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1、营.赢/ 2013.0417软件化网络：一场即将开始的网络变革文/中国电信北京研究院 赵慧玲 王茜 史凡SDN技术将会逐渐对电信网络的发展和演进起到重要作用。该技术将使传统电信网络发生变化，我们应密切关注其进展，研究和分析其对网络元素的影响，使其提高网络资源的利用率和业务部署的灵活性，不断增强网络能力，提升用户体验。前网络面临着许多重大技术挑战，如地址空间濒临枯竭、服务质量无法有效保证、网络资源效率需要提高等问题。这些问题是由网络自身体系结构所决定的，所以学术界、产业界形成了共识，研究从现有网络向新型网络体系结构演进。这个话题已经成为业界当前的新热点。软件定义网络（Software Defin
2、ed Network，SDN）是一种新型的网络技术，它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。在实践上，2012年7月，SDN代表厂商Nicira被VMware以12.6亿美元收购，以及Google宣布在其全球12个IDC网络间成功部署SDN，更引起了业界的强烈关注。SDN的典型架构共分三层，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；中间的控制层主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；最底层的基础设施层负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。现有网络中，对流量的控制和转发都依赖于网络设备来实现，且设备中集成了与业务特性紧耦合的操作系统和专用硬件
3、，这些操作系统和专用硬件是由各个厂家独立开发和设计的。而在SDN网络中，网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件；原来负责控制的操作系统当将成为独立的网络操作系统，由其负责对不同业务特性的适配，而且网络操作系统和业务特性，以及硬件设备之间的通信，都可以通过编程实现。本文从SDN的概念和总体架构出发，介绍SDN标准的现状，总结SDN技术的重要特征，并与运营商业务和网络需求相结合，提出了SDN与智能管道结合的思路和数据中心组网的应用。业界对SDN的研究进展标准化组织ONF、IETF和ITU-T等国际组织主导了SDN相关的技术标准研究。从2011年开始，SDN架构及其控制面、转发面的新技术，
4、越来越受到全球运营商的重视，德国电信、法国电信、日本NTT等积极参与倡议，成立了开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）。ONF致力于软件定义网络及OpenFlow技术的标准化，也逐步开展新技术的研究试验，推动技术原型系统的商业化。ONF自成立之后，发展迅速，已有72家成员，其中有7个Board Member，分别是Google、Facebook、NTT、Verizon、德国电信、微软、雅虎。ONF分了7个工作组，负责不同的子领域定义和市场推广等工作，同时对于新的议题赵慧玲营.赢/ 2013.0418主流欧美厂商一般认为SDN将增强网络功能，而不是取代当前
5、的网络，其主要在设备虚拟化和控制软件化方面进行突破。设备虚拟化体现在对PDSN、BRAS和SR等网络设备的合一。控制软件化体现在提供网络可编程性的实现方法，允许客户利用各种协议，而不仅仅是OpenFlow，对设备和网络进行编程。已有多家厂商发布了基于SDN的硬件平台和相关软件。中国厂商也不输于人，甚至有厂商认为未来传统的硬件厂商将向软件公司发展。已有中国厂商提供支持SDN的路由器设备，并提出运营商网络应引入Controller进行端到端转发能力协调的思路。运营商多数欧美运营商也认为SDN有助于提高现网性能，但还处于技术研究阶段。日本运营商NTT行动较早，自主研发了Virtual Network
6、 Controller Ver2.0，用于多个数据中心的统一服务和按需配置，已在其欧洲、美国和日本的数据中心进行了虚拟化部署。Google是运用SDN最成功的案例，在2010年开始相关研发，制造了相关网络设备，而当时市面上并没有支持OpenFlow的设备。Google通过10G网络链接分布于全球的12个数据中心，部署了周密的流量工程和优先级调度，将链路使用率从平均的30%-40%，提升至接近100%。SDN的定义、架构和特征多数欧美运营商也认为SDN有助于提高现网性能，但还处于技术研究阶段。日本运营商NTT行动较早，自主研发了Virtual Network Controller Ver2.0，
7、用于多个数据中心的统一服务和按需配置，已在其欧洲、美国和日本的数据中心进行了虚拟化部署。还有一些讨论组。ONF已发布多个版本的OpenFlow主体规范（OF），最新发布的是1.3版本，2012年还发布了OpenFlow管理和配置协议的两个版本（OF-CONFIG 1.0 & 1.1）。IETF早期有两个与SDN相关的研究项目/工作组，分别是ForCES和ALTO。其中，ForCES（Forwarding and Control Element Separation）发布了9个RFC，主要涉及需求、框架、协议、转发单元模型、MIB等；ALTO（Application-Layer Traffic
8、Optimization）通过为应用层提供更多网络信息，来完成应用层的流量优化。这种开放部分网络信息以优化应用的做法，也可以说是SDN的一种实现类型。此外，IETF也成立了I2RS工作组，提出了路由系统开放的问题描述、需求、应用场景和架构模型草案。ITU-T分别在SG13、SG11和SG15组，开展了SDN的标准研究工作。SG13负责电信网络中SDN的体系架构研究，并在2013年2月的ITU会议上明确了未来网络中、NGN演进网络（NGN-e）中应用SDN的需求。同时，SG11也启动了SDN的协议框架和接口研究，SG15负责光传送网SDN相关标准的研究。中国的通信标准化协会CCSA也与时俱进，各
9、技术工作委员会分别开展SDN的标准研究。其中，TC1涉及应用场景/需求、问题分析及协议，TC3开展软件定义智能管道的研究，TC6开展光传送网SDN的研究。设备厂商营.赢/ 2013.0419软件定义网络是一种新型网络架构，实现网络控制与转发能力分离，使得转发能力可以直接编程控制。这种原来与网络设备紧密耦合的控制能力，通过编程的方式调用底层设施能力，将网络能力看成逻辑分离或者虚拟化的子网，支持多种用户或应用的不同需求。按照ONF定义的SDN，其架构包括应用层、控制层和基础设施层等三个层面。应用层包括各种不同的业务和应用，可以管理和控制网络对应用的转发/处理策略，也支持对网络属性的配置，实现提升网
10、络利用率、保障特定应用的安全和服务质量。控制层也称为网络操作系统NOS（Network Operation System），主要负责处理数据转发面资源的抽象信息，可支持网络拓扑、状态信息的汇总和维护，并基于应用的控制来调用不同的转发面资源。基础设施层也即数据转发层，负责基于业务的流表的数据处理、转发和状态收集，原有网络中转发面功能是在分离的网络设备中实现，而支持SDN的网络中，这些功能可以在同一网络设备中融合实现，由控制层的可编程接口进行调用。可以说，SDN本质上具有“控制和转发分离”、“设备资源虚拟化”和“通用硬件及软件可编程”三大特性，由此使得SDN架构具有以下特征。首先是设备硬件归一化，
11、即硬件只关注转发和存储能力，与业务特性解耦，因此可以采用相对廉价的商用硬件架构来实现；其次是网络智能全部由软件实现，网络设备的种类及功能由软件配置而定，对网络的操作控制和运行由服务器，即网络操作系统NOS完成；第三是对业务响应更快，可以定制各种网络参数，如路由、安全、策略、QoS、流量工程等，并实时配置到网络中，从而缩短具体业务的开通时间。SDN引入对通信网络的影响SDN在设计之初并不是要提升运营商通信网络的效率，而是希望通过控制与转发的分离，支持应用可编程的网络能力开放，加强应用对于网络资源使用的管控力。但是，SDN真正引入后，可能会对通信网络产生一些新的影响。例如，SDN打破了网络设备产品
12、的垂直整合，实现软硬件分离；控制面的集中化、虚拟化简化了运维，降低了运维成本，方便代维代管，也便于应用协同；控制层软件的开放/开源可以支持客户化定制软件，快速实现业务创新，缩短新业务的部署周期，提升市场竞争力；从产业链角度来看，网络开放可以吸引更多开发团体参与，降低总体设备成本和网络建设成本。另一方面，SDN的应用使运营商被管道化的趋势更为明显。Google等应用提供商部署SDN用于数据中心互联的案例，本质上是对OTT流量的承载，证明了SDN可以方便上层应用提供商进行网络组织和调度，降低其对运营商网络的依赖度。同时，SDN使控制层面更加重要，网络操作SDN在设计之初是希望通过控制与转发的分离，
13、支持应用可编程的网络能力开放，加强应用对于网络资源使用的管控力。但是，SDN真正引入后，可能会对通信网络产生一些新的影响。营.赢/ 2013.0420系统NOS将会成为网络链条中的核心，集中式的控制核心对于运营商网络的安全可靠性要求更高，且NOS厂商的控制能力会更强。这促使NOS厂商和运营商对控制层面的争夺更为激烈，需要运营商在智能管道的实施中，增加SDN的功能。SDN与智能管道相结合未来网络（SDN）的总体架构和相关技术的发展，整体上还处于研究的起步阶段，有待相关技术标准的成熟。各大运营商积极推动的智能型通信网络（也叫智能管道），正是未来网络的一种典型形态，其“广泛高速覆盖”、“资源快捷指配
14、的机制”、“接入灵活协同的能力”和“质量按需保障的服务”等主要内涵，是未来网络所要实现的重要指标。因此，在智能型通信网络的基础上，积极研究SDN架构及关键技术具有重要的意义。中国标准组织CCSA TC3成立了专门的工作组，开展基于SDN的智能型通信网络相关需求、框架和关键技术的研究，相关标准研究工作得到了中国各大运营商和主流厂商的大力支持。同时，在中国电信等合作单位的推动下，ITU-T也启动了在智能管道中应用SDN的标准研究Y.S-NICE，其工作内容包括基于SDN的总体智能型通信网络，如感知分析、流量调度、策略控制；网络虚拟化需求、框架和关键技术，如总体网络虚拟化、网络功能的虚拟化、网络服务
15、的虚拟化等。引入SDN组建云数据中心SDN最早提出的应用场景是数据中心组网，包括数据中心间的组网，以及数据中心内部支持虚拟机迁移的策略调度。在数据中心之间的互联网络上引入SDN，可以实现同一个物理网络基础上，不同的数据中心业务流量的虚拟化承载。通过不同的数据中心资源的虚拟化，单个数据中心的网络能力可以合并为统一的网络能力池，在数据中心出口部署支持SDN技术的路由器设备，实时监控链路的带宽利用率和应用的流量，再由数据中心控制器集中控制各个数据中心出口的SDN设备，统一调配虚拟链路和业务流向。这样不仅能提升链路带宽资源的利用率，也能解决大规模云数据中心在承载多租户的业务时，面临的扩展性、灵活性问题，实现数据中心间的智能化组网。这种方案即前文所述的Google应用案例。数据中心内部组网需要解决虚拟机跨物理设备迁移时，相应的网络策略同步迁移的问题。通过引入SDN技术，不同厂家的数据中心交换机可以与数据中心管理平台间提供标准接口。当虚拟机迁移时，管理平台可感知到虚拟机迁移前后的源、目的位置，由管理平台读取源交换机上的策略，下发到目的交换机，从而实现网络策略的同步迁移，以保证虚拟机在迁移后能够得到相同的业务保障。责任编辑：薛桦
