在傳統(tǒng)路由器或交換機(jī)設(shè)計(jì)中,快速的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)(數(shù)據(jù)面)和高層的路由決定(控制面)是集成在一起的。在近幾十年的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過程中,由于這種緊耦合大型主機(jī)式的發(fā)展限制了IP網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn),更多的是通過不斷增長的RFC數(shù)量對現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ),造成了交換機(jī)/路由器設(shè)備控制功能的高度復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)研究人員想要在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中基于真實(shí)生產(chǎn)流量進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)備是封閉的,沒有提供開放的API,無法對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化配置和對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)操控。
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)是由美國斯坦福大學(xué)CLEANslate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),設(shè)計(jì)初衷是為了解決無法利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模真實(shí)流量和豐富應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以便研究如何提高網(wǎng)絡(luò)的速度、可靠性、能效和安全性等問題。其基本思想是把當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)互連節(jié)點(diǎn)中決定報(bào)文如何轉(zhuǎn)發(fā)的復(fù)雜控制邏輯從交換機(jī)/路由器等設(shè)備中分離出來,以便通過軟件編程實(shí)現(xiàn)硬件對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制,最終達(dá)到對流量進(jìn)行自由操控的目的。SDN技術(shù)于2009年入選美國MIT主辦的《技術(shù)評論》雜志十大新興技術(shù)之一。其核心技術(shù)OpenFlow使能了交換/路由器的控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面功能的解耦,由集中控制器(controller)下發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則給交換設(shè)備,使得控制器與交換設(shè)備可獨(dú)立發(fā)展。盡管SDN定義了一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),屬于下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究課題,但它并不革新原有IP分層網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)行為,只簡化報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則產(chǎn)生的復(fù)雜性。為此,隨著IP網(wǎng)絡(luò)研究的僵化和互連設(shè)備無法適應(yīng)新應(yīng)用如BYOD(bringyourowndevice,自帶設(shè)備到工作場所)、IT定制化、云計(jì)算、Bigdata、虛擬化服務(wù)器等的廣泛出現(xiàn),使得SDN技術(shù)在短短2~3年時(shí)間內(nèi)就成為網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)界最熱門的研究方向。
1、軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化工作
從傳統(tǒng)交換機(jī)/路由器設(shè)計(jì)上來看,它由控制面、數(shù)據(jù)面和管理面組成,如圖1所示。其中控制面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)ISO網(wǎng)絡(luò)模型中3~7層的各種報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)控制功能;例如支持二層物理主機(jī)地址學(xué)習(xí)更新MAC(mediaaccesscontrol,介質(zhì)訪問控制)地址表,支持IP路由協(xié)議(如RIP/OSPF/ISIS/BGP等)更新路由表,根據(jù)用戶配置和過濾功能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)生成ACL(access controllist,訪問控制列表)等轉(zhuǎn)發(fā)信息表。數(shù)據(jù)面依據(jù)控制面下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)信息表進(jìn)行報(bào)文解析、查表、過濾匹配和端口映射等報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能。管理面支持用戶對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置管理,如實(shí)現(xiàn)命令行接口(commandlineinterface,CLI)和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simplenetworkmanagementfunction,SNMP)功能。盡管交換設(shè)備從功能邏輯上進(jìn)行了較好的劃分,但是控制面需要支持的各種IETFRFC協(xié)議規(guī)范,如OSPF、BGP、組播、區(qū)分服務(wù)、流量工程、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、防火墻、多協(xié)議標(biāo)簽交換、虛擬局域網(wǎng)等,已經(jīng)使路由器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都變得異常復(fù)雜。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的目的就是把交換/路由設(shè)備的控制面功能從硬件中剝離出來,由可以在PC(personal computer,個(gè)人計(jì)算機(jī))或服務(wù)器上自由編程的軟件實(shí)現(xiàn),再簡化交換硬件設(shè)備,讓它們成為可編程控制的“傻瓜型”交換設(shè)備。
經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐探索,由谷歌、微軟、Facebook、雅虎與電信巨頭Verizon和德國電信于2011年3月份成立的非盈利性組織機(jī)構(gòu)———開放網(wǎng)絡(luò)基金會聯(lián)盟(opennetworkfoundation,ONF),在文獻(xiàn)中給出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(softwaredefinednetworking,SDN)的體系架構(gòu),如圖2所示。ONF目標(biāo)致力于推動(dòng)SDN技術(shù)的發(fā)展,并負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化和市場化教育等相關(guān)工作。
由圖2可知,自底向上,SDN體系架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層三層。其中,控制層中控制軟件與基礎(chǔ)設(shè)施中的交換/路由等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)由控制數(shù)據(jù)面接口(也被稱為南向接口)交互,與應(yīng)用層各種APP經(jīng)由開放API(也被稱為北向接口)交互;網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施充當(dāng)原交換/路由設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)發(fā)面角色,也被稱為OpenFlow交換。OpenFlow交換由流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議三部分組成,是整個(gè)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的核心部件,主要管理數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)。OpenFlow交換接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后,首先查找流表,找到轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的匹配,并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。若找不到匹配表項(xiàng),則把報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給控制層,由控制器決定轉(zhuǎn)發(fā)行為?刂破魍ㄟ^OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議更新OpenFlow交換中的流表,從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量的集中管控。控制層通過對底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行資源抽象,為上層應(yīng)用提供全局的網(wǎng)絡(luò)抽象視圖,并由軟件實(shí)現(xiàn),擺脫硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)控制功能的捆綁。應(yīng)用層通過控制層提供的開放接口,對控制層提供的網(wǎng)絡(luò)抽象進(jìn)行編程,以操控各種流量模型和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)流量,使得應(yīng)用產(chǎn)生的流量對網(wǎng)絡(luò)感知,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化。
。樱模尉W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由ONF推動(dòng)。OpenFlow是開放網(wǎng)絡(luò)基金會為SDN研究體系標(biāo)準(zhǔn)化的第一個(gè)接口規(guī)范,目前該規(guī)范的定義已經(jīng)更新到1.3版本。1.0版本中報(bào)文匹配的流表項(xiàng)由固定的頭域構(gòu)成,無法被靈活擴(kuò)展,僅支持局域網(wǎng)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。1.1版本擴(kuò)充了對多流表、標(biāo)記和隧道(e.g.多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS)和多路徑流傳輸控制協(xié)議SCTP等的支持。
1.2版本擴(kuò)充了對IPv6基本協(xié)議的支持,并重新設(shè)計(jì)了流表報(bào)文匹配頭域結(jié)構(gòu)和抽象匹配后報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作為指令集,可實(shí)現(xiàn)報(bào)文任意字段的靈活匹配和更通用的報(bào)文處理動(dòng)作。1.3版本對交換和控制器間的能力協(xié)商描述格式進(jìn)行了重構(gòu),增加了對流的度量和對IPv6擴(kuò)展頭域的支持。
除了定義SDN體系架構(gòu)和OpenFlow技術(shù)規(guī)范外,為了實(shí)現(xiàn)對OpenFlow轉(zhuǎn)發(fā)面的遠(yuǎn)程配置,使得OpenFlow交換設(shè)備能夠接入SDN網(wǎng)絡(luò),同時(shí)完成需要人工干預(yù)的配置(如與控制器相連的IP地址、端口號和OpenFlow通道傳輸協(xié)議等),還定義了OpenFlow管理和配置協(xié)議(OFConfig),以便各廠商SDN交換設(shè)備遵行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)更好的互操作性。
2、OpenFlow/SDN研究現(xiàn)狀
2.1 學(xué)術(shù)研究團(tuán)體
OpenFlow技術(shù)起源于斯坦福大學(xué)CLEANSlate研究組關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全與管理的Ethane研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目試圖通過一個(gè)集中式的控制器,讓網(wǎng)絡(luò)操作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(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的安全控制。受此項(xiàng)目及前續(xù)項(xiàng)目Sane的啟發(fā),Casado和其導(dǎo)師McKeown教授將Ethane的設(shè)計(jì)更一般化,分離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面和路由控制面兩個(gè)功能模塊,通過集中式的控制器以標(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,提出了開放網(wǎng)絡(luò)的思想,于2008年在ACMSIGCOMM發(fā)表了題為OpenFlow:EnablingInnovationin CampusNetworks的論文,首次詳細(xì)地介紹了OpenFlow的概念。
目前,OpenFlow已經(jīng)在美國斯坦福大學(xué)、印第安納大學(xué)、Internet2、歐洲OFLEIA、日本JGN2plus、韓國NetOpen網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺以及其他的諸多科研機(jī)構(gòu)中部署。美國斯坦福大學(xué)展開了有關(guān)OpenFlow協(xié)議、控制器可伸縮性、監(jiān)測調(diào)試工具鏈、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、分組電路融合等方面的研究。國內(nèi)的清華大學(xué)和北京郵電大學(xué)也較早參與并跟進(jìn)OpenFlow使能的SDN相關(guān)技術(shù)研究,前者側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)源地址有效性驗(yàn)證、IPv6支持、網(wǎng)絡(luò)安全和無線嵌入式OpenFlow/MPLS技術(shù)等方面,后者側(cè)重于光網(wǎng)絡(luò)基于OpenFlow的統(tǒng)一控制面研究。
英國Essex大學(xué)提出了一種由光流、光流元素和可編程OpenFlow控制器使能的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有操作任何用戶定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和場景的能力,能夠提供智能的、用戶控制的和可編程的光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
上述學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)在參與SDN網(wǎng)絡(luò)研究過程中產(chǎn)生了一系列開源項(xiàng)目和軟件產(chǎn)品。若按照SDN分層思想來分,交換開源項(xiàng)目包括OpenvSwitch、OpenWRT、NetFPGANOX等,控制器開源項(xiàng)目包括NOX、FlowVisor、Maestro、Beacon、Trema,應(yīng)用包括ENVI、LAVI、nCasting,以及研究OpenFlow/SDN的配套工具鏈工具,如oftrace、oflops、openseer等。
2.2各大廠商
除學(xué)術(shù)研究團(tuán)體對SDN技術(shù)展開廣泛研究外,各大芯片廠商、因特網(wǎng)服務(wù)提供商、設(shè)備廠商、電信運(yùn)營商和創(chuàng)業(yè)公司對SDN技術(shù)跟進(jìn)、產(chǎn)品研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署均產(chǎn)生了濃厚興趣,并進(jìn)行了積極實(shí)踐。
目前,盡管有眾多的研究機(jī)構(gòu)部署實(shí)踐使能OpenFlow的SDN實(shí)驗(yàn)床,也有許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和IT服務(wù)商推出相應(yīng)的交換產(chǎn)品、控制器及SDN整套解決方案,但從SDN總體研究態(tài)勢來看,還屬于剛剛起步,如SDN體系架構(gòu)中的北向接口尚未被定義、南向接口的OpenFlow協(xié)議還在進(jìn)一步完成過程中;同時(shí),SDN網(wǎng)絡(luò)平臺可伸縮性、可靠性及支持OpenFlow流表的交換芯片等技術(shù)均處在探索過程中。再者,SDN把分散在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)集中編程,將網(wǎng)絡(luò)化繁為簡,在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)新和滿足IT定制化、自帶設(shè)備辦公、云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等新應(yīng)用趨勢方面帶來了許多新的思路,使其成為當(dāng)前最為熱門的網(wǎng)絡(luò)研究方向。
3、軟件定義網(wǎng)絡(luò)研究方向
3.1 SDN體系架構(gòu)及平臺設(shè)計(jì)
3.1.1 流抽象和流表設(shè)計(jì)
。樱模尉W(wǎng)絡(luò)底層的交換設(shè)備作為通用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)硬件,需要支持對各種數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā),除分組數(shù)據(jù)外,甚至還包括電路數(shù)據(jù),這要求對流進(jìn)行合理抽象。同時(shí),把數(shù)據(jù)通路抽象為流,在數(shù)據(jù)流非常大而用戶又期望能對每條流進(jìn)行精細(xì)化控制時(shí),要求交換硬件能夠提供足夠的流表空間,并可對流表靈活地增加、刪除、修改和匹配查找。由于OpenFlow對流表項(xiàng)的定義非常靈活,因此每個(gè)流表項(xiàng)占據(jù)的空間從104Byte擴(kuò)展到237Byte。盡管現(xiàn)有的硬件設(shè)備提供的內(nèi)存容量很大,但是由于內(nèi)存訪問的時(shí)延過長,為此多數(shù)交換設(shè)備的硬件流表都由TCAM存儲設(shè)備維護(hù),而它目前難以支持大容量的流表存儲,因此對交換芯片的大容量快速存取和流水線流表執(zhí)行的硬件設(shè)計(jì)與研究將會成為SDN網(wǎng)絡(luò)研究的重要方向之一。文獻(xiàn)提出了一種決策森林的算法,把流表空間劃分成多個(gè)子流表空間,每個(gè)子流表空間形成一棵決策樹,所有決策樹形成決策森林。在設(shè)計(jì)時(shí),不同決策樹之間通過流水線并發(fā)判斷執(zhí)行,最終以較低的存儲空間達(dá)到支持1024個(gè)靈活流表項(xiàng)64Byte小報(bào)文40Gbps的吞吐量。OpenFlowv1.1版本開始也把v1.0中的一張大流表劃分成多級流表,以便充分利用現(xiàn)有交換芯片存放MAC地址表、IP路由表、ACL表的多種存儲空間。但在實(shí)現(xiàn)低成本、大容量和高性能適配通用流的交換芯片方面依然存在許多難題。
。.1.2 SDN控制層與應(yīng)用層間API設(shè)計(jì)
。樱模慰刂茖訉Φ讓泳W(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行全局抽象,應(yīng)用通過控制器提供的開放接口進(jìn)行編程,最終實(shí)現(xiàn)可編程網(wǎng)絡(luò)以靈活操控網(wǎng)絡(luò)流量。因此,控制層的開放程度決定了為上層應(yīng)用提供的網(wǎng)絡(luò)資源豐富性及使用的靈活性。SDN控制層與應(yīng)用層之間API設(shè)計(jì)有賴于控制層和應(yīng)用層的功能邊界劃分?刂茖映俗鳛椋希穑澹睿疲欤铮鞣⻊(wù)端與底層OpenFlow交換通信,還需跟蹤基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源(鏈路、端口、交換、CPU利用率等資源)狀態(tài),并對上述資源進(jìn)行靈活抽象(如生成全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D),提供給應(yīng)用層;同時(shí)還要把應(yīng)用層下發(fā)的操控策略翻譯成OpenFlow流表更新給底層交換。受限于當(dāng)前SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的挖掘不足,北向接口API的提供形式、最小功能集和擴(kuò)展靈活性均未被定義,標(biāo)準(zhǔn)組織和學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)均還處在探索階段。
3.1.3 控制器可伸縮性、可靠性
除了OpenFlow交換對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力產(chǎn)生影響外,為SDN網(wǎng)絡(luò)中所有OpenFlow交換產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的集中式控制器可伸縮性對網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能更是起著決定作用。盡管它被稱為慢速路徑(slow-path),但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定規(guī);蛴脩舨l(fā)訪問突然增加時(shí),控制器若無法對大量OpenFlow交換的并發(fā)請求及時(shí)響應(yīng),就會導(dǎo)致OpenFlow交換無法對大量達(dá)到的報(bào)文根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸。因此,控制器可伸縮性不僅決定著SDN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小,也決定了SDN網(wǎng)絡(luò)能否被大規(guī)模商用。同時(shí),控制器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制核心,其自身可靠性將決定SDN網(wǎng)絡(luò)是否可用。當(dāng)控制器遇到硬件故障或軟件Bug時(shí),由于無法為新流產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)給OpenFlow交換設(shè)備,容易造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的中斷。因此,相對于傳統(tǒng)NonSDN網(wǎng)絡(luò)中控制功能在各個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的分布式部署,SDN網(wǎng)絡(luò)集中式控制器的可靠性對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響更大。
若對控制器采用單點(diǎn)部署,SDN網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性將難以得到保障。借鑒傳統(tǒng)服務(wù)器集群技術(shù)提高控制器可伸縮性和可靠性是一種很好的研究思路。文獻(xiàn)對此展開了研究,得出以下結(jié)論:控制器利用服務(wù)器硬件的快速發(fā)展趨勢,相比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面的芯片能力具有更大的計(jì)算能力;單臺服務(wù)器就可以勝任超過1000臺交換的控制面計(jì)算能力;若采用主備方式部署控制器,則存在控制器主備角色切換問題和故障恢復(fù)問題;若采用集群方式部署控制器,則交換請求如何在集群內(nèi)的每個(gè)控制器之間負(fù)載均衡,同時(shí)控制器間的協(xié)同工作、拓?fù)浼盃顟B(tài)共享等都是很大的難題。文獻(xiàn)提出了一種分布式控制面的思想:在一個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)控制器,每個(gè)控制器直接管理與之直連的OpenFlow交換,通過編程或查詢的方式間接管理非直連OpenFlow交換,且不同OpenFlow控制器之間相互共享整網(wǎng)視圖及資源狀態(tài),最終達(dá)到滿足任務(wù)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的低延遲和可伸縮性需求。但是,在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署中,控制器的數(shù)量及位置部署直接決定了網(wǎng)絡(luò)成本效率,同時(shí)如何對交換設(shè)備的控制面歸屬劃分優(yōu)化也是難點(diǎn),控制器對間接節(jié)點(diǎn)及鏈路狀態(tài)的管理一致性保持要求也很高。
3.1.4 新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
。樱模渭軜(gòu)中真正使能網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的是應(yīng)用層。適配各種新的網(wǎng)絡(luò)流量模型和應(yīng)用的整網(wǎng)規(guī)劃最終都落在SDN應(yīng)用層。應(yīng)用層通過控制層提供的網(wǎng)絡(luò)抽象視圖,針對其關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活編程,對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行靈活操控。目前,在應(yīng)用層進(jìn)行新應(yīng)用開發(fā)的實(shí)踐研究包括網(wǎng)絡(luò)接入控制、虛擬路由、控制器透明代理、Web策略管理器、測試工具、網(wǎng)絡(luò)可視化、利用OpenFlow實(shí)現(xiàn)的IaaS平臺、使能跨云平臺的安全框架等。文獻(xiàn)在節(jié)約數(shù)據(jù)中心能耗方面提出了彈性樹的概念,其基本思想是利用OpenFlow/SDN提供的整網(wǎng)視圖和流量靈活操控的優(yōu)勢,通過鏈路狀態(tài)自適應(yīng)、遷移聚集少數(shù)流量的流至較少的鏈路、交換和服務(wù)器節(jié)點(diǎn),最終切斷沒有流量的鏈路和交換,以達(dá)到節(jié)約能耗的目的。文獻(xiàn)利用流量可在OpenFlow交換間自由遷移的特點(diǎn),通過周期性監(jiān)測OpenFlow交換節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器當(dāng)前負(fù)載,構(gòu)建了分布式、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)配置和靈活的負(fù)載均衡器,最終實(shí)現(xiàn)了全局最小化平均服務(wù)請求延遲的目標(biāo)。
。.1.5。樱模魏停危铮-SDN網(wǎng)絡(luò)互通
SDN作為一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),必須考慮實(shí)際部署過程中與傳統(tǒng)NonSDN網(wǎng)絡(luò)共存的問題。若是由全OpenFlow交換組建的SDN網(wǎng)絡(luò),則可以抽象為單臺交換或路由設(shè)備;但當(dāng)OpenFlow交換網(wǎng)絡(luò)中間連接有傳統(tǒng)交換或路由設(shè)備時(shí),控制器就無法跨越傳統(tǒng)Non-SDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;蛘弋(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在多個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)傳統(tǒng)NonSDN網(wǎng)絡(luò)時(shí),若SDN控制器之間想要進(jìn)行協(xié)同工作分配一條帶QoS保證的鏈路,就會遇到SDN網(wǎng)絡(luò)和Non-SDN網(wǎng)絡(luò)共存的問題。已有研究多數(shù)采用多層封裝和隧道技術(shù)來解決,但在SDN上層業(yè)務(wù)應(yīng)用確定之前,如何界定SDN與Non-SDN的網(wǎng)絡(luò)邊界也是一個(gè)值得深究的問題。
3.2 網(wǎng)絡(luò)管理
傳統(tǒng)交換/路由設(shè)備的管理通過網(wǎng)絡(luò)管理員直接操控每臺設(shè)備的命令行接口,或通過SNMP協(xié)議提供的Web管理頁面完成。配置時(shí)各個(gè)廠商的登錄方式和命令語義不兼容,而且由于控制命令暴露了過多的技術(shù)細(xì)節(jié),對網(wǎng)絡(luò)管理員掌握相關(guān)網(wǎng)絡(luò)知識有非常大的挑戰(zhàn),而且還很容易出錯(cuò)。為此,提出SDN的另一個(gè)主要目的就是簡化網(wǎng)絡(luò)管理。
3.2.1 網(wǎng)絡(luò)管理自動(dòng)化
事實(shí)上,SDN把控制面從各個(gè)離散的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中剝離出來,由控制器提供底層網(wǎng)絡(luò)的全局視圖,用戶通過對網(wǎng)絡(luò)抽象視圖靈活編程即可操控管控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量。同時(shí),控制器又以API形式為上層應(yīng)用提供開放編程接口。若把這些網(wǎng)絡(luò)控制功能與其他的IT資源(虛擬/物理服務(wù)器、應(yīng)用軟件)編排在一起,則可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理。因此,文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了新的網(wǎng)絡(luò)編程語言和配置腳本,實(shí)現(xiàn)對SDN網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理;文獻(xiàn)研究了如何在與云控制器集成中給出統(tǒng)一的云編排系統(tǒng)實(shí)踐方案,如圖3所示。
3.2.2統(tǒng)一控制的光網(wǎng)絡(luò)互連
光網(wǎng)絡(luò)作為下一代網(wǎng)的物理基礎(chǔ),承載著超過80%的信息傳輸,但現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)存在靈活性不夠和可擴(kuò)展性不足、IP承載層與傳送光層獨(dú)立發(fā)展的現(xiàn)象,難以適應(yīng)業(yè)務(wù)多樣性和時(shí)變性,滿足多層多域光網(wǎng)絡(luò)本身存在的體系可擴(kuò)展性。若能實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管控,不僅有利于簡化網(wǎng)絡(luò)管理,而且能提高網(wǎng)絡(luò)敏捷性和降低投資與運(yùn)營成本,F(xiàn)有的智能光網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)是基于GMPLS(generalmultiprotocollabelswitch,通用多協(xié)議標(biāo)簽交換)和PCE(pathcomputationelement,路徑計(jì)算單元)的。但無論是GMPLS還是PCE/GMPLS架構(gòu),在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制時(shí),由于缺少映射抽象變得過于復(fù)雜,想要實(shí)現(xiàn)多域多層網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管控非常困難。文獻(xiàn)研究了融合OpenFlow和PCE架構(gòu)的波長交換光網(wǎng)絡(luò),文獻(xiàn)研究了從GMPLS到PCEGMPLS再到OpenFlow,構(gòu)建業(yè)務(wù)感知的光網(wǎng)絡(luò)控制面。文獻(xiàn)提出了一種使用OpenFlow構(gòu)建統(tǒng)一控制面的思想,因?yàn)楦鶕?jù)SDN數(shù)據(jù)面的抽象觀點(diǎn),分組和電路均可被看做流,可抽象兩者的數(shù)據(jù)交換呈現(xiàn)給外部作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的軟件控制器,所有網(wǎng)絡(luò)控制邏輯(如路由、流量工程和BoD等)由統(tǒng)一OpenFlow方法控制。
3.2.3 多無線網(wǎng)絡(luò)間的平滑切換
人們身邊不乏各種無線接入信號,許多移動(dòng)設(shè)備支持的接入技術(shù)也有多種選擇,如WiFi、WiMax、3G/4GLTE等,但是在信號較弱或者人群擁擠的地方,依然經(jīng)常出現(xiàn)斷連、傳輸錯(cuò)誤或信道資源不足的現(xiàn)象。由于上述無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)在當(dāng)前部署環(huán)境中都是獨(dú)立工作的,用戶設(shè)備支持的多種無線鏈路也是分離的,若能借鑒SDN對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)行為的集中控制,使得數(shù)據(jù)能夠在多條不同的鏈路通道中實(shí)時(shí)切換,那對于豐富各種應(yīng)用的信道數(shù)量和帶寬資源是非常有益的。
文獻(xiàn)對支持WiFi和WiMax的無線環(huán)境中的無線鏈路實(shí)時(shí)切換技術(shù)進(jìn)行了研究,其研究結(jié)果表明,使能OpenFlow可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備在多種不同無線鏈路之間的無縫切換,同時(shí)在單個(gè)傳輸通道信號不足或出現(xiàn)較為嚴(yán)重的丟包情況下,可以通過多條相同鏈路實(shí)現(xiàn)對單條流數(shù)據(jù)的復(fù)制傳輸,以提升無線鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力。在其實(shí)時(shí)多播和單播視頻演示中,可提升用戶觀看視頻的流暢性和清晰度,進(jìn)而提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量。
3.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化
隨著服務(wù)器、桌面、應(yīng)用、存儲等虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)虛擬化成為云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展的迫切需求。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的目的是為了在共享的同一物理網(wǎng)絡(luò)資源上劃出邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),以滿足多租戶、流量隔離和邏輯網(wǎng)絡(luò)自由管控的應(yīng)用趨勢。成熟的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)就是一種典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù),但它最多能夠劃出4096個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò),在一個(gè)擁有成千上萬臺物理服務(wù)器主機(jī)、同時(shí)每個(gè)物理服務(wù)器上運(yùn)行十幾個(gè)虛擬機(jī)的大二層網(wǎng)絡(luò)上是難以滿足需求的。盡管業(yè)界針對此種應(yīng)用需求提出了VXLAN(virtualextensiblelocalareanetwork,虛擬可擴(kuò)展局域網(wǎng))和NVGRE(networkvirtualizationusinggeneralrouteencapsulation,網(wǎng)絡(luò)虛擬化使用通用路由封裝)等隧道封裝的虛擬化技術(shù)手段,但由于其復(fù)雜性、低效性和兼容性問題,使得推廣和應(yīng)用起來非常困難。
。樱模尉W(wǎng)絡(luò)對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施進(jìn)行整網(wǎng)抽象,應(yīng)用層只會看到控制器抽象過的全局或局部網(wǎng)絡(luò)視圖,為網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)提供了天然優(yōu)勢。若把SDN網(wǎng)絡(luò)類比為主機(jī)服務(wù)器,則基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施即為服務(wù)器硬件資源,控制器即為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(networkoperatingsystem,NOS),SDN應(yīng)用即為主機(jī)應(yīng)用程序,網(wǎng)絡(luò)虛擬化既可以在NOS之下設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)超級管理者(networkhypervisor)實(shí)現(xiàn),也可以在控制器上增加虛擬抽象層實(shí)現(xiàn)。開源項(xiàng)目FlowVisor從NetworkHypervisor角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化,通過劃分流表空間產(chǎn)生獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)分片。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)分片上的網(wǎng)絡(luò)流量是相互隔離的,用戶可在各個(gè)分片上進(jìn)行互不干擾的各種流量模型和協(xié)議創(chuàng)新等實(shí)驗(yàn)研究,F(xiàn)在FlowVisor已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺上,并在全球OpennetSummit(開放網(wǎng)絡(luò)峰會)上為各種SDN創(chuàng)新應(yīng)用提供了共享同一套物理網(wǎng)絡(luò)資源的演示環(huán)境,如圖4所示。
文獻(xiàn)認(rèn)為FlowVisor?qū)μ摂M化網(wǎng)絡(luò)支持得不夠,因?yàn)樗鼊澇龅木W(wǎng)絡(luò)分片限制于物理拓?fù)涞淖蛹瑸榇颂岢隽烁倪M(jìn)版ADVisor(advancedflowvisor),以保證分片之間流量不會相互干擾的情況下又能共享無法共享的流表空間。文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了基于FlowVisor的網(wǎng)絡(luò)虛擬化,并對FlowVisor進(jìn)行了增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了管理控制和最小帶寬保證模式,并測試了傳輸帶QoS保證視頻流時(shí)的性能。
在控制器上增加虛擬抽象層實(shí)現(xiàn),有利于SDN應(yīng)用層只看到整網(wǎng)視圖的局部,并提供更加抽象的網(wǎng)絡(luò)資源描述,實(shí)現(xiàn)更加靈活的編程。例如,應(yīng)用層可以通過針對標(biāo)志的高層編程把用戶劃分到不同的組,并為每個(gè)組定制服務(wù)質(zhì)量和安全策略;網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員只需看到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼案鳁l鏈路的流量分布,就可以判斷出網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸和流量是否正常。
從當(dāng)前研究進(jìn)展來看,人們已經(jīng)利用SDN網(wǎng)絡(luò)虛擬化優(yōu)勢在解決云計(jì)算/數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中存在的IP地址重疊、跨子網(wǎng)虛擬機(jī)遷移、跨數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)遷移困難、STP/MSTP收斂速度慢、環(huán)路鏈路資源浪費(fèi)、無法為多租戶提供等截面帶寬等問題展開了廣泛的研究和實(shí)踐。
3.4 QoS保證
。桑蟹纸M網(wǎng)絡(luò)存在的QoS無法保證問題是與生俱來的。因?yàn)樗鼜脑O(shè)計(jì)開始就強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性,是根據(jù)目的IP地址逐跳路由轉(zhuǎn)發(fā)的,所以與電路交換網(wǎng)絡(luò)提供可靠連接的方法不同,無法提前為端到端提供QoS帶寬資源預(yù)留。盡管后來IETF組織提出了基于資源預(yù)留協(xié)議RSVP的集成服務(wù)InterServ和通過IP頭部的ToS(typeofservice,服務(wù)類型)字段實(shí)現(xiàn)的差分服務(wù)DiffServ,但由于需要更新整網(wǎng)交換/路由設(shè)備,同時(shí)還要管理員手工操作,使得上述兩種技術(shù)均難以被推廣部署。盡管人們在QoS保證方面進(jìn)行了許多努力,但多數(shù)方案是通過隔離網(wǎng)絡(luò)方式或過多提供網(wǎng)絡(luò)資源來解決,這就造成了管理復(fù)雜和成本的增加。SDN網(wǎng)絡(luò)由于可以通過對控制器編程自由操控流量,對整網(wǎng)QoS規(guī)劃自然有先天優(yōu)勢,于是借鑒SDN解耦控制與轉(zhuǎn)發(fā)和對網(wǎng)絡(luò)集中式管控的思想提供QoS保證的也成為一個(gè)重要的方向。文獻(xiàn)描述了一種OpenFlow/SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中支持QoS流的體系結(jié)構(gòu),經(jīng)過對可伸縮編碼視頻的基本層和增強(qiáng)層碼流進(jìn)行區(qū)分路由(前者要求沒有任何錯(cuò)誤由保證QoS的通道路由,后者可錯(cuò)誤恢復(fù)由“盡力而為”通道路由)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況時(shí)通過動(dòng)態(tài)重路由需要保證QoS的基本層碼流,使得視頻整體信噪比得到了重要的改善,證明了SDN網(wǎng)絡(luò)對流量操控的靈活性和提供有QoS保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道的可行性。文獻(xiàn)對OpenFlow擴(kuò)展了一組新的QoSAPIs,提出了一種精細(xì)化自動(dòng)滿足QoS需求的QoS控制器,該控制器能夠創(chuàng)建不同網(wǎng)絡(luò)分片以適配不同流量模型的應(yīng)用,而每個(gè)分片的QoS需求可通過上層編寫分片規(guī)范來描述QoS需求(如最大帶寬、延遲等),最終通過QoS控制器轉(zhuǎn)換為OpenFlow流表規(guī)則,以實(shí)現(xiàn)對底層交換的自動(dòng)化配置。
4、結(jié)束語
。樱模问且环N新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),屬于下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究范疇,但又與其他下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究方向有很大區(qū)別:既可繼承現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù),也可不依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獨(dú)立發(fā)展;既順從當(dāng)前新的應(yīng)用趨勢,也符合控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離的思想,目的是對現(xiàn)有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制面進(jìn)行抽象簡化,使能控制面獨(dú)立創(chuàng)新發(fā)展,使得網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用可編程。由于SDN技術(shù)剛剛提出,目前依然還存在許多新的技術(shù)問題需要解決,如分離轉(zhuǎn)發(fā)和控制面的OpenFlow協(xié)議的完善、上層應(yīng)用與控制器間開放接口的定義及標(biāo)準(zhǔn)化、適配統(tǒng)一流表的轉(zhuǎn)發(fā)芯片設(shè)計(jì)、控制器可伸縮性及可靠性等。但它對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制面進(jìn)行抽象簡化的革新思想?yún)s啟發(fā)了眾多網(wǎng)絡(luò)研究者,他們借鑒SDN思想對傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線/有線接入網(wǎng)絡(luò)、光互連網(wǎng)絡(luò)、分組/電路融合網(wǎng)絡(luò)等在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)一管控等諸多方面展開了廣泛研究。本文對SDN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向進(jìn)行了分析總結(jié),希望對后續(xù)從事SDN技術(shù)的研究人員有一定的啟示作用。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:軟件定義網(wǎng)絡(luò)研究綜述
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