SDN 網(wǎng)絡(luò)管理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析與改進(jìn)思路

陳超，王帥，李智，譚碧瑩，段雅倩，舒忠

（荊楚理工學(xué)院，荊門(mén)448000）

0 引言

開(kāi)放性、敏捷性、靈活性和高效性是任何一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)所追尋的主要目標(biāo)，特別是當(dāng)今以互聯(lián)網(wǎng)及以下規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用為主體，異構(gòu)性特點(diǎn)突出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。在典型的IP 和光網(wǎng)絡(luò)并存在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，開(kāi)放性目標(biāo)需要解決的問(wèn)題是對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等涉及要素可控，還需要考慮到不同的網(wǎng)管系統(tǒng)內(nèi)部之間的兼容性；敏捷性需要解決的問(wèn)題是快速地管控信息通信通道構(gòu)建；靈活性需要解決的問(wèn)題是對(duì)管控目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與相應(yīng)問(wèn)題處理能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)算，對(duì)管控對(duì)象收放自如；高效性需要解決的問(wèn)題是考慮投入及運(yùn)行成本，智能化實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)。因此，在異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、自主地發(fā)現(xiàn)管理與控制目標(biāo)，便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)研究的主要方向，對(duì)構(gòu)建高效的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)意義重大。

1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展概況

至目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)應(yīng)用中，針對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)管理目標(biāo)的網(wǎng)管技術(shù)主要是SNMP（Simple Network Management Protocol，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）和TMN（Telecommunications Management Network，電信管理網(wǎng)絡(luò)）[1]。當(dāng)前，以軟件定義網(wǎng)絡(luò)理念為主的網(wǎng)管技術(shù)是SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）[2]和SDON（Software Defined Optical Network，軟件定義光網(wǎng)絡(luò)）[3]。

SDN 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵是將物理設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)管理功能層和網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)有機(jī)地融合在一起，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理和管理信息控制分離開(kāi)來(lái)，將多樣化的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備從管理的角度，對(duì)其設(shè)備的標(biāo)識(shí)（不管設(shè)備的具體型號(hào)及功能信息）和傳輸信息（針對(duì)網(wǎng)管設(shè)備的管理與控制信息）進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范性定義，形成清晰地網(wǎng)管系統(tǒng)管理和控制層次。今后一段時(shí)期，SDON 技術(shù)的研究與應(yīng)用，將成為網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)領(lǐng)域主流方向，5G 通信時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，可以對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。但是，IP 網(wǎng)絡(luò)在短時(shí)期內(nèi)完全消失的可能性并不大，也就決定了SDN 技術(shù)的存在還具有非常重大的意義。近幾年里，SDN 技術(shù)的研究方向主要體現(xiàn)在網(wǎng)間路由自主更新方面[4]，特別是SDN技術(shù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有了一定的突破[5]，在社會(huì)發(fā)展各領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛。

1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模型的發(fā)展

最初的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)應(yīng)用思維，基本同計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的應(yīng)用一樣，在一種網(wǎng)管技術(shù)提出后，宏觀方面，通過(guò)版本升級(jí)逐步發(fā)展；微觀方面，采用“補(bǔ)丁模式”改進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異構(gòu)化特點(diǎn)突現(xiàn)，系統(tǒng)化解決網(wǎng)絡(luò)管理問(wèn)題的思維得以應(yīng)用于實(shí)踐。

當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的構(gòu)建。從1990 年開(kāi)始，美國(guó)首先提出了主要針對(duì)一種基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)FIND 全新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模型，同時(shí)，也為提出了為這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的運(yùn)行提供實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證的GENI 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驗(yàn)證模型[6]；至2006 年，日本也針對(duì)基于新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的構(gòu)建進(jìn)行了研究與實(shí)驗(yàn)，并在關(guān)鍵技術(shù)上取得了新的突破；至2007 年，歐盟對(duì)FIND 模型采用共存、共控、互補(bǔ)的模式對(duì)全球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)進(jìn)行了研究[7]，并在一些領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用；至2016 年，逐步提出了基于互聯(lián)網(wǎng)體系、基于命名數(shù)據(jù)、基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、基于云計(jì)算和基于異構(gòu)化特征的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建模型[8-12]；至今，已出現(xiàn)了組網(wǎng)靈活、技術(shù)多樣的全球計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

1.2 SSDDNN技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

在網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展方面，最早起源于電話通信中的語(yǔ)音傳輸與傳輸過(guò)程控制分離的理念，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，2004 年至2007 年，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的分離，最為突出的是提出了四層網(wǎng)絡(luò)管理體系的模型，圖1 所示為基于網(wǎng)管數(shù)據(jù)、路由發(fā)現(xiàn)、信息傳輸和控制策略四層網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)的模型。四層網(wǎng)絡(luò)管理體系中的網(wǎng)管信息傳輸過(guò)程由所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象、網(wǎng)絡(luò)管控過(guò)程和網(wǎng)管信息控制三個(gè)集合定義組成，其網(wǎng)管信息以編碼運(yùn)算的方式進(jìn)行處理與傳輸；將網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)通道的構(gòu)建決策機(jī)制（包括一些自主決策機(jī)制）獨(dú)立出來(lái)，并對(duì)信息通道構(gòu)建以邏輯運(yùn)算的方式進(jìn)行處理與傳輸。

圖1 四層網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)模型

基于四層網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)模型的提出，為2008年美國(guó)提出OpenFlow 技術(shù)（一種數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議）[2]奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，也是SDN 網(wǎng)絡(luò)管理體系構(gòu)建的基礎(chǔ)。OpenFlow 技術(shù)通過(guò)對(duì)種數(shù)據(jù)傳輸接口進(jìn)行規(guī)范定義，通過(guò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備（數(shù)據(jù)交換機(jī)或路由器）的連接，圖2 為OpenFlow 內(nèi)部信息通信流程圖。至2012 年，制定了基于OpenFlow 技術(shù)的網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)及以下規(guī)模的各類(lèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。我國(guó)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)研究從2013 年開(kāi)啟，至今在研究與應(yīng)用方面都取得了較大的成就，國(guó)內(nèi)參與研究的機(jī)構(gòu)以企業(yè)為主，如：華為、中興通訊、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、騰訊等，還有一些國(guó)內(nèi)知名高校也參與其中。

圖2 OpenFlow內(nèi)部信息通信流程圖示

1.3 SSDDNN技術(shù)應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題

SDN 技術(shù)的網(wǎng)管路由發(fā)現(xiàn)與控制可視化和流表式信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，大大提高了對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理與控制效率。路由可視化，直觀地為負(fù)載均衡機(jī)制的實(shí)施提供了便利，促使網(wǎng)絡(luò)帶寬得到了充分利用；流表轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，提供了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)耐〝鄼z測(cè)功能，使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)信息的檢測(cè)更加及時(shí)、主動(dòng)、靈活。SDN 技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“人工手動(dòng)”向“自主智能”網(wǎng)管模式的轉(zhuǎn)換。

由于SDN 技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管設(shè)備對(duì)象的描述信息與網(wǎng)管控制信息的分離，并依賴(lài)于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)備物理層設(shè)備連接和數(shù)據(jù)信息通信接口，因此，基于SDN 技術(shù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)構(gòu)建，需要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①依據(jù)ETSI 標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建以虛擬化物理層、虛擬化功能實(shí)現(xiàn)層和虛擬化應(yīng)用層為基本結(jié)構(gòu)的通用型SDN 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)模型是首先需要考慮的問(wèn)題。②網(wǎng)管數(shù)據(jù)信息的傳輸分配算法優(yōu)化，以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為主體的網(wǎng)管資源機(jī)制設(shè)計(jì)，對(duì)資源分配算法的實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行評(píng)估。③以O(shè)penFlow 協(xié)議開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)路由控制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)化混合網(wǎng)絡(luò)的分布式路由可視化管理控制。④對(duì)未來(lái)新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合SDN網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)管理功能的實(shí)際需求，在NFV 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的SDN 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)三層模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入SDN 資源管理層，構(gòu)建真正能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)管理的網(wǎng)管系統(tǒng)模型，等等。

2 SDN網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 SSDDNN網(wǎng)管系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

最初的虛擬SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型于2012 年提出，主要由設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層組成，圖3 為虛擬化SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)圖。其中，設(shè)備層主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)管系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行定義，當(dāng)時(shí)主要管理的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備只是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，采用只盯設(shè)備不管設(shè)備的具體型號(hào)、功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的策略，通過(guò)統(tǒng)一編制標(biāo)識(shí)對(duì)相應(yīng)的交換設(shè)備進(jìn)行定義，且設(shè)備標(biāo)識(shí)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)下，進(jìn)行隨機(jī)有序識(shí)別，將被發(fā)現(xiàn)的交換設(shè)備納入整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)的對(duì)象中。控制層由SDN 軟件系統(tǒng)組成，根據(jù)SDN 軟件制定的網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)則，主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理功能實(shí)現(xiàn)的控制信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，為網(wǎng)管功能實(shí)現(xiàn)提供信息傳輸通道和組織功能的具體實(shí)施。應(yīng)用層由網(wǎng)管功能的相應(yīng)執(zhí)行程序組成，程序通過(guò)交互式執(zhí)行界面表現(xiàn)，負(fù)責(zé)直接發(fā)出進(jìn)行網(wǎng)管操作的全部指令。設(shè)備層與控制層之間的數(shù)據(jù)交換采用OpenFlow 通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，這也是整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬化管理的關(guān)鍵。控制層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交換采用API 程序接口（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口，是定義數(shù)據(jù)信息、定義程序之間連接方式和數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議等組成元素的集合）與SDN 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，突出了OpenFlow 通信協(xié)議的重要性，清晰地定義了控制層的控制信息與網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的管理信息的接口，采用集中式的管理模式，為網(wǎng)管過(guò)程的實(shí)施提供了很大的便利。主要的缺點(diǎn)是網(wǎng)管的自主性只表現(xiàn)在了對(duì)網(wǎng)管對(duì)象（數(shù)據(jù)交換機(jī)）的發(fā)現(xiàn)上，幾乎沒(méi)有考慮到網(wǎng)管功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自主性管理與控制方面。

圖3 虛擬化SDN網(wǎng)管系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)圖示

針對(duì)最初虛擬SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型在商用中存在問(wèn)題的總結(jié)，研究人員于2013 年提出了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并一直沿用至今，雖然近幾年來(lái)針對(duì)這個(gè)模型的改進(jìn)一直沒(méi)有中斷，但都沒(méi)有打破首次提出模型的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)模型組成模塊的功能進(jìn)行擴(kuò)展研究是主要方向。這一階段對(duì)SDN網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型研究與應(yīng)用的改進(jìn)成果有[13]：①在層次結(jié)構(gòu)上，將原有的設(shè)備層（名稱(chēng)改為數(shù)據(jù)平面）、控制層（名稱(chēng)改為控制平面）和應(yīng)用層（名稱(chēng)改為應(yīng)用平面）三層結(jié)構(gòu)的組成元素進(jìn)行了明確定義，并增加了一些組成元素。②在控制層引入SDN 控制器，在應(yīng)用層與設(shè)備層的連接上，采用代理接口策略；同時(shí)，用于規(guī)范與設(shè)備層與控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸接口定義。③提出了SDN 數(shù)據(jù)通道，并制定了通道配置策略；在SDN 管理模塊中，引入了SLA 管理服務(wù)策略（Service Level Agreement，服務(wù)級(jí)別協(xié)議）；增加了網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè)模塊，全面掌控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為自主分配管理信息傳輸通道提供便利；提供了網(wǎng)管功能和網(wǎng)管對(duì)象的擴(kuò)展接口，以利于網(wǎng)管功能和網(wǎng)管設(shè)備的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。④在控制層中，明確定義了SDN 北向接口（NBI）、SDN南向接口（CDPI）的概念，北向接口用于與應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)連接，通過(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)劃，達(dá)到調(diào)用設(shè)備層資源的目標(biāo)；南向接口用于與設(shè)備層實(shí)現(xiàn)連接，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換設(shè)備、跨網(wǎng)連接路由設(shè)備，制定管理信息通道的連接策略，管理信息的數(shù)據(jù)流表下發(fā)等是主要其主要任務(wù)。⑤OpenFlow 的重要性主要體現(xiàn)在網(wǎng)管信息傳輸?shù)耐ㄐ欧矫妫谡麄€(gè)SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的核心地位被削弱。圖4 為當(dāng)前采用的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 當(dāng)前采用的SDN網(wǎng)管系統(tǒng)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖示

2.2 SSDDNN網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)則

一些網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能等自身因素，提供網(wǎng)管技術(shù)和方案，基本上也都是遵循了基于OpenFlow 技術(shù)的網(wǎng)管系統(tǒng)模型定義規(guī)則，實(shí)現(xiàn)SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的構(gòu)建，在網(wǎng)管系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和功能組成方面，具有較高的一致性。但是，對(duì)于網(wǎng)管系統(tǒng)各功能層的連接，都具有各自的特點(diǎn)，在程序與程序之間、程序與設(shè)備之間的通信接口定義都不盡相同，從而產(chǎn)生了SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)在構(gòu)建規(guī)則上的差異。在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)了以開(kāi)放網(wǎng)管信息控制、開(kāi)放信息傳輸控制、虛擬化與IP 網(wǎng)管融合、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能等四種常見(jiàn)的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案，圖5 為四種常見(jiàn)的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案。

圖5 四種常見(jiàn)的SDN網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案

以開(kāi)放網(wǎng)管信息控制為主的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案，需要嚴(yán)格執(zhí)行NFV 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按圖4 所示構(gòu)建SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，針對(duì)通用的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行管理，以網(wǎng)管程序?yàn)橹?，運(yùn)行網(wǎng)管功能，在互聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用。這種網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)則的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)流量的控制和網(wǎng)絡(luò)管理資源的自主配置。

以開(kāi)放信息傳輸接口為主的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案，需要對(duì)API 北向程序接口進(jìn)行嚴(yán)格統(tǒng)一的定義，清晰地描述網(wǎng)管發(fā)生事件，準(zhǔn)確地定義網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的信息傳輸接口，同時(shí)，還需要制定網(wǎng)管應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)則。

以虛擬化與IP 常規(guī)網(wǎng)管策略融合為主的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案，需要依據(jù)IP 網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)絡(luò)兩層結(jié)構(gòu)定義網(wǎng)管系統(tǒng)模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)交換設(shè)備都應(yīng)采用虛擬連接，在IP 網(wǎng)絡(luò)中只要交換設(shè)備能被發(fā)現(xiàn)，就可以實(shí)現(xiàn)虛擬連接。

以虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能為主的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)建方案，需要將網(wǎng)絡(luò)管理功能和網(wǎng)絡(luò)管理的設(shè)備進(jìn)行分離，對(duì)全部網(wǎng)管設(shè)備進(jìn)行虛擬化管理，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其運(yùn)行效果有所提高，并且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。

3 SDN網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用

SDN 網(wǎng)管技術(shù)主要涉及應(yīng)用層程序的開(kāi)發(fā)和對(duì)網(wǎng)管對(duì)象資源進(jìn)行管理（控制層與設(shè)備層的連接）兩個(gè)方面，同時(shí)，混合式網(wǎng)絡(luò)管理與控制的方式選擇。

3.1 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)技術(shù)

SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管信息的傳輸與網(wǎng)管信息傳輸通道控制進(jìn)行分離，網(wǎng)管信息的傳輸必須依托網(wǎng)管操作平臺(tái)（也就是網(wǎng)管操作系統(tǒng)，交互式和可視化是重點(diǎn)考慮的因素）實(shí)現(xiàn)，因此，網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)首先需要考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程工具的選擇。當(dāng)前，已有的網(wǎng)管操作平臺(tái)編程工具包括：NOX、NOX-MT、Maestro、Onix、HyperFlow、Kandoo、Beacon、Floodlight、POX、Ryu、ONOS、Rosemary、Open Day Light 等[14]。和其他軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)一樣，網(wǎng)管操作系統(tǒng)編程工具設(shè)計(jì)的控制主控模塊，需要考慮的主要因素包括：所支持的線程（或單線程或多線程或虛擬連接）、分布式（或集中式）管理機(jī)制的應(yīng)用、隔離策略的應(yīng)用、模塊化（或容器化或插件化）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的選擇、編程語(yǔ)言的選擇（或C++或Java 或Python 等）等。

在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)管信息的獲取范圍（全局或局部信息）的定義、NBI 接口和CDPI 南向接口的定義、控制與管理對(duì)象（OpenFlow 交換機(jī)、路由器等設(shè)備）的定義、各種管理和控制協(xié)議的應(yīng)用、針對(duì)網(wǎng)管信息通信協(xié)議的應(yīng)用等方面，都是非常關(guān)鍵的因素。

在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)中，相關(guān)的研究成果，在技術(shù)上已具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，一些優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)。所出現(xiàn)的問(wèn)題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是虛擬技術(shù)的應(yīng)用在超大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（特別是互聯(lián)網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)有效部署的難度大，隔離策略防范故障發(fā)生和網(wǎng)絡(luò)安全的有效能力難于真正發(fā)揮，網(wǎng)管功能、網(wǎng)管對(duì)象等方面的擴(kuò)展能力不強(qiáng)；二是對(duì)于超大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理，對(duì)所有細(xì)節(jié)因素的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化定義難于實(shí)施，特別是針對(duì)網(wǎng)管信息描述的細(xì)節(jié)定義精細(xì)與粗疏交融，針對(duì)網(wǎng)管信息的傳輸通道自主匹配、動(dòng)態(tài)組合的控制難于實(shí)施。

3.2 網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)

SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的軟硬件資源管理主要體現(xiàn)在控制層和設(shè)備層的設(shè)計(jì)上，特別是控制層與設(shè)備層的連接尤為重要。SDN 資源管理以虛擬技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，主要涉及對(duì)需要管理與控制的設(shè)備資源進(jìn)行合理分配，當(dāng)然，也涉及對(duì)訪問(wèn)這些設(shè)備資源的通道進(jìn)行合理分配；還涉及到對(duì)設(shè)備資源、訪問(wèn)設(shè)備資源的通道的充分利用，以及為了實(shí)現(xiàn)資源及通道充分利用的調(diào)度與控制。

在SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)的構(gòu)建中，主要的虛擬化技術(shù)包括：Flow Visor、Flow N、Auto Slice、Open Virte X、Auto VFlow、Devo Flow、Hedera 等[15-16]。這些網(wǎng)管資源管理技術(shù)的關(guān)鍵可以總結(jié)為以下幾種：①子網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)共享的方式，應(yīng)用OpenFlow 通信協(xié)議與其他子網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的交換設(shè)備進(jìn)行虛擬連接，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)子網(wǎng)系統(tǒng)的共存共融；對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信息傳輸流量、應(yīng)用層主控系統(tǒng)CPU 的運(yùn)行能力和信息傳輸轉(zhuǎn)發(fā)表（信息流表）五個(gè)技術(shù)參量進(jìn)行明確定義；主控系統(tǒng)的設(shè)置不唯一，但分工明確，不跨所劃分的子網(wǎng)；所獲取的網(wǎng)管信息就是主控系統(tǒng)和OpenFlow 交換機(jī)之間的交換信息。這種網(wǎng)管方式的本質(zhì)也是應(yīng)用了網(wǎng)管代理策略，網(wǎng)管過(guò)程具有較高的透明度。②對(duì)管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址和網(wǎng)管控制功能三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行虛擬化管理與控制，同樣采用網(wǎng)管代理策略。③通過(guò)基于自主部署虛擬節(jié)點(diǎn)，以最方便的路由運(yùn)算為原則實(shí)現(xiàn)資源管理，達(dá)到提高資源利用率、精確檢測(cè)管理信息流量、通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析合理分配管理信息流量的目的。④引入多代理策略，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮摂M映射連接，在多子網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)自主的網(wǎng)管信息交換。⑤基于云處理平臺(tái)下，多網(wǎng)管操作平臺(tái)可以對(duì)全部虛擬連接設(shè)備進(jìn)行管控，還可以自主設(shè)計(jì)多個(gè)網(wǎng)管功能。以上技術(shù)需要考慮的主要因素包括：管控資源的參量描述（如：帶寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信息流量、CPU 運(yùn)行能力、信息流表、設(shè)備地址等）、資源的分配控制策略（單網(wǎng)管操作平臺(tái)、多網(wǎng)管操作平臺(tái)、資源利用率調(diào)整策略、信息流量控制策略、信息傳輸通道分配策略、負(fù)載均衡策略等）、是否具備動(dòng)態(tài)管控資源的能力、網(wǎng)管信息獲取的來(lái)源（如：網(wǎng)管操作平臺(tái)的相應(yīng)功能模塊、網(wǎng)管數(shù)據(jù)交換機(jī)、網(wǎng)管操作平臺(tái)向交換機(jī)發(fā)送的信息、交換機(jī)向網(wǎng)管操作平臺(tái)發(fā)送的信息等）四個(gè)方面。

在控制層和設(shè)備層的設(shè)計(jì)上，主要的難點(diǎn)體現(xiàn)在控制層與設(shè)備層的連接方面，同時(shí)，也涉及與應(yīng)用層的連接問(wèn)題。另外，在應(yīng)用方面問(wèn)題最為突出。問(wèn)題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是SDN 網(wǎng)管技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用主體為通訊產(chǎn)業(yè)企業(yè)，針對(duì)自身的業(yè)務(wù)范圍，其網(wǎng)管對(duì)象的軟硬系統(tǒng)種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、功能等不盡相同，網(wǎng)管對(duì)象的主要數(shù)據(jù)交換設(shè)備的管控方式、動(dòng)態(tài)管理策略、自主管理機(jī)制等也存在差異，特別是虛擬節(jié)點(diǎn)的部署規(guī)則沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則。二是針對(duì)采集的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源進(jìn)行合理分配與控制的難度較大。

3.3 混合式管控技術(shù)

當(dāng)前，還在廣泛實(shí)際應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)管控方面的技術(shù)，都是以產(chǎn)品的方式直接部署于各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這類(lèi)產(chǎn)品可能還需要通過(guò)功能集成后才能應(yīng)用于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)管理。經(jīng)過(guò)連續(xù)的研究與開(kāi)發(fā)，這些傳統(tǒng)的網(wǎng)管技術(shù)可靠性是比較高的，且還有很高的再利用價(jià)值。傳統(tǒng)網(wǎng)管技術(shù)通常只對(duì)設(shè)備層進(jìn)行了定義，對(duì)一些網(wǎng)管功能的實(shí)現(xiàn)，則通過(guò)設(shè)計(jì)一些控制程序形成一個(gè)體系的軟件系統(tǒng)完成，并沒(méi)有形成嚴(yán)格意義的應(yīng)用層和控制層，應(yīng)用層和控制層的作用只是通過(guò)一些網(wǎng)管控制程序體現(xiàn)。因此，不可能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管控分離思想。需要手動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，操作過(guò)程過(guò)于麻煩?；谶@一現(xiàn)狀，就出現(xiàn)了在傳統(tǒng)網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，引入與SDN 技術(shù)混合的網(wǎng)管技術(shù)，且在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在。常用的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)主要包括以純SDN 與純IP 混合的網(wǎng)管模型（以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主要關(guān)注點(diǎn)）、純IP 與IP-SDN 融合的混合網(wǎng)管模型（以網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)為主要關(guān)注點(diǎn)）、IP－SDN 融合的混合網(wǎng)管模型（以網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)別為主要關(guān)注點(diǎn)）和純SDN 的混合網(wǎng)管模型（以功能集成應(yīng)用為主要關(guān)注點(diǎn)）為劃分規(guī)則的混合網(wǎng)管模型[17]，圖6 為常用的四種SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用模型。

圖6 常用的SDN混合網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用模型

以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)，首先將需要管理的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)采用不同的管理方式，讓傳統(tǒng)網(wǎng)管技術(shù)與SDN網(wǎng)管技術(shù)相互分離，通過(guò)設(shè)置在被管理數(shù)據(jù)交換設(shè)備的控制器上，獨(dú)自完成自己的網(wǎng)管任務(wù)，通過(guò)跨子網(wǎng)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理。

以網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)為基礎(chǔ)的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)，主要是針對(duì)網(wǎng)管對(duì)象的數(shù)據(jù)交換設(shè)備改造為突破點(diǎn)，在數(shù)據(jù)交換設(shè)備中設(shè)置兩個(gè)不同的傳統(tǒng)網(wǎng)管和SDN 網(wǎng)管控制器，使用兩種技術(shù)各自完成相應(yīng)的網(wǎng)管功能服務(wù)。

以網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)別為基礎(chǔ)的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)，是在以網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)為基礎(chǔ)的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)管信息的流量進(jìn)行控制，也就是一部分網(wǎng)管功能的實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)網(wǎng)管技術(shù)完成，另一部分網(wǎng)管功能的實(shí)現(xiàn)由SDN 網(wǎng)管技術(shù)完成。

以功能集成模式為基礎(chǔ)的SDN 混合網(wǎng)管技術(shù)，是在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中直接使用SDN 網(wǎng)管技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)交換設(shè)備進(jìn)行管理與控制，在SDN 網(wǎng)管模塊引入傳統(tǒng)網(wǎng)管模塊的數(shù)據(jù)信息通信協(xié)議，確保SDN 管控信息可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)交換設(shè)備的控制器。數(shù)據(jù)交換設(shè)備的控制器還是由傳統(tǒng)網(wǎng)管機(jī)制進(jìn)行管控，但傳統(tǒng)網(wǎng)管控制器可以被SDN 網(wǎng)管模塊控制。

SDN 混合網(wǎng)管模型在傳統(tǒng)網(wǎng)管模型的基礎(chǔ)上，基本可以體現(xiàn)出設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵技術(shù)的處理上，主要還是針對(duì)OpenFlow 虛擬技術(shù)的應(yīng)用方面[18]。主要的技術(shù)包括：①通過(guò)在OpenFlow虛擬策略中引入路由運(yùn)算機(jī)制，使IP 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換設(shè)備被統(tǒng)一定義為路由設(shè)備，實(shí)現(xiàn)IP 網(wǎng)絡(luò)與SDN 網(wǎng)絡(luò)共融。②對(duì)OpenFlow 虛擬技術(shù)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)設(shè)置網(wǎng)管控制器并部署于數(shù)據(jù)交換設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)）中，使之可以實(shí)現(xiàn)與IP 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，確保網(wǎng)管系統(tǒng)的控制層與設(shè)備層之間的連接暢通。③通過(guò)引入OpenFlow 交換機(jī)，設(shè)計(jì)網(wǎng)管信息傳輸通道選擇算法（或不同機(jī)制的最佳路由運(yùn)算算法），并應(yīng)用于OpenFlow 交換機(jī)中，在傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)SDN 網(wǎng)管策略。

混合式網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是OpenFlow 虛擬策略引入時(shí)虛擬節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部設(shè)計(jì)與虛擬節(jié)點(diǎn)部署，需要考慮到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及網(wǎng)管策略的因素，確保網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)能夠完整體現(xiàn)。二是以開(kāi)放路由信息和數(shù)據(jù)流信息為原則，構(gòu)建路由和數(shù)據(jù)流的聯(lián)合的可視化功能模塊，為網(wǎng)管過(guò)程的監(jiān)控提供便利。三是針對(duì)未來(lái)新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異構(gòu)化特征更為突出（傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)和新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）的網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)管理機(jī)制。

4 改進(jìn)思路

本文厘清了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用歷程，從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理的角度，重點(diǎn)對(duì)基于OpenFlow 技術(shù)應(yīng)用的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了分析，針對(duì)今后異構(gòu)化特征更為突出的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理中存在的難點(diǎn)，提出以下SDN 網(wǎng)管技術(shù)應(yīng)用思路：

（1）一個(gè)通用性強(qiáng)的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)基本模型設(shè)計(jì)，是確保管控分離、自主動(dòng)態(tài)組合分配網(wǎng)管資源和網(wǎng)管過(guò)程可視化的重要前提，其通用性的實(shí)現(xiàn)必須據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，構(gòu)建通用的SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)也是從事相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)平臺(tái)。

（2）應(yīng)用數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆峙渌惴?，是以虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為主體的網(wǎng)絡(luò)資源管理實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)，還需要考慮對(duì)網(wǎng)管資源分配的效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

（3）依據(jù)OpenFlow 通信協(xié)議的開(kāi)放路由控制策略準(zhǔn)則，交互式可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的便利管控提供有力支撐。

（4）在通用性SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)基本模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，是實(shí)現(xiàn)自主控制、動(dòng)態(tài)組合分配網(wǎng)管資源的研究思路，所考慮的切入點(diǎn)應(yīng)該在網(wǎng)管系統(tǒng)的控制層，可以考慮將網(wǎng)管資源（數(shù)據(jù)交換設(shè)備）從控制層中剝離出來(lái)，對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)門(mén)管控。

圖7 為在當(dāng)今異構(gòu)化特征突出的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境下，構(gòu)建新型SDN 網(wǎng)管系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖7 構(gòu)建新型SDN網(wǎng)管系統(tǒng)模型的關(guān)鍵思路圖示