顧  強，張慶順，陳  勇

　　（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

　　摘  要： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)解耦合來構(gòu)建開放可編程的網(wǎng)絡(luò),從而支持未來網(wǎng)絡(luò)和新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。OpenFlow協(xié)議作為SDN發(fā)展的里程碑，在一些領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了效果良好的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)中心、移動接入網(wǎng)絡(luò)、光傳送網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景更加令人矚目。

　　關(guān)鍵詞： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow協(xié)議；第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)；軟件定義光網(wǎng)絡(luò)；信息中心網(wǎng)絡(luò)

0 引言

　　云計算、云存儲已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，對網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力提出了異常迫切的需求，由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多由廠家封閉的系統(tǒng)實現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力的支持非常有限，這促使人們重新思考網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架的變革，而不只是單純進(jìn)行協(xié)議的增加和完善。

　　為了解決傳統(tǒng)因特網(wǎng)發(fā)展面臨的這些問題，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）應(yīng)運而生，其核心理念是：控制平面和數(shù)據(jù)平面相分離；控制平面與數(shù)據(jù)平面之間通過開放的接口和標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行交互?？刂破矫媾c數(shù)據(jù)平面間南向接口協(xié)議的研究成為SDN發(fā)展的首要任務(wù)，能夠被廣泛支持的南向接口協(xié)議是改變目前封閉因特網(wǎng)構(gòu)架的關(guān)鍵，OpenFlow南向接口協(xié)議[1]的出現(xiàn)成為SDN[2]發(fā)展的里程碑。

1 OpenFlow協(xié)議介紹

　　開放式網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）提出的SDN構(gòu)架如圖1所示，從上至下依次為應(yīng)用平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面[2]。所有業(yè)務(wù)邏輯均部署在應(yīng)用平面；控制平面由集中設(shè)置的軟件控制器組成，通過北向接口向上層應(yīng)用開放多層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可編程能力，允許用戶根據(jù)特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景靈活地制定各種網(wǎng)絡(luò)策略，通過南向接口協(xié)議對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中管理、狀態(tài)監(jiān)測、轉(zhuǎn)發(fā)決策以處理和調(diào)度數(shù)據(jù)平面的流量；數(shù)據(jù)平面由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成。

　　OpenFlow交換機(jī)規(guī)范明確定義了交換機(jī)組成和OpenFlow協(xié)議在交換機(jī)中的實現(xiàn)方式。OpenFlow交換機(jī)內(nèi)部包含一個或多個流表（flow table）和一個組表（group table），以及與OpenFlow控制器進(jìn)行通信的安全通道接口。為避免單流表過度膨脹，在OpenFlow協(xié)議1.1以后的版本引入了多級流表機(jī)制。OpenFlow規(guī)范中定義的交換機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　OpenFlow協(xié)議1.0[3]、1.1[4]、1.2[5]中每個流表項包含匹配字段、計數(shù)器及一組指令，每個數(shù)據(jù)包包頭的信息與匹配字段進(jìn)行匹配，如果匹配則執(zhí)行這個流表后面定義的指令并進(jìn)行計數(shù)。如果這個交換機(jī)里所有流表均不能匹配，則把這個數(shù)據(jù)包的包頭或整個數(shù)據(jù)包通過安全通道上交給OpenFlow控制器，由OpenFlow控制器決定這個數(shù)據(jù)包如何轉(zhuǎn)發(fā)，并生成流表通過安全通道下發(fā)到相應(yīng)的OpenFlow交換機(jī)。OpenFlow交換機(jī)里設(shè)置了這個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的流表，可以正確轉(zhuǎn)發(fā)這個數(shù)據(jù)包。計數(shù)器對經(jīng)過交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類計數(shù)以滿足各種管理統(tǒng)計。

　　在OpenFlow協(xié)議1.3[6]、1.4[7]中流表又增設(shè)了優(yōu)先級、超時設(shè)定、保留字段等參數(shù)。OpenFlow協(xié)議流表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　流表表頭部分的匹配字段在OpenFlow協(xié)議1.0版本中共包含12個參數(shù)：輸入端口、MAC源地址、MAC目的地址、以太網(wǎng)類型、VLANID、VLAN優(yōu)先級、IP源地址、IP目的地址、IP協(xié)議、IP ToS 位、TCP/UDP 目標(biāo)端口、TCP/UDP源端口。OpenFlow協(xié)議1.1版本中增加了對于VLAN和MPLS標(biāo)簽的處理。OpenFlow協(xié)議1.2版本中下發(fā)規(guī)則的匹配字段不再通過固定長度的結(jié)構(gòu)來定義，而是采用了TLV(Type,Length,Value)結(jié)構(gòu)定義匹配字段，稱為OXM（OpenFlow Extensible Match），這樣用戶就可以靈活下發(fā)自定義的匹配字段，增加了更多關(guān)鍵字匹配字段的同時也節(jié)省了流表空間。OpenFlow協(xié)議1.3版本流表支持的匹配關(guān)鍵字已經(jīng)增加到40個。這樣就可以跨越物理層、介質(zhì)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四個層級對參數(shù)進(jìn)行匹配，每個參數(shù)都可以通配，參數(shù)之間可以靈活組合，數(shù)據(jù)報文以流為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，而不是像傳統(tǒng)因特網(wǎng)以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，而且更加靈活。

　　OpenFlow控制器利用OpenFlow協(xié)議通過安全通道對OpenFlow交換機(jī)內(nèi)的流表進(jìn)行添加、修改、刪除、查詢等操作，最終完成各種網(wǎng)絡(luò)行為。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及發(fā)展前景

　　以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的SDN體系結(jié)構(gòu)是一種嶄新的構(gòu)架，激發(fā)了研究機(jī)構(gòu)、新興網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的濃厚興趣，自2009年發(fā)布可用于商業(yè)化產(chǎn)品的OpenFlow協(xié)議1.0版本至今，在網(wǎng)絡(luò)實驗測試平臺、校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等場景已經(jīng)實現(xiàn)了效果良好的應(yīng)用。其在數(shù)據(jù)中心、移動接入網(wǎng)絡(luò)、光傳送網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加令人矚目。

3 數(shù)據(jù)中心

　　SDN能以流為顆粒度對報文進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)發(fā)，這就賦予它在流量工程方面的天然優(yōu)勢。數(shù)據(jù)中心多個節(jié)點之間的備份同步均需要巨大的帶寬開銷，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為保證鏈路的可用性，往往需要鏈路保持在輕載狀態(tài)，造成了鏈路資源的嚴(yán)重浪費。谷歌公司在2012年實施的B4項目充分展示了SDN這方面的優(yōu)越性，谷歌公司采用OpenFlow技術(shù)把分布在美國、智利、比利時、愛爾蘭、芬蘭、新加坡及中國臺灣的12個數(shù)據(jù)中心連接起來，成為第一個廣域商用的SDN，通過OpenFlow技術(shù)在流量工程方面的應(yīng)用，其平均鏈路利用率從30%～40%提升到70%左右，甚至在很多鏈路中忙時能夠接近100%，這個項目的成功使產(chǎn)業(yè)界對SDN充滿信心[8]。

　　SDN在數(shù)據(jù)中心運營管理和節(jié)能減排方面同樣具有廣泛的發(fā)展前景。隨著云計算、虛擬化技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬機(jī)的廣泛應(yīng)用使數(shù)據(jù)中心為新租戶分配計算、存儲資源和刪除現(xiàn)有租戶、釋放資源變得異常便捷，但傳統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)無法動態(tài)適應(yīng)這種變化，租戶網(wǎng)絡(luò)資源的分配和隔離需要耗費大量時間來調(diào)整實體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并更改設(shè)置，SDN通過集中的控制平面可以非常方便靈活地完成網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)整和配置。

　　數(shù)據(jù)中心近年來一直以驚人的速度發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的處理能力需要經(jīng)得住忙時峰值業(yè)務(wù)的考驗，這就造成數(shù)據(jù)中心設(shè)備忙時和閑時利用率差別較大。數(shù)據(jù)中心設(shè)備多為高耗能設(shè)備，2014年全國數(shù)據(jù)中心的耗電量近一千億度，閑時設(shè)備的利用率甚至不足20%，如何在閑時把業(yè)務(wù)歸集遷移然后休眠多余計算能力是目前研究的重點。虛擬機(jī)遷移技術(shù)解決了業(yè)務(wù)的遷移，但以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)資源無法隨業(yè)務(wù)遷移同步智能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為解決數(shù)據(jù)中心能源浪費問題的瓶頸。虛擬機(jī)技術(shù)和SDN相結(jié)合來解決數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排、綠色發(fā)展的研究得到了廣泛的關(guān)注。

4 無線接入網(wǎng)絡(luò)

　　第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（IMT-2020）的研發(fā)工作正如火如荼地開展，采用SDN組網(wǎng)和全新的空中接口設(shè)計成為共識。融合SDN的理念，軟件定義空中接口（Software-Defined Air Interface,SDAI）可能成為IMT-2020無線側(cè)有效的解決方案[9,10]。OpenRadio項目[11]在SDAI方面做了一些有意義的嘗試，利用可編程的物理層和介質(zhì)層來構(gòu)建無線接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面，這個數(shù)據(jù)平面可以通過編程兼容多種技術(shù)制式的網(wǎng)絡(luò)（如WIFI、WiMAX、GSM、3G、LTE等），這些數(shù)據(jù)平面接入到SDN中來，然后通過北向接口連接到業(yè)務(wù)應(yīng)用控制平臺，由業(yè)務(wù)應(yīng)用控制平臺對用戶集中進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯控制、移動性管理，這樣用戶就可以跨越異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)僅以接入信號質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)選擇網(wǎng)絡(luò)。

　　ONF于2013年9月發(fā)布了《移動無線網(wǎng)絡(luò)OpenFlow應(yīng)用白皮書》[12]，其對OpenFlow技術(shù)在移動無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用給出了構(gòu)架建議，提出了在小區(qū)間無線干擾管理和移動流量管理等方面的應(yīng)用實例。

5 光網(wǎng)絡(luò)

　　互聯(lián)網(wǎng)和電信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，對傳送網(wǎng)帶寬和靈活組網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求，智能光傳送網(wǎng)絡(luò)因此也得到了快速發(fā)展。但是光網(wǎng)絡(luò)集中控制（特別是多廠家設(shè)備集中控制）、靈活設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)策略、根據(jù)業(yè)務(wù)對光轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行編程控制等諸多技術(shù)還有待突破[13]。

　　軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Optical Networks, SDON）將SDN技術(shù)應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的新一代光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。SDON通過將控制與傳送平面解耦，屏蔽光網(wǎng)絡(luò)物理技術(shù)細(xì)節(jié)，簡化現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜和私有的控制管理協(xié)議；采用集中控制策略，提高光網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)度和協(xié)同控制能力；通過開放網(wǎng)絡(luò)接口，提供光網(wǎng)絡(luò)的可編程能力，滿足未來網(wǎng)絡(luò)虛擬化、業(yè)務(wù)靈活快捷提供、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新等發(fā)展需求。

　　ONF于2013年4月成立了光傳送工作組（Optical Transport Working Group，OTWG)，已完成SDON架構(gòu)，于2014年下半年聯(lián)合舉辦了SDON互操作性演示，基于Openflow和RESTful協(xié)議成功實現(xiàn)了多廠商互操作。2014年12月份中國電信協(xié)調(diào)華為、中興、烽火進(jìn)行了基于Openflow和RESTful協(xié)議的SDON互通測試，業(yè)務(wù)測試也在進(jìn)行之中[14]。

6 信息中心網(wǎng)絡(luò)

　　互聯(lián)網(wǎng)誕生時計算資源比較稀缺，為了提高計算資源的利用率，設(shè)計了一種以主機(jī)為中心的互聯(lián)網(wǎng)模式，其最基本的特征是使用IP地址標(biāo)識主機(jī)，所有的網(wǎng)絡(luò)行為都與IP地址密切相關(guān)。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主體，用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的主要行為已經(jīng)演變成對海量內(nèi)容的獲取，不同用戶對同一內(nèi)容的訪問在主機(jī)為中心的模式下會造成部分網(wǎng)絡(luò)反復(fù)傳送相同的內(nèi)容，既浪費了資源，也影響了服務(wù)質(zhì)量，目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很難適應(yīng)今后互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　為解決這個問題，學(xué)術(shù)界提出未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該從當(dāng)前以主機(jī)為中心的體系架構(gòu)，演進(jìn)到以信息為中心的架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)的基本行為模式應(yīng)該是請求和獲取信息，而非實現(xiàn)端到端可達(dá)，這類網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)統(tǒng)稱為信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric Networking,ICN）。目前實踐ICN 的研究項目主要有：CCN、NDN、DONA、NetInf、PSIRP 等。下面以CCN（Content-Centric Networking）為例介紹其原理。

　　CCN中包含兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是興趣分組（Interest Packet）和數(shù)據(jù)分組（Data Packet）。興趣分組主要包含內(nèi)容命名；數(shù)據(jù)分組除了內(nèi)容命名外，還有安全簽名和數(shù)據(jù)。CCN網(wǎng)絡(luò)的通信是由數(shù)據(jù)請求者驅(qū)動,為了獲取內(nèi)容，請求者向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送興趣分組，路由器記錄收到興趣分組的接口，先查詢與路由器相連的內(nèi)容倉庫（Content Store，CS），如果 CS 中已經(jīng)緩存了該內(nèi)容，則直接返回數(shù)據(jù)分組，通信完成；如果在CS 未能命中，則檢索待定興趣表（Pending Interest Table，PIT），如果發(fā)現(xiàn)命名相同的條目，意味著同樣的請求已經(jīng)由本節(jié)點發(fā)出，但請求者卻還未收到數(shù)據(jù)分組，此時只需將收到興趣分組的端口添加到現(xiàn)存條目中，當(dāng)數(shù)據(jù)分組返回時，會按照多個記錄端口返回，這樣就減少了數(shù)據(jù)分組不必要的重發(fā)；如果在PIT未能命中，則在PIT中存儲該興趣分組，然后在轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（Forwarding Information Base，F(xiàn)IB）中查找命名并轉(zhuǎn)發(fā)興趣分組。當(dāng)興趣分組到達(dá)目的節(jié)點后，數(shù)據(jù)分組將會按記錄的PIT原路返回，沿路刪除 PIT 條目，并根據(jù)緩存策略決定是否緩存在途經(jīng)節(jié)點的CS中便于其他同類請求使用，這樣的一次請求和內(nèi)容返回就構(gòu)成了CCN網(wǎng)絡(luò)的基本通信過程[15-18]。

　　通過CCN網(wǎng)絡(luò)的基本通信過程可以看出：以內(nèi)容請求為中心的ICN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)避免了內(nèi)容的冗余傳輸，但其也存在一些不足，如缺乏內(nèi)容的主動推送，缺乏全網(wǎng)的集中控制機(jī)制，缺乏協(xié)議快速演進(jìn)部署的能力，而這些正是SDN技術(shù)的優(yōu)點； SDN 技術(shù)缺乏緩存機(jī)制、缺乏內(nèi)容控制，而這些缺點恰好是ICN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點。綜合研究利用SDN和ICN這兩種技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢，取長補短，是解決目前網(wǎng)絡(luò)問題和確定未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。

7 結(jié)束語

　　通過控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離和設(shè)置集中的控制平面，SDN降低了網(wǎng)絡(luò)管控的復(fù)雜度，大大增強了網(wǎng)絡(luò)的軟件編程控制能力。得益于SDN開放的體系架構(gòu)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均能在SDN平臺上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)創(chuàng)新，產(chǎn)生了一些令人矚目的研究成果，隨著SDN的發(fā)展成熟其應(yīng)用前景會更加光明。

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