軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-defined networking，SDN），一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN 提出的控制與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)集中控制、支持軟件編程等理念并不是什么新鮮事，但是長(zhǎng)久以來(lái)一直沒(méi)有非常突破性的進(jìn)展。

目前 SDN 引起廣泛關(guān)注得益于網(wǎng)絡(luò)需求側(cè)翻天覆地的變化：云計(jì)算業(yè)務(wù)（服務(wù)器虛擬化技術(shù)為代表）成為主流，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)催生的大數(shù)據(jù)技術(shù)日益普及，包括網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的資源快速配置、彈性擴(kuò)容、按需調(diào)用需求強(qiáng)烈。傳統(tǒng)模式的弊端顯現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用三部分緊耦合在一起，組成一個(gè)封閉系統(tǒng)，這三部分相互依賴(lài)、每一部分的創(chuàng)新和演進(jìn)都要求其余部分做出同樣的升級(jí)。

越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)新協(xié)議和新算法使得網(wǎng)絡(luò)控制平面變得越來(lái)越復(fù)雜，但是現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)卻對(duì)網(wǎng)絡(luò)的易用性有更高的要求，希望網(wǎng)絡(luò)具有更多的可編程能力，從而自動(dòng)化、智能化網(wǎng)絡(luò)管理。正如 SDN 的倡導(dǎo)者 Scott Shenker,U.C. Berkeley Professor 所言，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展目前還處于“管理復(fù)雜性”階段，這樣的架構(gòu)嚴(yán)重阻礙了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新進(jìn)程的開(kāi)展。

SDN Solutions

如何解決從“管理復(fù)雜性”階段轉(zhuǎn)變到“提取簡(jiǎn)單性”階段呢？最先取得成功商用經(jīng)驗(yàn)的是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)Google。

Google 的 SDN 實(shí)踐

Google 基于 SDN 技術(shù)改造其骨干網(wǎng) G-scale（Backbone Network，也稱(chēng)WAN網(wǎng)）。WAN網(wǎng)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)全球12個(gè)數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)，數(shù)據(jù)流量的內(nèi)容包括：1. 用戶(hù)數(shù)據(jù)備份，例如視頻、圖片、語(yǔ)音等；2. 跨數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)，例如計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源分布不同；3. 大規(guī)模的數(shù)據(jù)同步。WAN 網(wǎng)成本高昂（包括很多海底光纜），而且存在數(shù)據(jù)流量大但是鏈路帶寬利用率低的問(wèn)題：為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，同時(shí)避免大流量都被分發(fā)到同一個(gè)鏈路上導(dǎo)致丟包，Google不得不使用過(guò)量鏈路，提供比實(shí)際需要多得多的帶寬，實(shí)際鏈路帶寬利用率只有30%~40%，而且仍不可避免有的鏈路很空閑，有的鏈路產(chǎn)生擁塞，設(shè)備必須支持很大的包緩存，成本高。

為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可管理性，Google 首先在帶寬分配和路徑計(jì)算方面嘗試。解決思路是當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)要開(kāi)始傳輸時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)評(píng)估所需要耗用的帶寬，為它選擇一條最優(yōu)路徑（如負(fù)載最輕但非最短路徑，雖不丟包但延時(shí)大），然后把這個(gè)應(yīng)用對(duì)應(yīng)的策略通過(guò)控制器（Controller）下發(fā)到定制的交換機(jī)中，跟選擇的路徑綁定在一起，從而整體上使鏈路帶寬利用率達(dá)到最優(yōu)。

SDN 架構(gòu)中最顯著的一個(gè)特點(diǎn)就是采用集中式控制器（Controller）：

SDN 世界的兩大山頭

SDN 技術(shù)體系目前還處于激烈競(jìng)爭(zhēng)階段，相關(guān)新產(chǎn)品和新技術(shù)層出不窮，如果要梳理大致可以分為兩個(gè)流派：

ONF(Open Networking Foundation，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì) )

董事會(huì)成員：德國(guó)電信（DT）、Facebook、 Google, Microsoft、Verizon、Yahoo!、日本 NTT 電信、高盛公司

特點(diǎn)：面向用戶(hù)

傳統(tǒng)巨頭大聯(lián)盟（通過(guò)Linux基金會(huì)(Linux Foundation)合作）

成員：思科（Cisco）、IBM、 微軟、Big Switch、博科、思杰、戴爾、愛(ài)立信、富士通、英特爾、瞻博網(wǎng)絡(luò)、微軟、NEC、惠普、紅帽和VMware

協(xié)作項(xiàng)目：OpenDaylight（20130408）

特點(diǎn)：大廠(chǎng)控制“嫌疑”

SDN 標(biāo)準(zhǔn)化組織

IETF（Internet Engineering Task Force，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）

相對(duì) ONF 而言，更多是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠(chǎng)商主導(dǎo)，已經(jīng)發(fā)布了多篇 RFC 文稿，內(nèi)容涉及需求、框架、協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)但愿模型及 MIB 等。

ETSI NFV(Network Functions Virtualisation)

成員：歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）包括 AT&T, 英國(guó)電信（BT）, 德國(guó)電信等

特點(diǎn)：主要工作成果是 “網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化白皮書(shū)”，對(duì)NFV的定義、應(yīng)用場(chǎng)景、基本功能，以及SDN等技術(shù)的關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行描述。

ITU-T （國(guó)際電信聯(lián)盟通信標(biāo)準(zhǔn)化組織）

由 ITU-T 指定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通常被稱(chēng)為建議（Recommendations）,2012年開(kāi)始 SDN 與電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)研究。

SDN Architecture

SDN在應(yīng)用中大體上可以可以劃分為三層體系結(jié)構(gòu)：

• 應(yīng)用層（Application Layer）
• 控制層（Control Layer）
• 基礎(chǔ)設(shè)施層（Infrastructure Layer）

不同層次之間通過(guò)接口通訊：

• 北向接口（Northbound interface）
• 南向接口（Sorthbound interface）

控制層（ Control Layer ）

控制層是 SDN 控制器管理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，可以根據(jù)需要靈活選擇多種控制器。

在這一層中，控制器中包含大量業(yè)務(wù)邏輯，以獲取和維護(hù)不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)信息、狀態(tài)詳細(xì)信息、拓?fù)浼?xì)節(jié)、統(tǒng)計(jì)詳細(xì)信息等。

由于 SDN 控制器是用于管理網(wǎng)絡(luò)的，所以它必須具有用于現(xiàn)實(shí)世界網(wǎng)絡(luò)使用情況的控制邏輯，如交換、路由、二層VPN、三層VPN、防火墻安全規(guī)則、DNS、DHCP和集群，網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商和開(kāi)源社區(qū)需要在自己的 SDN 控制器中實(shí)現(xiàn)自己的服務(wù)。這些服務(wù)會(huì)向上層（應(yīng)用層）公開(kāi)自己的API（通常是基于 REST ，這使網(wǎng)絡(luò)管理員可以方便地使用應(yīng)用程序上的 SDN 控制器的配置、管理和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

目前市場(chǎng)上的 SDN 控制器解決方案大致可以分為兩類(lèi)：大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠(chǎng)商提供商業(yè)方案，例如 Cisco Open SDN controller, Juniper Contrail, Brocade SDN controller, 和來(lái)自 NEC 公司的 PFC SDN controller ；社區(qū)組織提供的開(kāi)源方案，例如 OpenDaylight, Floodlight, Beacon, Ryu 等等。

Commercial Solutions:

Cisco Open SDN Controller

Juniper Contrail

Brocade SDN controller

PFC SDN controller(From NEC)

Open Source Solutions:

Beacon：由斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)，Java語(yǔ)言編寫(xiě)

Floodlight：源于Beacon，Big Switch Networks開(kāi)發(fā)，Java語(yǔ)言編寫(xiě)，Apache許可證

OpenDaylight：

Ryu：由 NTT 開(kāi)發(fā)，Python 編寫(xiě)，能夠與 OpenStack 平臺(tái)整合，控制器API豐富

Mul: 由 Kulcloud 開(kāi)發(fā)，內(nèi)核采用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的多線(xiàn)程架構(gòu)

NodeFlow: 由 Cisco 開(kāi)發(fā)，基于 Node.js 的 OpenFlow 控制器，JavaScript 編寫(xiě)

Trema: 由 NEC 開(kāi)發(fā)，Ruby/C 編寫(xiě)

NOX: 由 Nicira 開(kāi)發(fā)，C++/Python編寫(xiě)，業(yè)界第一款 OpenFlow 控制器

POX: 由 Nicira 開(kāi)發(fā)，是 NOX 的純 Python 實(shí)現(xiàn)版本，目的是提供跨平臺(tái)部署的便利性

基礎(chǔ)設(shè)施層（ Infrastructure Layer ）

基礎(chǔ)設(shè)施層，由各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。它可以是數(shù)據(jù)中心的一組網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器?？刂茖迂?fù)責(zé)管理底層物理網(wǎng)絡(luò)，物理層的實(shí)現(xiàn)可以是支持 OpenFlow 的硬件交換機(jī)，隨著虛擬化技術(shù)的完善，SDN 交換機(jī)可以是軟件形態(tài)，例如 Open vSwitch (OVS) 就是一款基于開(kāi)源技術(shù)實(shí)現(xiàn)的、能夠與服務(wù)器虛擬化（Hypervisor）集成，具備交換機(jī)的功能，可以實(shí)現(xiàn)虛擬化組網(wǎng)。另外，OVS 支持傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)管理接口，例如 NetFlow 、sFlow 等，監(jiān)測(cè)虛擬環(huán)境中的流量情況，詳見(jiàn) 《淺談基于數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知》 。

應(yīng)用層（ Application Layer ）

應(yīng)用層對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是開(kāi)放區(qū)域，鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)盡可能多的創(chuàng)新應(yīng)用。包括網(wǎng)絡(luò)的可視化：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)等；網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化相關(guān)應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)配置管理，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)故障排除，網(wǎng)絡(luò)安全策略等。SDN 應(yīng)用程序可以為企業(yè)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提供各種端到端的解決方案。

例如，Brocade 應(yīng)用實(shí)例：

• Brocade Flow Optimizer
• Brocade Virtual router
• Brocade Network advisor

HPE 應(yīng)用實(shí)例：

• HPE Network Optimizer
• HPE Network protector
• HPE Network visualizer
• NEC UNC for HP SDN VAN Controller
• Aricent SDN Load balancer
• TechM smart flow steering
• TechM server load balancer

南向接口（ Southbound interface ）

控制層到基礎(chǔ)設(shè)施層（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)）通訊需要經(jīng)過(guò)南向接口，目前主要的協(xié)議是 OpenFlow , NetConf，OVSDB 。 OpenFlow 協(xié)議是事實(shí)上的國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，NOX 、Onix 、Floodlight 等都是基于 OpenFlow 控制協(xié)議的開(kāi)源控制器。作為一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議，OpenFlow 突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠(chǎng)商各自為政形成的設(shè)備能力接口壁壘。

北向接口（ Northbound interface ）

北向接口：應(yīng)用層 通過(guò) API 的方式 與 SDN 控制器通訊。與南向接口不同，現(xiàn)在北向接口還缺少業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)方案思路有的從用戶(hù)角度出發(fā)、有的從運(yùn)營(yíng)商角度出發(fā)、有的從產(chǎn)品能力角度出發(fā)。技術(shù)風(fēng)格上，部分傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠(chǎng)商傾向于在現(xiàn)有的設(shè)備上提供編程接口供業(yè)務(wù)App調(diào)用，許多上層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者也比較傾向于采用 REST API 接口的形式。

審核編輯：郭婷