關(guān)于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與開發(fā)環(huán)境研究

夏仕俊

（國網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司，上海 200120）

1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)面臨的部分問題

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常由大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，諸如交換機(jī)、各種類型的中間件（如防火墻），以及諸多作用在之上的復(fù)雜協(xié)議。需要使用非常有限的工具來手動配置復(fù)雜的策略將高層次的政策轉(zhuǎn)化為低層次的配置命令，并適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)條件。因此對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的管理和性能調(diào)優(yōu)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，且容易出錯。同時“互聯(lián)網(wǎng)僵化”是更加嚴(yán)峻的問題。因為互聯(lián)網(wǎng)極其龐大的部署基數(shù)，又涉及重要基礎(chǔ)設(shè)施（比如能源供應(yīng)等方面），所以極難在物理結(jié)構(gòu)和協(xié)議性能兩方面有所發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及服務(wù)變得越來越復(fù)雜和苛刻，以何種方式，使得互聯(lián)網(wǎng)可以快速應(yīng)對這些新的挑戰(zhàn)已成為當(dāng)務(wù)之急。

“可編程網(wǎng)絡(luò)”的概念作為一種促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方法已被提出多年，而軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，簡稱SDN）是一種新的網(wǎng)絡(luò)模式，其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過控制決策層去耦合，可顯著簡化網(wǎng)絡(luò)管理，實現(xiàn)創(chuàng)新和發(fā)展。在SDN中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系、轉(zhuǎn)發(fā)路由等按照邏輯集中在基于軟件的控制器中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)成為可通過開放接口（例如ForCES，OpenFlow等）進(jìn)行編程的簡單的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)裝置。

SDN目前吸引了來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界顯著的關(guān)注，一些網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和服務(wù)提供商等最近創(chuàng)建了工業(yè)導(dǎo)向的開放網(wǎng)絡(luò)基金會以推動SDN并標(biāo)準(zhǔn)化OpenFlow協(xié)議。在學(xué)術(shù)界，也創(chuàng)建了OpenFlow網(wǎng)絡(luò)研究中心，專注于SDN研發(fā)，IETF、IRTF和其他一些標(biāo)準(zhǔn)制定組織也在為SDN的標(biāo)準(zhǔn)化努力。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)通常由用戶設(shè)備，或網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)互聯(lián)的主機(jī)組成，這種基礎(chǔ)架構(gòu)是主機(jī)共享的。如路由器和交換機(jī)，以及進(jìn)行主機(jī)之間數(shù)據(jù)傳遞的通信鏈路。路由器和交換機(jī)通常是“閉路”系統(tǒng)，通常帶有有限的、供應(yīng)商特定的控制接口。因此，一旦部署并投入使用，要當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)再進(jìn)行演變是相當(dāng)困難的；換句話說，部署現(xiàn)有協(xié)議（例如，IPv6）的新版本是相當(dāng)困難的，更不要說部署完全新的協(xié)議和服務(wù)，這是在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中幾乎不可克服的障礙，無論是互聯(lián)網(wǎng)還是局域網(wǎng)絡(luò)都不例外。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)是為了促進(jìn)創(chuàng)新，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路徑的簡單編程控制成為可能。如圖1所示，來自控制邏輯的轉(zhuǎn)發(fā)與硬件的分離使得新協(xié)議和應(yīng)用程序的部署成為可能，簡化了網(wǎng)絡(luò)可視化及管理、以及各種中間件到軟件控制的整合。網(wǎng)絡(luò)被簡化成“簡單”的轉(zhuǎn)發(fā)硬件和決策網(wǎng)絡(luò)控制器的組合，來代替以往執(zhí)行策略和協(xié)議分散在個個網(wǎng)絡(luò)器件上的情況。

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN架構(gòu)的對比

圖1SDN架構(gòu)將控制邏輯從轉(zhuǎn)發(fā)硬件上解耦，并且使中間件的合并，更簡單的策略管理和新的功能成為可能，實線表示數(shù)據(jù)平面連接，虛線表示控制平面連接。

（1）現(xiàn)有SDN架構(gòu)

ForCES和OpenFlow是兩個知名的SDN架構(gòu)協(xié)議，二者均遵守基本的SDN控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離原則，并且都會標(biāo)準(zhǔn)化平面之間的信息交換，但是在設(shè)計、架構(gòu)、轉(zhuǎn)發(fā)模式以及協(xié)議接口的技術(shù)上有很大不同［1，2］。

IETF提出了ForCES（轉(zhuǎn)發(fā)與控制元件分離）工作組方法，該方法重新定義了將控制元件與轉(zhuǎn)發(fā)元件分離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部架構(gòu)。然而，這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仍然表示為單個實體，由工作組提供的驅(qū)動用例，來將新的轉(zhuǎn)發(fā)硬件與第三方控件結(jié)合在單一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。因此，控制平面和數(shù)據(jù)平面被放在靠近的位置（例如，同一機(jī)箱或機(jī)房）。與此相反，在“的OpenFlow型”的SDN系統(tǒng)中，控制平面是完全從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備剝離開的。

在OpenFlow架構(gòu)中（見圖2），轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備即OpenFlow交換機(jī)，包括一個或多個流表，及一個通過OpenFlow協(xié)議與控制器安全交換的抽象層。流表由流條目組成，每個流條目決定一個流中的數(shù)據(jù)包如何處理和轉(zhuǎn)發(fā)。流條目通常由匹配字段（或匹配規(guī)則）、計數(shù)器及一組指令或操作組成，它們決定如何處理匹配的數(shù)據(jù)包。

圖2 OpenFlow架構(gòu)圖

圖2為通過OpenFlow協(xié)議發(fā)生的控制器和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的通信。流表的三個構(gòu)成部分為：匹配規(guī)則、數(shù)據(jù)包匹配規(guī)則時的動作及用于收集流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計數(shù)器組成。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備

底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)可以包括多個不同的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、或轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，諸如路由器、交換機(jī)、虛擬交換機(jī)、無線接入點(diǎn)設(shè)備、等等。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中，這樣的設(shè)備通常被描述成抽象層中可通過開放接口訪問的基本轉(zhuǎn)發(fā)硬件，而控制邏輯和算法被隔離移動到一個控制器，這類轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通常指的是在SDN術(shù)語中被簡單稱為“交換器”的設(shè)備，圖3分離的控制邏輯可被視為一個網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，應(yīng)用可被在其中創(chuàng)建以“編寫”網(wǎng)絡(luò)。

（3）控制器

解耦的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一直被比作操作系統(tǒng)，控制器在此系統(tǒng)中提供了網(wǎng)絡(luò)的編程接口，它可用于實現(xiàn)管理任務(wù)，并提供新的功能。該模型的分層視圖如圖3所示，這個抽象分層假定控制器是集中式的，應(yīng)用程序的編寫環(huán)境如同此網(wǎng)絡(luò)是一個單一的系統(tǒng)，它使得SDN模型能夠在多種不同的應(yīng)用和不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及物理介質(zhì)，諸如無線（如802.11和802.16），有線（如以太網(wǎng)）和光纖網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用。

圖3 SDN分層視圖

（4）產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化

最近，一些標(biāo)準(zhǔn)制定組織開始關(guān)注SDN。比如IETF的ForCES工作組一直致力于標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)于網(wǎng)絡(luò)集中控制和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)抽象的機(jī)制、接口和協(xié)議，以及開放網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）一直致力于的OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)化。隨著控制平面將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用從底層硬件架構(gòu)抽象出來，將重點(diǎn)放在了標(biāo)準(zhǔn)化以下幾項之間的接口，即網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和控制器及控制器和交換基礎(chǔ)架構(gòu)之間。一些ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）的研究小組近來的工作是SDN在不同維度下的需求討論并給出建議。

3 SDN開發(fā)工具

（1）仿真和模擬工具

Mininet使整個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)被模擬在一臺機(jī)器上，簡化了初始的開發(fā)和部署過程。新的服務(wù)、應(yīng)用和協(xié)議在被接入真實硬件上前，可先在仿真的預(yù)期部署環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)和測試。Mininet默認(rèn)支持OpenFlow的1.0版，但它可被修改以支持適應(yīng)新發(fā)布的軟件交換機(jī)，ns-3網(wǎng)絡(luò)仿真器環(huán)境內(nèi)部可支持OpenFlow交換機(jī)，不過它目前的版本只能執(zhí)行OpenFlow的0.89版。

（2）可用軟件交換機(jī)平臺

目前有幾種可用的SDN軟件交換機(jī)可以使用，比如運(yùn)行SDN測試平臺或通過SDN開發(fā)服務(wù)。表1目前符合OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的軟件交換工具列出了現(xiàn)有的軟件交換機(jī)的簡要描述，包括實現(xiàn)語言，現(xiàn)有設(shè)備支持的OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)版本。

表1 目前符合OpenFIow標(biāo)準(zhǔn)的軟件交換工具

（3）本地SDN交換機(jī)

SDN實現(xiàn)的所有技術(shù)中，一個比較主要的在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)硬件中的實現(xiàn)是OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)。目前還并不需要展示OpenFlow啟用的硬件和制造商的詳細(xì)介紹，而是提供了一個市場上可用的本地SDN交換機(jī)列表，并提供了一些相關(guān)信息，包括OpenFlow執(zhí)行的版本。

行業(yè)對SDN有力支撐的一個明顯的證據(jù)是商用OpenFlow網(wǎng)絡(luò)硬件的可用性，表2符合OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)的主流商用交換機(jī)制造商列出了當(dāng)前可用的商用交換機(jī)，它們的制造商和Open-Flow的，以及它們執(zhí)行的版本。

表2 符合OpenFIow標(biāo)準(zhǔn)的主流商用交換機(jī)制造商

［1］ DORIA A，SALIM J H，HAAS R，et al.Forwarding and Control Element Separation（ForCES）Protocol Specification.RFC 5810（Proposed Standard），Mar.2010.

［2］ MCKEOWN N，ANDERSON T，BALAKRISHNAN H，et al.OpenFlow：enabling innovation in campus networks.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，38（2）：69-74，2008.