软定义网络的主要技术及发展前景

罗艳碧

【摘要】 软定义网络（software-defined networking，SDN）的主要设计思想是将计算机网络的控制平台和数据平台分离开，使用开放式的可编程的控制方式增加网络管理、维护、控制的灵活性和扩展性。本文在SDN概念的基础上，分析了基于OpenFlow的SDN的主要技术和网络构架，分析了SDN的国内外发展过程和研究现状，探讨了SDN网络今后的发展趋势。

【关键词】 软定义网络 OpenFlow 控制器 未来互联网

一、软定义网络SDN的概念

软定义网络的提出是为了解决现阶段互联网网络规模和用户数量大幅度增加，网络功能日趋复杂，作为互联网核心部件的路由器承载业务过多，路由器开放的功能较少，用户自主控制空间小，导致的网络设计布局灵活性的降低等问题而提出的一种新型技术。且传统的互联网构架已经不能很好的支持云计算等新型网络服务。云计算的大范围普及使得SDN的概念快速落地。SDN是一种将网络控制平台和数据平台分离开的新型互联网，其核心技术之一OpenFlow[1]是由斯坦福大学的Nick McKeown教授提出的。它是一个开放式的技术标准。OpenFlow技术将网络的控制功能从现有的网络设备中分离出来，使用中央控制器生成、管理、维护和配置流表，网络设备的数据转发按照流表进行。这样就改变了现有网络设备既要完成网络控制，又要完成数据转发的现状，减轻了网络设备的负担。而中央控制器的设计将会采用一种开放式的可编程的设计思想，将大大增加网络控制的灵活性和扩展性，适应未来互联网的发展。

二、软定义网络的网络构架

从组网层面上看，软定义网络主要由控制器和OpenFlow交换机两部分组成。控制器根据网络的实际情况实现网络的管理和控制功能，OpenFlow交换机根据流表完成数据转发。

OpenFlow交换机主要有三部分组成：流表、安全通道和协议，如图1所示。交换机根据流表来处理和转发数据。软定义网络中不再使用路由器和交换机，而使用OpenFlow交换机完成数据的转发。数据进入OpenFlow交换机后，先查询流表再做出相应的操作。流表表项主要由匹配字段、计数器和操作三部分组成。匹配字段包含了传统网络构架的链路层、网络层和传输层的主要字段内容。随着研究的扩展深入，OpenFlow交换机已经可以支持VLAN、MPLS和IPv6等协议。计数器用来统计数据流量。操作表明了查询流表后对数据的匹配操作。

控制器完成网络的控制和管理功能。控制器上的操作系统是NOS（Network operation system）。通过在NOS上运行不同的应用程序实现不同的逻辑控制功能。控制器的设计取代了传统网络设备的控制功能，实现软件可编程的控制方式，大大提高了网络管理的灵活度和扩展空间。目前OpenFlow控制软件已经得到了多个研究机构的开发和推广。其中NOX[10]最早进行引入NOS的概念，基于NOX的软定义网络中，NOX是网络控制的核心，NOX通过维护网络视图来进行网络的控制、管理和维护。运行工作在NOX之上的应用程序，通过调用网络视图中的全局数据，对网络进行不同层面的控制和管理，操作交换机来完成数据转发。基于NOX的软定义网络如图2所示。

从体系结构上来看，软定义网络分为基础设施层、控制层和应用层三层架构，如图3所示。最下一层是基础设施层包含软定义网络的转发设备的硬件、软件及转发实体（如流表字段）。控制层是第二层，负责完成网络状态维护与控制。它通过控制和数据平面接口获得基础设施层的数据信息，同时通过API与应用层交换信息。应用层根据网络具体情况，使用不同的应用软件实现不同功能，根据需要调用连接控制层的API接口。通过这样的网络体系结构，网络的管理者能够动态、灵活的使用应用程序来配置、管理和控制SDN的网络资源，提高网络的可控性、灵活性和扩展性，软定义网络的开放性和可编程性得到体现。

三、软定义网络的研究进展

世界各国对于下一代互联网的研究已经大规模的展开，如美国的GENI[3]、欧盟的FIRE[4]、日本的JGN2plus[5]和我国的SOFIA[6]等。而基于OpenFlow技术的软定义网络是GENI计划的子项目。该技术推动了软定义网络的快速发展，简化了网络配置，增加了开放性，符合未来互联网发展的需求。它被MIT[7]评为2009年的十大前沿技术之一。2011年，McKeown 等研究者组织成立开放式网络基金会（Open Networking Foundation，简称ONF[8]），专门负责相关标准的制定和推广。美国GENI、Internet2、欧洲OFELIA和日本的JGN2plus也开展了SDN的研究和部署，个大标准化组织如IETF，ITU，ETSI等也开始讨论SDN的构架和应用。在企业界，SDN创业公司不断涌现，如Nicira和Big Switch。老牌IT企业，如Juniper，NEC，HP，IBM等也发布了支持OpenFlow的SDN硬件。Google 宣布其广域网数据中心已经大规模使用基于OpenFlow的SDN技术。网络设备企业巨头Cisco，在Cisco Live 2012 上宣布了其开放网络环境（open network environment，简称Cisco ONE）计划，Cisco ONE发布了适用于SDN 研发的概念验证控制器和OpenFlow代理，同时将其Nexus 1000V虚拟交换机作为虚拟覆盖网络的基础设备。在我国，2011年12月，第一届开放网络峰会（Open Networking Summit）在北京召开，此次峰会邀请了国内外在SDN方面先行的企业介绍其在SDN方面的成功案例；同时世界顶级互联网、通信网络与IT设备集成商公司探讨了如何实现在全球数据中心部署基于SDN的硬件和软件，为OpenFlow和SDN在学术界和工业界做了很好的介绍和推广。2012年，国家“863”项目“未来网络体系结构和创新环境” 获得科技部批准。它是一个符合SDN思想的项目，主要由清华大学牵头负责，清华大学、中科院計算所、北邮、东南大学、北京大学等分别负责各课题，项目提出了未来网络体系结构创新环境FINE（Future Internet innovation Environment）。基于FINE体系结构，将支撑各种新型网络体系结构和IPv6新协议的研究试验。2013年4月底，中国首个大型SDN会议——中国SDN大会在京召开，三大运营商唱起主角。中国电信主导提出在现有网络（NGN）中引入SDN的需求和架构研究，已于2013年2月成功立项S-NICE标准，“S-NICE”是在目前的智能管道中使用SDN技术的一种智能管道应用的特定形式。中国移动则提出了“SDN在WLAN网络上的应用”等课题。可以看出，基于OpenFlow 的软定义网络，已经受到学术界、企业界和标准化组织的广泛关注，大量的研究正在投入其中，为其在技术上和市场上满足未来互联网的需求，寻求最佳解决方案。

四、软定义网络的发展趋势

软定义网络需要解决的问题还很多，如OpenFlow交换机中流表项目的设置和交换机运行速度的矛盾问题，控制器所在的控制平面的可扩展性问题，SDN控制逻辑的一致性问题等[9]。针对以上问题，各方研究机构投入大量的研究来获得解决方案。过去的2013年是软定义网络蓬勃发展的一年，各项研究计划围绕着软定义网络展开，包括思科在内的各大公司都推出了相应的产品来响应软定义网络的发展。2014年对于软定义网络的研发将会延续这样的热度。在未来的工作中，更多的研究会围绕着终端用户配置，更多地SDN API标准产生，对主流设备厂商会有更多地部署，如思科的Cisco ONE和VMware的NSX，更多地厂商的定制设备将进一步研发，更多地行业联合以及更多顶级应用程序的设计。所有的这些研究将有助于推动SDN市场在未来两三年内超过30亿美元。到2016年这个数字将达到37亿美元。 2014年将是SDN理论联系实际的一年，供应商的解决方案将面临考验，是否能够达到预期或者超过预期。鉴于这种情况，企业将真正的按照需要交付SDN。网络安全问题一直是网络研究人员的最大挑战，对于软定义网络的网络安全的研究也是一个热点，在未来的研究中围绕着WAN的应用交付控制器的解决方案将成为主要方向。在API研究方面，OpenDaylight组织正致力于开发一种标准的API用于SDN控制器到业务流程系统和应用程序。软定义网络在2014年将会进一步进入企业环境。SDN将会进入一些工业园区，在规模和范围上将会进一步的扩大[10]。

五、总结

基于OpenFlow的软定义网络从2008年提出到现在为止仅仅经历了几年的时间，但它引起了学术界、标准化组织和企业界的广泛关注，大量的科研力量和资金投入其中，极大地推动了SDN网络的发展。对于软定义网络构架的研究、网络标准的制定和设备的生产得到了各方的支持，在今后的研究中将投入更多地人力物力，并且将会有更多地科研机构和企业加入其中，SDN网络不断应用到企业网的建设中，将不断验证已有的研究结果，并且为新的网络解决方案提供很好的实践平台，这些使得基于OpenFLow的软定义网络必将成为下一代互联网主流技术。