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软件定义网络--SDN 发展和应用

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软件定义网络--SDN 发展和应用

当前,SDN 已逐渐成为了学术界、工业界以及标准化组织广泛关注并讨论的热点。

在学术界方面,近年来,世界各国纷纷开展了围绕着SDN 的科研项目。美国科学基金会(NSF)支持的计划[4] 在OpenFlow 发展的初期就率先对OpenFlow 予以了资金支持并实施了“GENI Enterprise”计划。目前,OpenFlow 已经在美国多所高校、以及其他的多个科研机构中得到部署。欧盟第七框架计划也于2010 年开始支持SDN 的相关研究,并支持了OFELIA[5] 、SPARC[6] 以及等研究项目。2012 年4 月,领域中又诞生了一个新的研究机构:美国斯坦福大学与伯克利大学联合12 家公司成立了开放网络研究中心(ONRC)[8],其中包括了Cisco、、华为及Juniper 等网络公司。目前,SDN 的相关研究已经遍布全球的各个角落,比较有影响力的研究机构包括斯坦福大学、普林斯顿大学、康乃尔大学、多伦多大学、巴西CPqD、爱立信研究中心、NEC 研究中心、研究中心、德国电信T-Labs 研究中心等等。于此同时,SDN/OpenFlow 也在多个国家得到部署,主要包括:美国、巴西、加拿大、德国、英国、意大利、西班牙、日本等。

SDN在得到学术界的普遍认可的同时,工业界也对这种新的网络架构表达出浓厚的兴趣。从推出开始,NEC 公司就对OpenFlow 的相关硬件进行了跟进性的开发,并推出了多款支持OpenFlow 协议的交换机。此外,HP、 Junifer、pronto 等公司也相继推出了支持OpenFlow 的交换机、路由器、无线网络接入点(AP)等网络设备。2011 年,开放网络基金会成立[9],专门负责OpenFlow 标准和规范的维护和发展,并召开了第一届开放网络峰会,为OpenFlow 和SDN 做了很好的介绍和推广,该基金会成员基本涵盖了所有网络及互联网领域的商业巨头。在2012 年初召开的第二届开放网络峰会上,Cisco 宣布投入亿美元于一个专门致力于SDN 产品研发的内部创业公司Insieme;宣布已经在其全球各地的数据中心骨干网络中大规模地使用。最近,Facebook 也宣布在其数据中心中使用了OpenFlow/SDN 技术。

在标准化方面,开放网络基金会(ONF)致力于推动SDN 技术的标准化和商业化,已于2012 年4 月发布了协议的最新v1.3 版本。此外,作为互联网协议标准的主要制订者,互联网工程任务组(IETF)也在积极开展SDN 的相关工作。2011 年月IETF 第82 次会议上的SDNP BoF 吸引了包括运营商以及设备商在内的多人参加,主要讨论了SDN 的需求、架构以及典型的应用场景。在第84 次会议上,SDN 更是成为技术全会的热门话题,Cisco、以及马里兰大学分别进行了相关的主题演讲。此外,负责进行互联网演进相关的相对长期性研究的互联网研究任务组(IRTF),也于会议上举行了SDNRG 会议,并引起的极大关注。

SDN 发展迅速

经过了几年的发展,SDN 的相关技术正呈现着百花齐放的发展态势。

在控制平面方面,从第一个控制器平台NOX 开始,业界已逐渐出现一系列的基于OpenFlow 的网络控制器平台。这些控制器平台在向下封装与交换机通信的OpenFlow 协议的同时,也向上层网络控制应用提供相对更高层的开放编程接口。当前主流的控制器平台主要包括:NOX,Onix,Floodlight,Beacon 以及等。

在转发设备方面,SDN 的转发设备已不再局限于有线转发设备。支持OpenFlow 的转发设备能够部署在更广阔的网络环境中,如适用于虚拟环境的Open vSwitch 以及能够工作在无线环境中的Pantou 等。于此同时,随着设备厂商的加入,支持的转发设备也正逐渐从基于软件的转发设备向基于高速硬件的转发设备过渡。

在控制平面与转发平面的通信接口方面,开放网络基金会ONF 于年6 月发布了Openflow v1.3 版本。与早期版本相比,新版本的协议更加灵活。除了保留版本中对多级表、群组表、标签以及虚端口等特性的支持,以及OpenFlow v1.2 版本中对IPv6 以及可扩展匹配的支持之外,版本规范了基于参数类型、长度和数值(TLV)的能力表达框架,还增加了对逐流计量以及IPv6 扩展头处理等功能的支持。OpenFlow v1.4 版本的标准化工作计划也将在2013 年上半年完成。

随着SDN 相关技术研究的不断深入,其研究活动主要可以在以下方面展开:

(1)SDN 控制应用的研究。这种开放的网络架构能够用于多种网络环境中,不同场景中SDN 控制应用需要从不同的网络环境特点出发,因地制宜,合理有效地进行有针对性的控制应用设计。

(2)SDN 网络抽象。在SDN 架构中,控制器平台向上层控制应用提供高层抽象应用程序编程接口(API),也称为“ 北向接口”。现有的控制器平台实现已经提供了一些基本的抽象,然而利用基本抽象来编写网络控制程序往往也是比较复杂并且容易出错,如何去设计更高层的网络编程抽象也是一个需要解决的问题。当前,业界比较认可的编程API 需求有提供通用的编程抽象,能够支持多种网络环境中的不同的网络控制功能;提供高层抽象,使编程人员能够更容易地控制网络;提供分布式抽象,以支持网络和应用的可扩展性,使程序的编写不受底层网络分布式结构的束缚;提供支持模块化的控制程序;提供可移植性,使控制程序能够得到最大限度的重用等等。

(3)SDN 调试及排错技术。由于的行为完全由软件决定,与所有程序一样,这些控制程序同样会存在一定的漏洞,验证网络行为与控制策略的一致性也成为了现阶段的重要问题。

当前的解决方案有:利用模型校验以及符号执行去验证控制器代码的正确性;利用断点及数据包回溯技术来对SDN 进行排错;以及通过对数据平面配置的静态分析来检查网络的联通及隔离错误等等。

(4)分布式控制平面的设计。虽然OpenFlow 支持分布式控制,但将网络智能逻辑上集中化之后所带来的可用性、可扩展性等问题仍需完善。

在分布式SDN 架构中,控制器之间的信息复制决定了系统的可扩展性,在信息全复制的情况下,整个系统将很快会陷入系统瓶颈,因此需要对网络中各种信息的更新频率进行更为精确的分析,从而能够给出较为有效的解决方案。

(5) 硬件优化技术。利用的特性来对转发硬件进行优化,OpenFlow 协议从v1.1 版本之后将转发面抽象成多级流水线,十分类似于当今交换机ASIC 以及网络处理器的结构。那么,如何在不过分增加转发硬件复杂度的前提下,尽可能地提高转发平面的可编程能力(如可定义的表/流水线结构)也是一个需要进一步研究的重要问题。

随着研究的不断深入以及技术的持续发展,SDN 关键技术将逐渐趋于完善,未来的网络将会越来越依赖于软件,因此互联网将可能会进入SDN 时代。

SDN 应用广泛

SDN 能够在多种网络环境中得到应用,包括数据中心网络、企业网络、广域网以及移动网络等。

首先,在数据中心网络环境中使用SDN,可以将网络和计算资源更加紧密地联系在一起,从而实现高效的控制。在数据中心内部,利用SDN 的优势,可以有效地进行数据中心中的路径优化和负载均衡,提高数据中心中资源利用率以及降低数据中心的能量消耗。另一方面,在多个数据中心之间利用SDN 网络虚拟化技术以及逻辑上集中式的控制技术,可以轻松地实现应用到虚拟专用网(VPN)的映射以及虚拟机的迁移。

其次,使用传统技术对大型企业网络进行管理是一种十分复杂的任务。在企业网络中利用SDN 技术,能够极大地减轻网络管理的复杂度,企业网络管理人员只需要通过定义整网的管理策略就能够直接对企业网络进行控制,而不需要进行逐设备的配置,提高了企业网络的可靠性。

最后,在广域网及移动网络中使用SDN 技术也将可能具有众多好处。SDN 逻辑上集中的控制平面能够更好地实现网络融合,使统一管理成为可能。利用SDN 技术可以在固定网络和移动网络中实现无缝控制、提高VPN 管理的灵活性等。已有企业公司利用OpenFlow 技术对移动网络进行高效、灵活的网络管理,并实现了多种移动通信方式之间的实时动态切换以及移动回程网络的节能功能。在运营商网络中利用SDN 技术不但能够降低网络管理难度,还能够加快业务部署速度,提高网络服务的适应能力。

通过控制与转发的分离,SDN 能够降低网络管控的复杂度,提高网络的可靠性及安全性,提供多种粒度的网络控制,从而提高用户体验并促进网络创新。当前SDN 已逐渐成为了学术界、工业界以及标准化组织广泛关注并讨论的热点。未来网络将越来越依赖于软件,SDN 这种新颖的、动态的网络架构将得到更广泛的应用,进而促进网络技术的不断创新。

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