协议工作模式

　　网络设备(图3中openflowswitch)由标准的网络硬件和支持openflow代理的软件构成。openflow定义的网络硬件，不是传 统的交换模式，而是以一种流表的方式来进行数据的转发处理，非常类似于当前交换机使用的tcam对数据流的分类与控制行为，每一个网络中的流均由流表中的 规则来控制处理，可以达到极精细的粒度。openflow协议定义了一种通用的数据平面描述语言，设备上的openflow代理软件通过与 openflow controller建立安全加密(如ssl通信机制)通信隧道来接受对设备的控制转发指令。所有的流表指令均被定义成标准规范，通过 controller与代理之间的加密协议可靠传递。controller上运行的各种网络应用，均被转换成openflow“指令集”下发，从而易于实 现标准化的模式，这使得openflow成为sdn架构下的重要技术。

　　openflow以一种比较理想的形式定义了网络设备的供应方式，但这种定义使得网络不是一个平滑升级和演进，而是一个颠覆性的更新，现有网络不能 通过openflow来升级，而是需要被完全替换。同时，openflow设备是一种流表转发，也需要新的体系架构来设计网络芯片，虽然现有tcam技术 能支持openflow的特性，但是功能不完备、大tcam表项设备极其昂贵。因此，当前的openflow设备，基本是在传统网络基础上支持 openflow协议，规格受限的初期产品。

　　openflow的设计思路体现了sdn架构，但是，这种思路只体现了集中控制的优势，对于网络的运维管理并没有深入考虑，管理通信如何采用 openflow并与正常业务流的分离，是否覆盖替代还是与传统snmp/netconf的管理方式，集中的openflow controller与分散的openflow网络设备之间采取一种如何的管理方式更优，还需要openflow本身的技术不断实践来印证。

　　openflow在协议定义上还不完善，针对已有网络特性的定义还在补充变化，内容变更会不断持续，并逐步形成不同的技术版本，这使得软件和硬件在配套兼容上存在较大的问题，这也是openflow作为sdn协议的在网络应用覆盖不全方面的严重不足。

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