軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network, SDN)在InfoWorld于2011年11月公布的將影響未來10年的十項新技術中排名第二。2012年7月，SDN代表廠商Nicira被VMware以12.6億美元收購，隨后Google宣布成功在其全球10個IDC網(wǎng)絡中部署SDN，這促使SDN引起業(yè)界的強烈關注。到底SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構有何區(qū)別?其帶來哪些顛覆性創(chuàng)新?

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現(xiàn)有網(wǎng)絡中，對流量的控制和轉發(fā)都依賴于網(wǎng)絡設備實現(xiàn)，且設備中集成了與業(yè)務特性緊耦合的操作系統(tǒng)和專用硬件，這些操作系統(tǒng)和專用硬件都是各個廠家自己開發(fā)和設計的。

SDN是一種新型的網(wǎng)絡架構，它的設計理念是將網(wǎng)絡的控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面進行分離，從而通過集中的控制器中的軟件平臺去實現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源靈活的按需調(diào)配。在SDN網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡設備只負責單純的數(shù)據(jù)轉發(fā)，可以采用通用的硬件;而原來負責控制的操作系統(tǒng)將提煉為獨立的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，負責對不同業(yè)務特性進行適配，而且網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和業(yè)務特性以及硬件設備之間的通信都可以通過編程實現(xiàn)。

 

 

圖1 對比

如下圖所示，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，SDN的基本特征有3點：

控制與轉發(fā)分離。轉發(fā)平面由受控轉發(fā)的設備組成，轉發(fā)方式以及業(yè)務邏輯由運行在分離出去的控制面上的控制應用所控制。

控制平面與轉發(fā)平面之間的開放接口。SDN 為控制平面提供開放可編程接口。通過這種方式，控制應用只需要關注自身邏輯，而不需要關注底層更多的實現(xiàn)細節(jié)。

邏輯上的集中控制。邏輯上集中的控制平面可以控制多個轉發(fā)面設備，也就是控制整個物理網(wǎng)絡，因而可以獲得全局的網(wǎng)絡狀態(tài)視圖，并根據(jù)該全局網(wǎng)絡狀態(tài)視圖實現(xiàn)對網(wǎng)絡的優(yōu)化控制。

 

 

圖2 對比

SDN的典型架構共分三層，最上層為應用層，包括各種不同的業(yè)務和應用;中間的控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息等;底層的基礎設施層負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉發(fā)和狀態(tài)收集。SDN本質(zhì)上具有“控制和轉發(fā)分離”、“設備資源虛擬化”和“通用硬件及軟件可編程”三大特性，這至少帶來了以下好處。

 

 

圖3 架構

第一，設備硬件歸一化,硬件只關注轉發(fā)和存儲能力，與業(yè)務特性解耦，可以采用相對廉價的商用的架構來實現(xiàn)。

第二， 網(wǎng)絡的智能性全部由軟件實現(xiàn),網(wǎng)絡設備的種類及功能由軟件配置而定,對網(wǎng)絡的操作控制和運行由服務器作為網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NOS)來完成。

第三， 對業(yè)務響應相對更快,可以定制各種網(wǎng)絡參數(shù)，如路由、安全、策略、QoS、流量工程等，并實時配置到網(wǎng)絡中，開通具體業(yè)務的時間將縮短。

細數(shù)SDN的五大價值

在SDN已經(jīng)成為網(wǎng)絡新時代的前沿技術和新興產(chǎn)業(yè)的當下，SDN將給傳統(tǒng)網(wǎng)絡帶來怎樣的沖擊和價值?“SDN帶來快捷的服務配置，組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢。”這可能是很多軟件定義網(wǎng)絡(SDN)提供商的炒作。到目前為止，已經(jīng)有太多的SDN言論，但有真正的實踐還很少,這項新興技術能否給企業(yè)帶來效益?

如圖所示，SDN將控制平面從網(wǎng)絡交換機和路由器中的數(shù)據(jù)平面分離出來，SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡的管理與控制等功能，網(wǎng)絡層設備僅負責流量的轉發(fā)及策略的執(zhí)行。轉發(fā)與控制分離帶來了控制邏輯集中，SDN控制器擁有網(wǎng)絡的全局靜態(tài)拓撲、全網(wǎng)的動態(tài)轉發(fā)表信息、全網(wǎng)絡的資源利用率、故障狀態(tài)等，從而也開放了網(wǎng)絡能力，通過集中的SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理、整合以及虛擬化后，采用規(guī)范化的北向接口為上層應用提供按需的網(wǎng)絡資源及服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力開放，按需提供。

 

 

圖4 物理層

SDN是一種革命性的變革，它解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中無法避免的一些問題，包括缺乏靈活性、對需求變化的響應速度緩慢、無法實現(xiàn)網(wǎng)絡的虛擬化以及高昂的成本等。在當前的網(wǎng)絡架構下，網(wǎng)絡運營商和企業(yè)無法快速提供新的業(yè)務，原因在于他們必須等待設備提供商以及標準化組織同意，并將新的功能納入到專有的運行環(huán)境中才能實現(xiàn)。很顯然這是一個漫長的等待過程，或許等到現(xiàn)有網(wǎng)絡真正具備這一新的功能時，市場已經(jīng)發(fā)生了很大變化。

有了SDN，形勢則發(fā)生了改變。網(wǎng)絡運營商和企業(yè)可以通過自己編寫的軟件輕松地決定網(wǎng)絡功能。SDN可以讓他們在靈活性、敏捷性以及虛擬化等方面更具主動性。SDN可以幫助網(wǎng)絡運營商和企業(yè)，只要通過普通的軟件就能隨時提供新的業(yè)務。通過OpenFlow的轉發(fā)指令集將網(wǎng)絡控制功能集中，網(wǎng)絡可以被虛擬化，并被當成是一種邏輯上的資源，而非物理資源加以控制和管理。

SDN通過消除應用和特定網(wǎng)絡細節(jié)——比如端口和地址之間的關聯(lián)，使得無需花費時間和金錢重新編寫應用和人工配置網(wǎng)絡設備即可升級網(wǎng)絡的物理平面成為可能。

長期以來，通過命令行接口進行人工配置，一直在阻礙網(wǎng)絡向虛擬化邁進，并且它還導致了運營成本高昂、網(wǎng)絡升級時間較長無法滿足業(yè)務需求、容易發(fā)生錯誤等問題。SDN使得一般的編程人員在通用服務器的通用操作系統(tǒng)上，利用通用的軟件就能定義網(wǎng)絡功能，讓網(wǎng)絡可編程化。SDN帶來巨大的市場機遇，因為它可以滿足不同客戶需求、提供高度定制化的解決方案。這就使網(wǎng)絡運營建立在開放軟件的基礎上，不需要依靠設備提供商的特定硬件和軟件才能增設新功能。

更為重要的是，某些網(wǎng)絡功能的提供也變得異常簡單，比如組播和負載均衡功能的實現(xiàn)等。另外，拓撲結構的限制也將消失。比如在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，由于樹形拓撲導致的、占統(tǒng)治地位的東西像流量被限制的問題也將得到解決。

總結來說，SDN所能提供的五大好處如下：

第一、SDN為網(wǎng)絡的使用、控制以及如何創(chuàng)收提供了更多的靈活性。

第二、SDN加快了新業(yè)務引入的速度。網(wǎng)絡運營商可以通過可控的軟件部署相關功能，而不必像以前那樣等待某個設備提供商在其專有設備中加入相應方案。

第三、SDN降低了網(wǎng)絡的運營費用，也降低了出錯率，原因在于實現(xiàn)了網(wǎng)絡的自動化部署和運維故障診斷，減少了網(wǎng)絡的人工干預。

第四、SDN有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡的虛擬化，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡的計算和存儲資源的整合，最終使得只要通過一些簡單的軟件工具組合，就能實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的控制和管理。

第五、SDN讓網(wǎng)絡乃至所有IT系統(tǒng)更好地以業(yè)務目標為導向。

SDN應用場景探討與分析

SDN的應用場景與SDN技術本身的特點有很大的相關性，研究SDN的應用場景首先需要對SDN技術特點進行分析。

SDN的主要技術特點

SDN的主要技術特點體現(xiàn)在3方面。

• 轉發(fā)與控制分離。SDN具有轉發(fā)與控制分離的特點，采用SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的收集、路由的計算、流表的生成及下發(fā)、網(wǎng)絡的管理與控制等功能;而網(wǎng)絡層設備僅負責流量的轉發(fā)及策略的執(zhí)行。通過這種方式可使得網(wǎng)絡系統(tǒng)的轉發(fā)面和控制面獨立發(fā)展，轉發(fā)面向通用化、簡單化發(fā)展，成本可逐步降低;控制面可向集中化、統(tǒng)一化發(fā)展，具有更強的性能和容量。
• 控制邏輯集中。轉發(fā)與控制分離之后，使得控制面向集中化發(fā)展。控制面的集中化，使得SDN控制器擁有網(wǎng)絡的全局靜態(tài)拓撲，全網(wǎng)的動態(tài)轉發(fā)表信息，全網(wǎng)絡的資源利用率，故障狀態(tài)等。因此，SDN控制器可實現(xiàn)基于網(wǎng)絡級別的統(tǒng)一管理、控制和優(yōu)化，更可依托全局的拓撲的動態(tài)轉發(fā)信息幫助實現(xiàn)快速的故障定位和排除，提高運營效率。
• 網(wǎng)絡能力開放化。SDN還有一個重要特征是支持網(wǎng)絡能力開放化。通過集中的SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理、整合以及虛擬化后，采用規(guī)范化的北向接口為上層應用提供按需分配的網(wǎng)絡資源及服務，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡能力開放。這樣的方式打破了現(xiàn)有網(wǎng)絡對業(yè)務封閉的問題，是一種突破性的創(chuàng)新。

SDN控制與轉發(fā)分離的特點，使得設備的硬件通用化、簡單化，設備的硬件成本可大幅降低，可促進SDN的應用;但由于設備硬件的變化，轉發(fā)流表的變化也存在SDN設備與現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的兼容問題，在一定時期內(nèi)可能限制SDN在大規(guī)模網(wǎng)絡中的應用。

SDN控制邏輯集中的特點，使得SDN控制器擁有網(wǎng)絡全局拓撲和狀態(tài)，可實施全局優(yōu)化，提供網(wǎng)絡端到端的部署、保障、檢測等手段;同時，SDN控制器可集中控制不同層次的網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的多層多域協(xié)同與優(yōu)化，如：分組網(wǎng)絡與光網(wǎng)絡的聯(lián)合調(diào)度。

SDN網(wǎng)絡能力開放化的特點，使得網(wǎng)絡可編程，易快捷提供的應用服務，網(wǎng)絡不再僅僅是基礎設施，更是一種服務，SDN的應用范圍得到了進一步的拓展。

SDN的五大應用場景

針對網(wǎng)絡的主要參與實體進行梳理后，SDN的應用場景基本聚焦到電信運營商、政府及企業(yè)客戶、數(shù)據(jù)中心服務商以及互聯(lián)網(wǎng)公司。關注的SDN應用場景主要聚焦在：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)、政企網(wǎng)絡、電信運營商網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)公司業(yè)務部署。

場景1：SDN在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的應用

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡SDN化的需求主要表現(xiàn)在海量的虛擬租戶、多路徑轉發(fā)、VM(虛擬機)的智能部署和遷移、網(wǎng)絡集中自動化管理、綠色節(jié)能、數(shù)據(jù)中心能力開放等幾個方面。

SDN控制邏輯集中的特點可充分滿足網(wǎng)絡集中自動化管理、多路徑轉發(fā)、綠色節(jié)能等方面的要求;SDN網(wǎng)絡能力開放化和虛擬化可充分滿足數(shù)據(jù)中心能力開放、VM的智能部署和遷移、海量虛擬租戶的需求。

數(shù)據(jù)中心的建設和維護一般統(tǒng)一由數(shù)據(jù)中心運營商或ICP/ISP維護，具有相對的封閉性，可統(tǒng)一規(guī)劃、部署和升級改造，SDN在其中部署的可行性高。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡是SDN目前最為明確的應用場景之一，也是最有前景的應用場景之一。

 

 

圖5 場景

場景2：SDN在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的應用

數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡具有流量大、突發(fā)性強、周期性強等特點，需要網(wǎng)絡具備多路徑轉發(fā)與負載均衡、網(wǎng)絡帶寬按需提供、綠色節(jié)能、集中管理和控制的能力。如下圖所示的SDN技術在多數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場景下的應用架構圖所示，引入SDN的網(wǎng)絡可通過部署統(tǒng)一的控制器來收集各數(shù)據(jù)中心之間的流量需求，進而進行統(tǒng)一的計算和調(diào)度、實施帶寬的靈活按需分配、大程度優(yōu)化網(wǎng)絡、提升資源利用率。

目前Google已經(jīng)在其數(shù)據(jù)中心之間應用了SDN技術，將數(shù)據(jù)中心之間的鏈路利用率提升至接近100%，成效顯著。

 

 

場景3：SDN在政企網(wǎng)絡中的應用

政府及企業(yè)網(wǎng)絡的業(yè)務類型多，網(wǎng)絡設備功能復雜、類型多，對網(wǎng)絡的安全性要求高，需要集中的管理和控制，需要網(wǎng)絡的靈活性高，且能滿足定制化需求。

SDN轉發(fā)與控制分離的架構，可使得網(wǎng)絡設備通用化、簡單化。SDN將復雜的業(yè)務功能剝離，由上層應用服務器實現(xiàn)，不僅可以降低設備硬件成本，更可使得企業(yè)網(wǎng)絡更加簡化，層次更加清晰。同時，SDN控制的邏輯集中，可以實現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡的集中管理與控制，企業(yè)的安全策略集中部署和管理，更可以在控制器或上層應用靈活定制網(wǎng)絡功能，更好滿足企業(yè)網(wǎng)絡的需求。

由于企業(yè)網(wǎng)絡一般由企業(yè)自己的信息化部門復雜建設、管理和維護，具有封閉性，可統(tǒng)一規(guī)劃、部署和升級改造，SDN部署的可行性高。

 

 

場景4：SDN在電信運營商網(wǎng)絡的應用

電信運營商網(wǎng)絡包括了寬帶接入層、城域?qū)印⒐歉蓪拥葘用妗＞唧w的網(wǎng)絡還可分為有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡存在多種方式，如傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、交換網(wǎng)等。總的來說，電信運營商網(wǎng)絡具有覆蓋范圍大、網(wǎng)絡復雜、網(wǎng)絡安全可靠性要求高、涉及的網(wǎng)絡制式多、多廠商共存等特點。

 

 

SDN的轉發(fā)與控制分離特點可有效實現(xiàn)設備的逐步融合，降低設備硬件成本。SDN的控制邏輯集中特點可逐步實現(xiàn)網(wǎng)絡的集中化管理和全局優(yōu)化，有效提升運營效率，提供端到端的網(wǎng)絡服務;SDN的網(wǎng)絡能力虛擬化和開放化，也有利于電信運營商網(wǎng)絡向智能化，開放化發(fā)展，發(fā)展更豐富的網(wǎng)絡服務，增加收入。

例如NTT和德國電信都開始試驗部署SDN，其中NTT搭建了很快日本和美國的試驗環(huán)境，實現(xiàn)網(wǎng)戀過虛擬化，并故那里跨數(shù)據(jù)中心的WAN網(wǎng)絡;而德國電信在云數(shù)據(jù)中心、無線、固定等接入環(huán)境使用SDN。

 

 

但是，SDN技術目前尚不夠成熟，標準化程度也不夠高。大范圍、大量網(wǎng)絡設備的管理問題，超大規(guī)模SDN控制器的安全性和穩(wěn)定性問題，多廠商的協(xié)同和互通問題，不同網(wǎng)絡層次/制式的協(xié)同和對接問題等均需要盡快得到解決。目前SDN技術在電信運營商網(wǎng)絡大規(guī)模應用還難以實現(xiàn)，但可在局部網(wǎng)絡或特定應用場景逐步使用，如移動回傳網(wǎng)絡場景、分組與光網(wǎng)絡的協(xié)同場景等。

場景5：SDN在互聯(lián)網(wǎng)公司業(yè)務部署中的應用

SDN即軟件定義網(wǎng)絡，然而筆者認為SDN的研究重點不應放在軟件如何定義網(wǎng)絡，而應在于如何開放網(wǎng)絡能力。網(wǎng)絡的意義在于為上層應用提供網(wǎng)絡服務，承載上層應用。NaaS是網(wǎng)絡的最終歸宿。互聯(lián)網(wǎng)公司業(yè)務基于SDN架構部署，將是SDN的重要應用場景。

SDN具有網(wǎng)絡能力開放的特點，通過SDN控制器的北向接口，向上層應用提供標準化、規(guī)范化的網(wǎng)絡能力接口，為上層應用提供網(wǎng)絡能力服務。ICP/ISP可根據(jù)需要獲得相應的網(wǎng)絡服務，有效提升最終用戶的業(yè)務體驗。

國內(nèi)企業(yè)如騰訊、百度等都在加快SDN的實驗室部署，例如騰訊，利用SDN實現(xiàn)差異化的路徑計算、流量控制和服務，為用戶提供更好體驗。

 

 

SDN驅(qū)動力

SDN轉發(fā)和控制分離的特點可有效降低設備硬件成本;控制邏輯集中的特點可使得網(wǎng)絡具有全局的視圖實現(xiàn)全局優(yōu)化，實現(xiàn)多網(wǎng)融合和集中管控;網(wǎng)絡能力開放化可促進更多的業(yè)務創(chuàng)新和網(wǎng)絡服務創(chuàng)新。這三大驅(qū)動力推動著SDN的發(fā)展，也使得SDN有了更多的應用場景。

目前，SDN技術尚不夠成熟，適合在相對簡單、相對封閉的網(wǎng)絡中，如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、企業(yè)網(wǎng)絡中應用;后續(xù)隨著技術的成熟和標準化，預計將會在電信運營商網(wǎng)絡中得到規(guī)模應用。