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1、软件定义网络(SDN)是一种革新的网络体系架构设计技术。由于其支持控制与转发分离、 开放的编程接口，以及软件可定义的转发控制，SDN极大地提高了实现网络与业务的管理控 制的灵活性。当前，SDN已在诸多领域成功应用，但SDN在核心网络架构设计中的应用仍存 在大量问题，包括SDN对网络/业务异构性支持、在大规模网络中控制平面的可扩展性与安 全性等。网络与业务融合是未来网络发展的重要趋势,网络基础设施应能支持不同业务融合高效 地转发SDN技术为实现这一目标提供了一条崭新途径。利用SDN的可编程性，设计者能够有 效解决网络架构设计中复杂的网络管理与控制问题。为使SDN网络支持业务融合与服务异质化的网络
2、环境,一首先需要在SDN转发平面上提 供高灵活度的软件可编程性，以支持多样化的用户需求、设备、通信协议及数据处理方式; 其次，需要在控制平面上对不同业务网络进行区分和隔离。将SDN网络资源映射到不同虚拟 网络，实现网络虚拟化是一种可行的隔离方案。1.SDN相关工作为使SDN网络支持业务融合，文献提出了一种基于OpenFlow的自治SDN框架模型，支 持多种业务部署在统一的物理网络上，并在控制平面中利用自治网络技术提高网络和业务的 自管理能力。OpenFlow 1.3协议在转发平面中引人了多级流表构成流水线，流表项的匹配 采用类型/长度/值(TLV)格式。TLV格式易于扩展，适于支持多种不同的业
3、务和网络协议。 欧盟FP7的SPARC多个研究项目探索了如何扩展OpenFlow以满足电信级网络的需求，如支 持标签交换和多业务融合。SDN网络的虚拟化是多业务SDN网络体系结构研究中的另一关键技术。虚拟化需要通过 抽象、分配、隔离等机制将SDN物理网络映射为多个虚拟SDN网络，且能够在各虚拟SDN 网络上互不影响地部署不同的网络架构和协议体系，支持不同的网络业务，并可按需对虚拟 网络进行动态的资源配置。现有的SDN网络虚拟化方案可分为3类。一是基于交换机的虚拟化，此类方案提供良好 的隔离性，但不适于动态的扩展和调整。第二类包括ADVisor、FlowVisor等方案，在交换 机与控制器间加人
4、一个虚拟化层。此方案简单易部署，但其虚拟化层对用户透明，用户无法 通过软件编程方式来动态调整其资源配置。第三类方案在控制器上实现虚拟化，如SPARC Flow等，将虚拟化管理作为网络操作系统(NOS )的一项基础服务，支持虚拟化配置的动态调 整。文献探索了在OpenFlow网络中部署内容中心网络(ICN)的方法。研究表明，基于SDN 进行创新网络研究通常需扩展SDN功能。然而扩展现有SDN的架构和功能，往往需要代码重 写和升级，缺乏灵活性。理想方式是支持用户直接对设备编程，定义新属性和功能。2.面向多业务融合的SDN基础架构2.1目标与需求业务融合要求在统一的SDN基础设施上支持多样化的业务和
5、应用。不同种类的业务通常 需要不同的传输模式、协议和网络管理和控制方式。SDN控制与转发分离的设计思想以及开 放、灵活、可编程的特征，为实现多业务融合提供了一条新途径。本文的目标是对SDN网络 架构进行扩展，提出一种面向多业务类型、具有高灵活性和可编程性的SDN网络基础架构一 SDNIMS。在该架构设计中需解决以下问题：（1）支持多样化网络业务的融合SDNIMS架构支持业务运营者以软件定义方式部署多种类型网络业务。该架构应满足不 同特性业务的需求，包括实时话音、图像和广播电视业务，传统互联网等，并支持创新网络 技术的研究；也可支持不同数据传递模式，在物理接口支持的情况下，实现基于电路交换、 标
6、签交换或光交换的SDN。业务开发者能根据业务特性独立地选择不同的数据传输模式、通 信协议以及数据处理方式，并在该架构中部署网络业务或进行创新性研究。（2）网络的虚拟化与隔离SNDIMS在转发平面上支持多业务的融合；同时也支持不同业务具有各自独立的控制逻 辑。SDNIMS将物理网络资源映射到不同虚拟SDN网中；同时，保证虚拟网之间相互隔离， 包括网络拓扑/资源的隔离、数据流隔离以及控制流的隔离。网络虚拟化对于上层用户透明， 不同的业务提供者可在虚拟网中部署完全异质化的网络架构（寻址/路由和网络协议）、业务 以及控制管理逻辑。（3）物理网络的高灵活可编程性OpenFlow利用软件定义的流表实现对转
7、发行为的可编程。SDNIMS进一步扩展了用户对 物理设备的可编程能力除流表外，SDN交换机还具有多方面可编程性，用户可对交换结点的 多种行为进行细粒度编程，满足业务多样化以及日趋复杂的网络管理控制的需求。交换结点 的可编程性包括:可编程的传输转发/交换方式（如分组转发、虚电路交换、标签交换等）、可 编程的网络协议、可编程的数据流处理（转发、过滤、QoS控制等）以及可编程的网络管理控 制（性能监测、资源管理等）。2.2 SDNIMS体系架构SDNIMS的体系结构模型如图1所示。图1整体上分为3个层次：物理网络层、SDN控制 器层、业务管理与控制层。拍N玄号一芬&e-iBp?*iFiow Z h
8、j *AP：按入齟PG讥：*坦救悒國厨关 茜创#S載瞬币广K輻API：应用骗稈標口 5DM；敕件定宾朋増mUR赈謹覧婷图1 SDNIMS的体系结构物理网络层（即数据转发层）完成数据传输与转发功能，是整个架构的底层基础设施。物 理网络由一系列支持SDN的交换结点依据运营商规划的拓扑互联而成。SDN结点在上层控制 器的控制下进行数据流处理（利用扩展的OpenFlow协议）。SDNIMS架构中的交换结点（及物 理网络）均支持多样化、高灵活的可编程。在SDN控制器层的统一策略和编程控制下，物理 网络构成统一融合的多业务数据传输平面，支持多种业务以不同接入方式、传输/交换模式 和网络协议进行传输。SDN
9、控制器层在架构中承担SDN控制器的角色，在逻辑上可看作是一个集中式控制器， 对数据转发层的行为进行统一控制和管理。在物理上，、控制器层可由若干相互协作的控制 器构成，或采用云计算平台实现，以提高可靠性和可扩展性。对外，整个SDN控制器层表现 为一个集中式的逻辑控制器实体。在功能结构上，控制器层由网络操作系统（NOS）及若干基本功能组件（拓扑、资源管理等） 构成。其南向接口采用扩展的OpenFlow协议，实现对物理设备的编程和控制；其北向提供 SDN应用编程接口 （API），使高层软件能对物理网络中的数据传输进行编程和控制。SDN网络 的虚拟化是SDNIMS控制器层的重要功能，实现底层物理网络与
10、虚拟SDN网络之间的映射， 并保证虚拟网络之间相互隔离。业务管理/控制层，实现各种业务网络的控制和管理功能。SDNIMS支持基于虚拟网络构 建业务网络，不同虚拟网分配给不同的业务提供者，独立部署其业务及其管控逻辑。在用户 视角上虚拟SDN网络与实际SDN网络并无差异，均向用户提供NOS、基本的SDN功能及开放 的SDNAPI。业务提供者可在业务控制器上利用SDN的方法，在虚拟SDN网中部署其网络业 务和应用。总体来看，SDNIMS允许不同业务网络的数据流共享统一融合的数据转发平面；同时通 过网络虚拟化，将不同业务网络的控制平面的功能相互隔离，分别独立由其各自业务提供者 来进行控制和管理。2.3
11、 SDNIMS功能模型与组件SDNIMS架构的功能模型及其主要功能组件如图2所示。架构的底层由高可编程的SDN 交换机构成。通过扩展的OpenFlow协议，上层软件可对交换机进行多种功能的软件定义， 以支持网络虚拟化与多业务融合。SDNIMS的控制部分包括两个层次：SDN控制器层负责全局 SDN网络的管理控制，业务管理控制层负责业务网络(虚拟SDN网络)的管理控制。图2 SDNIMS的功能结构2.3.1高灵活可编程SDN交换机OpenFlow交换机仅支持通过流表实现数据流处理的可编程。该方式适合于互联网的分 组转发，但难以满足异构网络协议和多业务融合的需求。新型SDN交换机需提供更多的可编 程
12、性，包括：(1) 流表匹配项的可编程OpenFlow的流表使用分组中一组固定字段作为数据流的匹配项。这实际上是对IP协议 进行了预先优化，但无法灵活支持其他协议类型，包括用户定义的新型协议。新型交换机将 允许用户灵活定义流表匹配项的格式、位置和类型等属性，实现对异构协议的支持。(2) 数据流操作与处理的可编程现有OpenFlow流表无法支持诸如隧道封装、标签交换、服务质量(QoS)控制等复杂的数 据流处理能力，而这些能力往往是实现网络业务管理控制必需的。解决这一问题的方法是提 供一种软件定义的方式，使业务开发者能够按需扩展数据流的处理能力。(3) 网络维护/管理处理与操作的可编程交换机设计将性
13、能监测、资源/队列管理等维护管理的底层操作行为标准化，并开放其 编程接口。上层软件能够编程和配置这些底层操作，设计基于软件定义的网络的维护管理功SDN交换机设计结构分为控制通道与数据通道两部分，如图3所示。为支持异构网络协 议，数据通道中引人了可编程的协议解析组件，可根据协议描述模版，解析到达分组的协议 格式，并提取指定字段作为流表匹配项。协议描述模版由上层控制器配置，使解析组件能识 别任意协议格式。输出的流表匹配项以TLV格式表示，在后续的数据流水线(Pipeline)中 用于进行流表匹配。图3高灵活可编程的SDN交换机数据流水线中使用并行化的多级流表。通过编程,可将不同业务/协议的流表相互
14、独立， 配置成不同的流水线，进行并行处理。流表的操作集合是可扩展的，上层软件可按需定义和 添加新的操作方法，以支持复杂的数据流处理，如标签交换、QoS操作、隧道封装、安全性 等。系统支持以软件定义的方式实现网络管理/维护功能。交换机还增加了与网络管理相关 的操作和处理功能。通过对一些特殊流表的配置，上层软件可利用这些操作协同完成网络维 护/管理功能。同样，上层软件可定义交换机上各队列的属性、调度策略、带宽和优先级， 实现网络资源的精细化管控。交换机的控制通道负责与上层控制器的交互，其协议采用扩展的OpenFlow。协议扩展 用于支持交换机上新增的可编程属性，包括可编程的协议解析和数据流操作，以
15、及性能测量 与队列管理等。2.3.2 SDN控制器层SDN控制器层对整个物理网络实现管理和控制，同时向上层提供编程接口。在逻辑上， 控制器层是一个集中式实体，包括两部分:网络操作系统(NOS)以及一组SDN基础功能组件。 NOS及功能组件主要提供了数据流编程与控制、网络管理、网络虚拟化等3类功能。数据流编程/控制功能用于定义交换机上与数据流处理相关的行为和配置,如接口配置、 协议描述模板、流表及流表的操作等。网络管理组件提供网络维护管理相关的功能，如拓扑 发现和管理、路由，以及网络资源管理和性能监测等。为支持多业务融合，控制器层实现了 SDN网络的虚拟化。不同网络业务分别在隔离的虚 拟网中开发
16、和部署。虚拟网管理组件的结构如图4所示。图4实现物理网络与虚拟网之间的 拓扑与资源的映射、网络事件的映射与分发以及资源分配与隔离等功能。虚拟网向上层软件 提供一个虚拟的NOS以及一组SDN服务组件及其API接口。系统从两个方面实现虚拟网络之 间的隔离。一方面通过统一控制的资源及网络事件映射，将不同虚拟网的管理控制平面相互 隔离；另一方面，通过对底层交换机的编程(包括对流表、队列的配置)，使不同虚拟网络的 数据平面也实现了相互隔离。图4网络虚拟化功能模型转发平面为支持多业务虚拟网，交换机中的多级流表和队列将被编程配置成图5所示的 形式。利用多级流表的特性，交换机对不同虚拟网络使用的流表进行了隔离。流表被进行逻 辑划分，分别为每个虚拟网形成一条独立流表流水线，并为每条数据流水线配置独立的数据 转发队列。为区分不同虚拟网的数据流，利用交换机对网络协议和操
