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1、SDN的特征、发展现状及趋势近年来，SDN （software defined networking,软件定义网络）的热度持续升温。2012年，国际研究机构Gartne：将其列为未来5年内IT领域十大关键技术之一。同年，谷歌宣布已在其内部骨干网络上使用SDN技术，标志着SDN进人商用化阶段。各大厂商也随之纷纷发布SDN战略并相继推出商用化产品。由于SDN的发展势头大大超出预期，电信领域知名的市场咨询公司IDC （ International DataCorporation，国际数据公司）不得不将2016年SDN的市场预期从原来的20亿美元上调至37亿美元，增幅近90%。短短几年，SDN这个从美
2、国斯坦福大学实验室研究项目中诞生的产物，已经成为全球瞩目的网络技术热点。则SDN到底代表了什么.为什么业界将其视为具有颠覆性的网络革命技术.它是否会彻底改变电信产业目前的产业链结构.本文从SDN的起源出发，尝试通过分析SDN的特征、关键技术和产业链状况对目前SDN的发展情况做一个全面的梳理，并简要预期其未来的发展趋势。SDN是起源于美国斯坦福大学实验室的研究项目的技术，并不是在其产生时就具有该名称。26年斯坦福的学生Casado M和他的导师McKeown N教授受其研究项目Ethane启发，提出了 OpenFlow的概念。该项目试图通过一个集中式的控制器，让网络管理员可以方便地定义基于网络流
3、的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通信的安全控制。在随后的28年，McKeown N等人在ACM SIGCOMM发表了题为OpenFlow:enabling innovation in campus networks的论文。文中首次详细地介绍OpenFlow的概念，即将传统网络设备的数据平面和控制平面两个功能模块相分离，通过集中式的控制器（controller）以标准化的接对各种网络设备进行管理和配置，这种网络架构为网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性，从而更容易推动网络的革新与发展。在此基础上，基于OpenFlow为网络带来的可编程特性，McKeo
4、wn教授进一步提出了 SDN最早的概念。由此可见，SDN的产生与OpenFlow协议密切相关。现在业界普遍将基于OpenFlow协议的SDN视为狭义SDN这一概念也是业界的默认概念，本文中如果不做特殊说明，SDN也特指这一概念。随着SDN的发展，越来越多的厂商加人SDN的研究行列。由于不同行业、不同应用对SDN有着各自不同的需求，因此在谈论SDN时通常也有着不同的理解。在网络科研领域，利用SDN快速地部署和试验创新的网络架构与通信协议；大型互联网公司希望SDN提供掌握网络深层信息的可编程接，以优化和提升业务体验；云服务提供商希望SDN提供网络虚拟化和自动配置，以适应其扩展性和多租户需求；ISP
5、希望利用SDN简化网络管理以及实现快速灵活的业务提供；企业网用户希望SDN实现私有云的自动配置和降低设备采购成本。基于这些需求，在思科等厂商的推动下，IETF，IEEE等标准组织去除了 SDN与Open Flow的必然联系，保留了可编程特性，从而扩展出SDN的广义概念，即泛指基于开放接实现软件可编程的各种基础网络架构，进而将具备控制转发分离、逻辑集中控制、开放API 3个基本特征的网络纳人SDN的广义概念下，目前这一概念的发展由IETF主推。由于SDN实现了控制功能与数据平面的分离和网络可编程，进而为更集中化、精细化地控制奠定了基础，因此SDN相对于传统网络具有以下优势：(1) 将网络协议集中
6、处理，有利于提高复杂协议的运算效率和收敛速度；(2) 控制的集中化有利于从更宏观的角度调配传输带宽等网络资源，提高资源的利用效率。(3) 简化了运维管理的工作量，大幅节约运维费用。(4) 通过SDN可编程性，工程师可以在一个底层物理基础设施上加速多个虚拟网络，然后使用SDN控制器分别为每个网段实现QoS (服务质量)，从而扩大了传统差异化服务的程度和灵活性。(5) 业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。(6) 控制与转发分离，实施控制策略软件化，有利于网络的智能化、自动化和硬件的标准化。总之，SDN将网络的智能从硬件转移到软件，用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样
7、做简化和整合了控制功能，让网络硬件设备变得更可靠，还有助于降低设备购买和运营成本。控制平面和数据平面分离之后，厂商可以单独开发控制平面，并可以与ASIC、商业芯片或者服务器技术相集成。由于SDN具有上述特点，因此SDN的发展壮大可能带来网络产业格局的重大调整，传统通信设备企业将面临巨大挑战，IT和软件企业则将迎来新的市场机遇。同时，由于网络流量与具体应用衔接得更紧密，使得网络管理的主动权存在从传统运营商向互联网企业转移的可能。因此，SDN的出现可能会彻底颠覆目前的互联网产业的现状。SDN的网络架构图1是业界广泛认同的SDN模型架构。图1 SDN模型架构该模型架构分为3层，其中基础设施层主要由支
8、持OpenFlow协议的SDN交换机组成。控制层主要包含OpenFlow控制器及网络操作系统(network operationsystem，NOS)。控制器是一个平台，该平台向下可以直接与使用O penFlow协议的交换机(以下简称SDN交换机)进行会话；向上，为应用层软件提供开放接，用于应用程序检测网络状态、下发控制策略。位于顶层的应用层由众多应甩软件构成，这些软件能根据控制器提供的网络信息执行特定控制算法，并将结果通过控制器转化为流量控制命令，下发到基础设施层的实际设备中。根据上述论述，OpenFlow协议、网络虚拟化技术和网络操作系统是SDN区别于传统网络架构的关键技术。4.2 Ope
9、nFloW办议从SDN的起源可以看出，OpenFlow协议是SDN实现控制与转发分离的基础。业界为了推动SDN发展并统一 OpenFlow标准，组建了标准化组织开放网络基金会(OpenNetworking Fundation，ONF)。目前，ONF已成为SDN标准制定的重要推动力量，其愿景就是使基于OpenFlow协议的SDN成为网络新标准。自29年10月发布OpenFlow标准第一个版本以来，ONF先后发布了 1.1、1.2、1.3等版本。OpenFlow协议发表的详细情况如表1 OpenFlow协议发表情况表1所示。OpenFlow规范主要由端、流表、通信信道和数据结构4部分组成。由于篇幅
10、原因，本文不对该规范做展开论述主要介绍OpenFlow的运行原理。图2反映了 OpenFlow对数据分组的处理机制。fjpcnFlnw交惟史(柯nl蜘1 T-1 g -.t-*1罚1VLAN标园墙址MMTI的地城找隅网IP薜地址IP耳的地MTin噌岫址TCPH的地址害最打却商安送到正就炷理传15麟快域w&r s图2 OpenFlow运行原理一个OpenFlow交换机包括一个或者多个流表(flowtable)和一个组表(group table)。流表中的每个流条目包括如下3个部分。(1) 匹配(match):根据数据分组的输人端服头字段以及前一个流表传递的信息，匹配已有流条目。(2)计数(cou
11、nter)：对匹配成功的分组进行计数。操作(instruction):包括输出分组到端、封装后送往控制器、丢弃等操作。SDN交换机接收到数据分组后，首先在本地的流表上查找是否存在匹配流条目。数据分组从第一个流表开始匹配，可能会经历多个流表，这叫做流水线处理(pipelineprocessing)o流水线处理的好处是允许数据分组被发送到接下来的流表中做进一步处理或者元数据信息在表中流动。如果*个数据分组成功匹配了流表中*个流条目，则更新这个流条目的“计数”，同时执行这个流条目中的“操作”；如果没有，则将该数据流的第一条报文或报文摘要转发至控制器，由控制器决定转发端。4.3 FlowVisoFlo
12、wVisor是建立在OpenFlow之上的网络虚拟化平台引人FlowVisor后OpenFlow网络架构如图3所示。图3存在FlowVisor的OpenFlow网络架构对于控制器而言，FlowVis。：看起来就是普通的交换机；从OpenFlow交换机的角度来看,F1owVisor就是一个控制器。类比计算机的虚拟化,FlowViso:就是位于硬件结构元件和软件之间的网络虚拟层。它将物理网络分成多个逻辑网络，从而允许多个控制器同时控制一台OpenFlow交换机，但是每个控制器仅仅可以控制经过这个OpenFlow交换机的*一个虚拟网络（即slice ）。因此通过FlowVisor建立的试验平台可以在
13、不影响流的转发速度的情况下，允许多个网络试验在不同的虚拟网络上同时进行。网络切片是FlowViso:管理功能实现的要素，它是由一组文本配置文件定义的。文本配置文件包含控制各种网络活动的规则，例如允许、只读和拒绝，其范围包括流量的来源IP地址、端号或者数据分组表头信息。通过网络切片,FlowVisor为管理员提供了广泛的定义规则来管理网络。由于FlowViso:是建立在OpenFlow控制器基础上的，因此，它与一般的商用交换机是兼容的。目前FlowViso:尚处于实验阶段，主要部署在校园网（如斯坦福大学）。4.4 NOS在SDN范畴中，NOS特指运行在控制器上的网络控制平台。控制器的控制功能都是
14、通过运行NOS实现的。NOS就像OpenFlow网络的操作系统，它通过对交换机操作来管理流量，因此，交换机也需要支持相应的管理功能。图4为NOS在网络中的位置示意。图4 NOS在网络中的位置从整个网络的角度来看，网络操作系统应该是抽象网络中的各种资源，为网络管理提供易用的接。基于它，可以建立网络管理和控制的应用。因此，NOS本身并不完成对网络的管理任务，而是通过在其上运行的各种“应用”实现具体的管理任务。管理者和开发者可以专注到这些应用的开发上，而无需花费时间在对底层细节的分析上。为了实现这一目的，NOS需要提供尽可能通用的接，满足各种不同的管理需求。当流量经过交换机时，如果发现没有对应的匹配
15、表项，则转发到运行NOS的控制器并触发判定机制，判定该流量属于哪个应用。NOS 上运行的应用软件通过流量信息来建立网络视图（network view）并决策流量的行为。正是因为有了 NOS， SDN才具有了针对不同应用建立不同逻辑网络并实施不同流量管理策略的能力。目前，较为流行的NOS有NO*，Beacon，Trema，Maestro等。由于SDN的出现有可能会打破现有网络设备市场格局，为竞争者带来绝佳的机会，因而获得了大批创业者和各利益相关方的关注与积极参与。目前，SDN的产业链可暂分为六大阵营。（1）传统设备商由于SDN架构下，交换机功能简单且同质化，缺少市场价值。因此，对于以思科、华为技
16、术为代表的传统设备商而言，SDN将使它们目前的优势地位面临巨大挑战。同时，由于SDN代表了网络虚拟化这一必然趋势，传统设备商也无法拒绝或回避。因此，它们多采用“两条腿走路”的方式：一方面，通过收购SDN初创公司、对原有设备进行SDN升级等手段密切跟踪SDN的发展；另一方面，则积极推出自己的SDN战略，力图利用现有优势地位掌握SDN发展的主导权，将之融人现有网络架构之中。这也就是思科要积极推动SDN与OpenFlow解藕合的深层原因。目前，思科、华为技术、瞻博等企业都已推出自己的SDN战略（如思科的ONE、华为技术的SoftCOM），并在其部分设备上实现了对OpenFlow的支持。（2）初创公司对于以Nicira （VMware），Big Switch为首的创业公司，SDN的出现为它们创造了颠覆思科统治地位、进军网络设备产业不可多
