云計算的發(fā)展，是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的。云計算服務(wù)商以按需分配為原則，為客戶提供具有高可用性、高擴展性的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等IT資源。虛擬化技術(shù)將各種物理資源抽象為邏輯上的資源，隱藏了各種物理上的限制，為在更細(xì)粒度上對其進(jìn)行管理和應(yīng)用提供了可能性。

近些年，計算的虛擬化技術(shù)(主要指x86平臺的虛擬化)取得了長足的發(fā)展;相比較而言，盡管存儲和網(wǎng)絡(luò)的虛擬化也得到了諸多發(fā)展，但是還有很多問題亟需解決，在云計算環(huán)境中尤其如此。

OpenFlow和SDN盡管不是專門為網(wǎng)絡(luò)虛擬化而生，但是它們帶來的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性卻給網(wǎng)絡(luò)虛擬化的發(fā)展帶來無限可能。本文來自公眾賬號“點融黑幫”，作者萬林濤，希望通過本文對OpenFlow/SDN做一個初步介紹，以期幫助大家能夠進(jìn)一步深入了解和學(xué)習(xí)OpenFlow/SDN，歡迎批評和指正。

起源與發(fā)展

OpenFlow起源于斯坦福大學(xué)的Clean Slate項目組 。CleanSlate項目的最終目的是要重新發(fā)明英特網(wǎng)，旨在改變設(shè)計已略顯不合時宜，且難以進(jìn)化發(fā)展的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。在2006年，斯坦福的學(xué)生Martin Casado領(lǐng)導(dǎo)了一個關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全與管理的項目Ethane，該項目試圖通過一個集中式的控制器，讓網(wǎng)絡(luò)管理員可以方便地定義基于網(wǎng)絡(luò)流的安全控制策略，并將這些安全策略應(yīng)用到各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)通訊的安全控制。

受此項目(及Ethane的前續(xù)項目Sane)啟發(fā)，Martin和他的導(dǎo)師Nick McKeown教授(時任Clean Slate項目的Faculty Director)發(fā)現(xiàn)，如果將Ethane的設(shè)計更一般化，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(data plane)和路由控制(control plane)兩個功能模塊相分離，通過集中式的控制器(Controller)以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理和配置，那么這將為網(wǎng)絡(luò)資源的設(shè)計、管理和使用提供更多的可能性，從而更容易推動網(wǎng)絡(luò)的革新與發(fā)展。

于是，他們便提出了OpenFlow的概念，并且Nick McKeown等人于2008年在ACM SIGCOMM發(fā)表了題為OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks的論文，首次詳細(xì)地介紹了OpenFlow的概念。該篇論文除了闡述OpenFlow的工作原理外，還列舉了OpenFlow幾大應(yīng)用場景，包括：

1)校園網(wǎng)絡(luò)中對實驗性通訊協(xié)議的支持(如其標(biāo)題所示);

2) 網(wǎng)絡(luò)管理和訪問控制;

3)網(wǎng)絡(luò)隔離和VLAN;

4)基于WiFi的移動網(wǎng)絡(luò);

5)非IP網(wǎng)絡(luò);

6)基于網(wǎng)絡(luò)包的處理。當(dāng)然，目前關(guān)于OpenFlow的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些領(lǐng)域。

基于OpenFlow為網(wǎng)絡(luò)帶來的可編程的特性，Nick和他的團(tuán)隊(包括加州大學(xué)伯克利分校的Scott Shenker教授)進(jìn)一步提出了SDN(Software Defined Network, 目前國內(nèi)多直譯為“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”)的概念--其實，SDN的概念據(jù)說最早是由KateGreene于2009年在TechnologyReview網(wǎng)站上評選年度十大前沿技術(shù)時提出。

如果將網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備視為被管理的資源，那么參考操作系統(tǒng)的原理，可以抽象出一個網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Network OS)的概念—這個網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一方面抽象了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，同時還為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一的管理視圖和編程接口。這樣，基于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)這個平臺，用戶可以開發(fā)各種應(yīng)用程序，通過軟件來定義邏輯上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詽M足對網(wǎng)絡(luò)資源的不同需求，而無需關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。關(guān)于SDN的概念和原理，可以參考開放網(wǎng)絡(luò)基金會(Open NetworkingFoundation)于今年4月份發(fā)表的SDN白皮書Software Defined Networking：The New Norm forNetworks 。

從上面的描述中，可以看出OpenFlow/SDN的原理其實并不復(fù)雜，從嚴(yán)格意義上講也很難算是具有革命性的創(chuàng)新。然而OpenFlow/SDN卻引來了業(yè)界越來越多的關(guān)注，成為近年來名副其實的熱門技術(shù)。目前，包括HP、IBM、Cisco、NEC以及國內(nèi)的華為和中興等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商都已紛紛加入到OpenFlow的陣營，同時有一些支持OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備已經(jīng)面世。

2011年，開放網(wǎng)絡(luò)基金會(Open Networking Foundation)在Nick等人的推動下成立，專門負(fù)責(zé)OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的維護(hù)和發(fā)展;同年，第一屆開放網(wǎng)絡(luò)峰會(OpenNetworking Summit)召開，為OpenFlow和SDN在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都做了很好的介紹和推廣。

第二屆峰會上，來自Google的Urs H lzle在以O(shè)penFlow@Google為題的Keynote演講中宣布Google已經(jīng)在其全球各地的數(shù)據(jù)中心骨干網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模地使用OpenFlow/SDN，從而證明了OpenFlow不再僅僅是停留在學(xué)術(shù)界的一個研究模型，而是已經(jīng)完全具備了可以在產(chǎn)品環(huán)境中應(yīng)用的技術(shù)成熟度。最近，F(xiàn)acebook也宣布其數(shù)據(jù)中心中使用了OpenFlow/SDN的技術(shù)。

OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

自2010年初發(fā)布第一個版本(v1.0)以來，OpenFlow規(guī)范已經(jīng)經(jīng)歷了1.1、1.2以及最近剛發(fā)布的1.3等版本。同時，今年年初OpenFlow管理和配置協(xié)議也發(fā)布了第一個版本(OF-CONFIG 1.0 & 1.1)。下圖列出了OF和OF-CONFIG規(guī)范各個版本的發(fā)展歷程及變化，從圖中可以看到目前使用和支持最多的仍然是1.0和1.1版本。

在這里，我們將詳細(xì)介紹一下OpenFlow Switch的最新規(guī)范(即OF-1.3)。下圖選自Nick等人的論文OpenFlow：EnablingInnovation in Campus Networks 。這張圖常被用來說明OpenFlow的原理和基本架構(gòu)。其實，這張圖還很好地表明了OpenFlow Switch規(guī)范所定義的范圍—從圖上可以看出，OpenFlow Switch規(guī)范主要定義了Switch的功能模塊以及其與Controller之間的通信信道等方面。

OF規(guī)范主要分為如下四大部分，

1. OpenFlow的端口(Port)

OpenFlow規(guī)范將Switch上的端口分為3種類別：

a) 物理端口，即設(shè)備上物理可見的端口;

b) 邏輯端口，在物理端口基礎(chǔ)上由Switch設(shè)備抽象出來的邏輯端口，如為tunnel或者聚合等功能而實現(xiàn)的邏輯端口;

c) OpenFlow定義的端口。OpenFlow目前總共定義了ALL、CONTROLLER、TABLE、IN_PORT、ANY、LOCAL、NORMAL和FLOOD等8種端口，其中后3種為非必需的端口，只在混合型的OpenFlow Switch(OpenFlow-hybrid Switch，即同時支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和OpenFlow協(xié)議的Switch設(shè)備，相對于OpenFlow-only Switch而言)中存在。

2. OpenFlow的FlowTable(國內(nèi)有直譯為“流表”的)

OpenFlow通過用戶定義的或者預(yù)設(shè)的規(guī)則來匹配和處理網(wǎng)絡(luò)包。一條OpenFlow的規(guī)則由匹配域(Match Fields)、優(yōu)先級(Priority)、處理指令(Instructions)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如Counters)等字段組成，如下圖所示。

在一條規(guī)則中，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)包在L2、L3或者L4等網(wǎng)絡(luò)報文頭的任意字段進(jìn)行匹配，比如以太網(wǎng)幀的源MAC地址，IP包的協(xié)議類型和IP地址，或者TCP/UDP的端口號等。目前OpenFlow的規(guī)范中還規(guī)定了Switch設(shè)備廠商可以選擇性地支持通配符進(jìn)行匹配。據(jù)說，OpenFlow在未來還計劃支持對整個數(shù)據(jù)包的任意字段進(jìn)行匹配。

所有OpenFlow的規(guī)則都被組織在不同的FlowTable中，在同一個FlowTable中按規(guī)則的優(yōu)先級進(jìn)行先后匹配。一個OpenFlow的Switch可以包含一個或者多個FlowTable，從0依次編號排列。OpenFlow規(guī)范中定義了流水線式的處理流程，如下圖所示。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入Switch后，必須從FlowTable 0開始依次匹配;

FlowTable可以按次序從小到大越級跳轉(zhuǎn)，但不能從某一FlowTable向前跳轉(zhuǎn)至編號更小的FlowTable。當(dāng)數(shù)據(jù)包成功匹配一條規(guī)則后，將首先更新該規(guī)則對應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如成功匹配數(shù)據(jù)包總數(shù)目和總字節(jié)數(shù)等)，然后根據(jù)規(guī)則中的指令進(jìn)行相應(yīng)操作--比如跳轉(zhuǎn)至后續(xù)某一FlowTable繼續(xù)處理，修改或者立即執(zhí)行該數(shù)據(jù)包對應(yīng)的Action Set等。

當(dāng)數(shù)據(jù)包已經(jīng)處于最后一個FlowTable時，其對應(yīng)的Action Set中的所有Action將被執(zhí)行，包括轉(zhuǎn)發(fā)至某一端口，修改數(shù)據(jù)包某一字段，丟棄數(shù)據(jù)包等。OpenFlow規(guī)范中對目前所支持的Instructions和Actions進(jìn)行了完整詳細(xì)的說明和定義。

另外，OpenFlow規(guī)范中還定義了很多其他功能和行為，比如OpenFlow對于QoS的支持(即MeterTable和Meter Bands的定義等)，對于GroupTable的定義，以及規(guī)則的超時處理等。

OpenFlow的通信通道

這一節(jié)中，OpenFlow規(guī)范定義了一個OpenFlow Switch如何與Controller建立連接、通訊以及相關(guān)消息類型等。

OpenFlow規(guī)范中定義了三種消息類型：

a) Controller/Switch消息，是指由Controller發(fā)起、Switch接收并處理的消息，主要包括Features、Configuration、Modify-State、Read-State、Packet-out、Barrier和Role-Request等消息。這些消息主要由Controller用來對Switch進(jìn)行狀態(tài)查詢和修改配置等操作。

b) 異步(Asynchronous)消息，是由Switch發(fā)送給Controller、用來通知Switch上發(fā)生的某些異步事件的消息，主要包括Packet-in、Flow-Removed、Port-status和Error等。例如，當(dāng)某一條規(guī)則因為超時而被刪除時，Switch將自動發(fā)送一條Flow-Removed消息通知Controller，以方便Controller作出相應(yīng)的操作，如重新設(shè)置相關(guān)規(guī)則等。

c) 對稱(Symmetric)消息，顧名思義，這些都是雙向?qū)ΨQ的消息，主要用來建立連接、檢測對方是否在線等，包括Hello、Echo和Experimenter三種消息。

下圖展示了OpenFlow和Switch之間一次典型的消息交換過程，出于安全和高可用性等方面的考慮，OpenFlow的規(guī)范還規(guī)定了如何為Controller和Switch之間的信道加密、如何建立多連接等(主連接和輔助連接)。

OpenFlow協(xié)議及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在OpenFlow規(guī)范的最后一部分，主要詳細(xì)定義了各種OpenFlow消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括OpenFlow消息的消息頭等。這里就不一一贅述，如需了解可以參考OpenFlow源代碼中openflow.h頭文件中關(guān)于各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。

OpenFlow的應(yīng)用

隨著OpenFlow/SDN概念的發(fā)展和推廣，其研究和應(yīng)用領(lǐng)域也得到了不斷拓展。目前，關(guān)于OpenFlow/SDN的研究領(lǐng)域主要包括網(wǎng)絡(luò)虛擬化、安全和訪問控制、負(fù)載均衡、聚合網(wǎng)絡(luò)和綠色節(jié)能等方面。另外，還有關(guān)于OpenFlow和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互和整合等方面的研究。

下面將舉幾個典型的研究案例來展示OpenFlow的應(yīng)用。

1. 網(wǎng)絡(luò)虛擬化 – FlowVisor

網(wǎng)絡(luò)虛擬化的本質(zhì)是要能夠抽象底層網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)洌軌蛟谶壿嬌蠈W(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分片或者整合，從而滿足各種應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)的不同需求。為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)分片的目的，F(xiàn)lowVisor實現(xiàn)了一種特殊的OpenFlow Controller，可以看作其他不同用戶或應(yīng)用的Controllers與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的一層代理。

因此，不同用戶或應(yīng)用可以使用自己的Controllers來定義不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑫rFlowVisor又可以保證這些Controllers之間能夠互相隔離而互不影響。

下圖展示了使用FlowVisor可以在同一個物理網(wǎng)絡(luò)上定義出不同的邏輯拓?fù)洹lowVisor不僅是一個典型的OpenFlow應(yīng)用案例，同時還是一個很好的研究平臺，目前已經(jīng)有很多研究和應(yīng)用都是基于FlowVisor做的。

2. 負(fù)載均衡 – Aster*x

傳統(tǒng)的負(fù)載均衡方案一般需要在服務(wù)器集群的入口處，通過一個gateway或者router來監(jiān)測、統(tǒng)計服務(wù)器工作負(fù)載，并據(jù)此動態(tài)分配用戶請求到負(fù)載相對較輕的服務(wù)器上。既然網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以通過OpenFlow進(jìn)行集中式的控制和管理，同時應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載可以及時地反饋到OpenFlowController那里，那么OpenFlow就非常適合做負(fù)載均衡的工作。

Aster*x通過Host Manager和Net Manager來分別監(jiān)測服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的工作負(fù)載，然后將這些信息反饋給FlowManager，這樣Flow Manager就可以根據(jù)這些實時的負(fù)載信息，重新定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的OpenFlow規(guī)則，從而將用戶請求(即網(wǎng)絡(luò)包)按照服務(wù)器的能力進(jìn)行調(diào)整和分發(fā)。

3. 綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù) – ElasticTree

在數(shù)據(jù)中心和云計算環(huán)境中，如何降低運營成本是一個重要的研究課題。能夠根據(jù)工作負(fù)荷按需分配、動態(tài)規(guī)劃資源，不僅可以提高資源的利用率，還可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

ElasticTree創(chuàng)新性地使用OpenFlow，在不影響性能的前提下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)規(guī)劃路由，從而可以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不高的情況下選擇性地關(guān)閉或者掛起部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其進(jìn)入節(jié)電模式達(dá)到節(jié)能環(huán)保、降低運營成本的目的。

結(jié)語

沒有任何一項技術(shù)可以解決所有問題，我們相信OpenFlow/SDN也不會是解決現(xiàn)有所有網(wǎng)絡(luò)問題的“萬金油”。但是，我們相信OpenFlow/SDN的確給網(wǎng)絡(luò)變革和創(chuàng)新帶了許多機遇—既然網(wǎng)絡(luò)問題已經(jīng)變得可以通過編程來解決的時候，技術(shù)宅們該出手了，拯救網(wǎng)絡(luò)世界的時候到了!