軟件定義網絡(SDN)的國內外研究與發(fā)展現狀

1、2015-2016年寬帶通信網絡課程綜述報告題目：軟件定義網絡（SDN）的國內外研究與發(fā)展現狀一、 背景Software Defined Networking是Kate Greene 創(chuàng)造的一個詞，在大約2009年提出的。它是指網絡的控制平面與實際的物理上的拓撲結構互相分離。這種分離可以使控制平面用一種不同的方式實現，比如分布式的實現方式；另外，它還可以改變控制平面的運行環(huán)境，比如不再運行在傳統(tǒng)交換機上的那種低功耗CPU上。所以SDN的關鍵所在就是控制層與網絡數據層是分離的，并不是傳統(tǒng)的嵌入關系。并且這種關系在物理實現上也是分離的，這意味著控制層與網絡數據在不同的服務器與路由器上操作

2、。而連接兩者的“協(xié)議”就是OpenFlow，OpenFlow的要點就是相當于給路由器安裝一個小軟件OpenFlow（后文詳細論述），然后研究人員就可以很容易的改變路由器的路由規(guī)則等等，從而改善網絡質量。而且這是看似沒有新意的主意最大的新意就是大大開放了接口權限，所以面向眾很廣，門檻也比較低。近年來，伴隨著云計算、大數據的迅速興起，人們對數據業(yè)務的流量要求越來越大。而相比于互聯網日新月異，不斷創(chuàng)新多變的應用層，網絡層的發(fā)展卻越來越跟不上步伐，顯得愈發(fā)死板不夠兼容靈活。而網絡層日益落伍的根源則是控制網絡運行的軟件都是內嵌入路由器或是交換機中，并且交換器或是路由的軟件操作標準又是不太一致的，所以就造

3、成了路由器/交換機的復雜度大大提高，造成了很大的流量阻塞和資源浪費。所以SDN的作用不是由嵌入到路由器和交換機內部的軟件來控制網絡流量，而是來自設備外部的軟件接手了這部分的工作。網絡布局，或者說網絡的形態(tài)分布，不再是植入在物理端。它將對實時的系統(tǒng)需求非常靈活且可調節(jié)。如果SDN實行得當的話，這意味著一個運行在云端自身內部的應用程序可以接管引導網絡流量的任務。或者說一個第三方云端管理應用程序將能夠完成這項任務。這樣可以簡化許多工作，諸如跨服務器裝載平衡設備，以及自動地調節(jié)網絡構造來適時給出最快最高效的數據路徑。二、 文獻引述文獻1主要重在介紹討論了SDN在數據層、控制層以及應用層的一些關鍵技術，

4、并從SDN的誕生背景引入，詳細說明了SDN的發(fā)展歷程。在文獻1中在SDN的層次結構中，文章重點針對了其中的一致性、可用性以及容錯性進行分析，并結合SDN的一些熱門特性探討未來的發(fā)展之路和新的潛力點。文獻2是一篇研究綜述，主要闡述了SDN中的關鍵技術OpenFlow。并詳細介紹了基于OpenFlow平臺的SDN網絡結構中的一些關鍵實現點和熱門方向。并探究了 SDN 技術在網絡管理自動化、光網絡傳輸與IP承載的統(tǒng)一控制、無線網絡的平滑切換、網絡虛擬化和QoS保證等方向的應用。并在SDN應用的一些領域指出了尚待解決的問題和技術難點。文獻3全面的介紹了基于OpenFlow平臺的SDN技術，并且大致講解

5、了其發(fā)展的現狀。SDN技術的核心思想就是簡化網絡運行流程，降低網絡路由交換各方面的復雜度從而達到減少網絡運行負擔的目標。而簡化網絡運行復雜度的最主要思路就是將控制層與數據層分離操作，由第三方軟件根據網絡狀況、用戶需求進行實時調整規(guī)劃，大大減少了運行時效和成本。該文就從數據層與控制層分離的技術背景入手?？偨Y了邏輯控制和數據轉發(fā)分離架構的研究背景并介紹了其關鍵組件和研究進展包括Open Flow交換機、控制器和 SDN技術然后從4個方面分析了基于Open Flow的SDN 技術目前所面臨的問題和解決思路結合近年來的發(fā)展現狀歸納了在校園網、數據中心以及面向網絡管理和網絡安全方面的應用最后探討了未來的

6、研究趨勢。三、 文獻分析SDN作為簡化網絡規(guī)則流程的新熱門技術，它的成熟與否與數據層和控制層能否有效完美的分離息息相關。文獻1中就主要介紹了數據層與控制層分離之后所展現的關鍵熱門技術。在SDN中交換機將繁重的控制規(guī)則和策略都統(tǒng)統(tǒng)交給物理控制層，所以交換機主要負責將控制器下達的命令實現。所以這就大大化簡了繁重冗雜的轉發(fā)流程。所以數據層將任務分離之后就顯得相對輕松，而其主要的技術問題就集中在路由器設計和轉發(fā)規(guī)則算法優(yōu)化這兩個方面。交換機處于數據層當中，主要負責數據包的轉發(fā)傳送，在交換機的設計當中，主要有硬件和軟件轉發(fā)兩種方式。這兩種方式各有利弊，硬件支撐的方式具有速度快、成本低和功耗小等優(yōu)點。并且

7、交換機CPU的的處理速度比 CPU 處理速度快兩個數量級,比網絡處理器(network processor,簡稱 NP)快一個數量級。但是硬件轉發(fā)雖然效率高，但是相比于軟件轉發(fā)方式則顯得不夠靈活機動。所以如何設計出極具有轉發(fā)效率又具備轉發(fā)規(guī)則靈活機動的交換機是現在的主要熱門點。針對這兩個方針，Bosshart 等人針對數據平面轉發(fā)提出了RMT模型（如圖1所示）該模型實現了一個可重新配置的匹配表,它允許在流水線(pipeline)階段支持任意寬度和深度的流表，重新配置的數據層涉及 4 個方面: 允許隨意替換或增加域定義;允許指定流表的數量、拓撲、寬度和深度,僅僅受限于芯片的整體資源(如芯片內存大

8、小等);允許創(chuàng)建新動作;可以隨意將數據包放到不同的隊列中,并指定發(fā)送端口。 圖1 RMT模型除了提出的RMT模型，還有另外一種能讓使硬件相對實現靈活轉發(fā)能力的技術：Flow Adapter。它主要運用了互聯網分層處理問題的思想，將路由器的功能面也進行了分層處理。該技術將交換機分為三層上層是可以實時匹配更新的軟件層面，底層則是相對固定的硬件處理中心，所以很容易就能猜到中層是連接兩個業(yè)務層的紐帶。中層將上層軟件層下達的轉發(fā)規(guī)則和命令傳輸給底層硬件層執(zhí)行，所以就兼顧了硬件轉發(fā)效率高和軟件操作轉發(fā)靈活的優(yōu)勢。在控制層主要的依賴器件就是控制器，控制器在整個網絡中面向用戶和開發(fā)人員，可以使用戶能便捷迅速的

9、管理網絡和進行數據轉發(fā)收集，保證了系統(tǒng)的安全性和性能的提升。文獻1主要介紹了兩種改進控制器的方法：一種是采用多線程的控制模式,另一種是通過增加分布式控制器數量,實現扁平式和層次式控制模式。然后介紹了主流接口語言的研究發(fā)展,實現控制語言抽象。最后,深入分析了控制器的一致性、可用性和容錯性等特性。 文獻2和文獻3的主要著重點是論述介紹了實現SDN該技術所要具備的主體技術構成。談到SDN就一定會提起OpenFlow技術，這個概念最早是由斯坦福大學 Clean Slate 研究組關于網絡安全與管理的 Ethane 項目。OpenFlow協(xié)議現在已經發(fā)展成最主要的SDN數據控制層協(xié)議?；贠penFlo

10、w的交換機主要是有三部分組成：流表、安全信道以及OpenFlow協(xié)議。涉及SDN南向接口的OpenFlow技術協(xié)議仍在不斷完善中。因為基于OpenFlow的網絡具有可編程的特性，所以人們將SDN于OpenFlow相結合。在SDN的框架中OpenFlow協(xié)議的主要作用是連接數據層與控制層。在SDN框架圖（圖2所示）中，基礎設施層、控制層與應用層的分工很明確，OpenFlow的南向接口作用也很清晰。中間的控制層集中維護網絡狀態(tài),并通過南向接口(控制和數據平面接口,如Open Flow)獲取底層基礎設施信息,同時為應用層提供可擴展的北向接口。目前,ONF 仍在制定和完善南向接口Open Flow 協(xié)

11、議,面向應用的可編程北向接口仍處在需求討論階段。應用層根據網絡不同的應用需求,調用控制層的北向接口,實現不同功能的應用程序。通過這種軟件模式,網絡管理者能夠通過動態(tài)的 SDN應用程序來配置、管理和優(yōu)化底層的網絡資源,從而實現靈活、可控的網絡,這也是 SDN 開放性和可編程性最重要的體現。 圖2 SDN框架同時文獻2-3在預測SDN熱門發(fā)展方向的同時也指出了一些尚未解決的技術或是市場問題。文獻3提出了幾點基于OpenFlow協(xié)議的SDN技術問題，比如SDN轉發(fā)平面的設計問題、控制平面的可擴展問題等等。這都是SDN技術需要完善和改進的技術難點。四、 文獻評述文獻1-3各有著重的介紹和論述一些與SD

12、N相關的技術和問題。文獻1從總的視角介紹了SDN技術的大致結構框圖，從SDN的概念誕生的背景入手，再詳細介紹了SDN的體系結構，從數據層、控制層和應用層一次展開綜述介紹，并結合關鍵的結構層分析其主要特性和性能指標。最后在原有基礎上對SDN技術進行評價和預測。所以該文獻的結構很清晰，有條不紊的向讀者介紹SDN技術從誕生到興起的原因，并且在總的理論框架上總結分類了SDN技術的特點和結構。文獻2-3的內容有不同程度的疊加，主要都是對SDN技術中最為熱門的OpenFlow協(xié)議進行介紹論述。將OpenFlow協(xié)議的發(fā)展現狀、與SDN的結合構架、以及存在的技術難關都依次詳細論述。同時在文獻3中作者結合了大

13、量的結構理論圖，細化了OpenFlow協(xié)議小到與交換機大到結構層之間的聯系與其發(fā)揮的作用，并且將SDN技術與當今現實熱門科技需求相結合介紹。五、 結論從SDN概念被提出到成為當今最具熱門的網絡技術之一的這幾年中，SDN技術得到了很多制造商和運營商的認可和推崇，SDN讓網絡運作簡化的思想是當今龐雜的網絡平臺所要共同認可的，SDN將數據層與控制層相分離并在最上層鋪設應用，方便開發(fā)者和用戶自主實時的控制網絡的轉發(fā)規(guī)則。這將大大減少網絡系統(tǒng)的復雜度和交換轉發(fā)的負擔，使各個接口相兼容統(tǒng)一極大地方便了用戶和管理者。不過SDN技術也面臨了很多棘手的問題，需要社會各方的協(xié)調和努力。比如SDN在發(fā)展過程中的廠商鎖定問題、網絡投資占比過低、功能齊備性能堪憂等等一