軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN專題技術(shù)報告

1、 Defined Network背景1SDN體系架構(gòu)2SDN特征3 3SDN關(guān)鍵技術(shù)4 4SDN應(yīng)用和未來方向5背景 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機、路由器）的固件是由設(shè)備制造商鎖定和控制，所以大家希望將網(wǎng)絡(luò)控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓撲分離，從而擺脫硬件對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制。這樣企業(yè)便可以像升級、安裝軟件一樣對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行修改，滿足企業(yè)對整個網(wǎng)站架構(gòu)進行調(diào)整、擴容或升級。而底層的交換機、路由器等硬件則無需替換，節(jié)省大量的成本的同時，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)迭代周期將大大縮短。什么是SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network, SDN ），是由美國斯坦福大學(xué)clean slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新

2、架構(gòu)，核心理念是，希望應(yīng)用軟件可以參與對網(wǎng)絡(luò)的控制管理，滿足上層業(yè)務(wù)需求，通過自動化業(yè)務(wù)部署簡化網(wǎng)絡(luò)運維。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被分拆成應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離的架構(gòu)?？刂乒δ鼙晦D(zhuǎn)移到了服務(wù)器，上層應(yīng)用、底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施被抽象成多個邏輯實體。如果說現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是功能機，系統(tǒng)和硬件出廠時就被捆綁在一起，那么SDN 就是 Android系統(tǒng)，可以在很多智能手機上安裝、升級，同時還能安裝更多更強大的手機 App（SDN 應(yīng)用層部署）。應(yīng)用層控制層基礎(chǔ)設(shè)施層上層應(yīng)用SDN控制軟件網(wǎng)路服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備APIAPIAPI控制數(shù)據(jù)平面口（例如OpenFlow）SDN體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)

3、絡(luò)虛擬化可編程接口控制轉(zhuǎn)發(fā)分離SDN特征控制平面（CP）轉(zhuǎn)發(fā)平面（DP）CPCPDPDPCPDPCPDPCPDPCPDPCPCPDPDPCPCPDPDPCPDPCPDPCPDPCPDPCPCPDPDP 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的CP與DP 不分離； 設(shè)備之間通過控制協(xié)議交互轉(zhuǎn)發(fā)信息； SDN 將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面集中上收到Controller; 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上只保留轉(zhuǎn)發(fā)平面（轉(zhuǎn)發(fā)表項）； 軟件可以實現(xiàn)靈活的控制面功能滿足用戶多元化需求 硬件成為簡單啞資源，專注轉(zhuǎn)發(fā)；Controller 工作原理：基于物理端口轉(zhuǎn)發(fā) 策略： FloodHub 工作原理：基于MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā) 策略： STP+MAC地址學(xué)習(xí)L2Sw

4、itch 工作原理：基于路由表轉(zhuǎn)發(fā) 策略：靜態(tài)路由+動態(tài)路由協(xié)議Router被抽象出的網(wǎng)絡(luò)物理網(wǎng)絡(luò)/FabricUnderlay網(wǎng)絡(luò) 通過Controller實現(xiàn)了對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的抽象； 應(yīng)用程序看到的是Controller提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用程序的視角ControllerSDN實現(xiàn)方式SDN的核心技術(shù)：OpenFlowFlow Table：Flow Table 里面的每個條目都會與一個動作相關(guān)聯(lián)，來告訴網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備來如何處理與這個條目相關(guān)聯(lián)的 data Flow；Secure Channel：用于連接網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和遠程網(wǎng)絡(luò)控制器，在控制器和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備之間互相發(fā)送命令和數(shù)據(jù)包；OpenFlow

5、 Protocol：提供一個開放標準統(tǒng)一的接口，使得控制器和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備之間可以相互通信Sep, 2012OF 1.3.1 增強版本協(xié)商能力OF 1.3重構(gòu)了能力協(xié)商PBBIPv6擴展頭多ControllerPer flow meterApril, 2012OF 1.2 IPv6Dec, 2011OF 1.1多表MPLS、VLANgroupECMPFeb, 2011OF 1.0功能：功能： 單表 IPv4Dec, 2009OpenFlow的標準化組織Open Network Foundation，即開放式網(wǎng)絡(luò)基金會。ONF是非盈利的組織機構(gòu)，致力于創(chuàng)新和發(fā)展新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN

6、）。-ONF成立一年，有超過80家國內(nèi)外公司加入到ONF的商業(yè)化推廣和使用SDN技術(shù)的推廣。-國內(nèi)企業(yè)包括：華為、中興、騰訊、盛科、華三等。18OpenFlowv1.0之流表結(jié)構(gòu)流表是OpenFlow對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的抽象表項包括了網(wǎng)絡(luò)中各個層次的網(wǎng)絡(luò)配置信息包頭域：用于對交換機接收到的數(shù)據(jù)包的包頭內(nèi)容進行匹配計數(shù)器：用于統(tǒng)計數(shù)據(jù)流量相關(guān)信息，可以針對交換機中的每張流表、每個數(shù)據(jù)流、每個設(shè)備端口、每個轉(zhuǎn)發(fā)隊列進行維護動作（action）：用于指示交換機在收到匹配數(shù)據(jù)包后如何對其進行處理包頭域包頭域計數(shù)器計數(shù)器動作動作 用于匹配交換機接收到的數(shù)據(jù)包的包頭內(nèi)容，用于匹配交換機接收到的數(shù)據(jù)包

7、的包頭內(nèi)容，OpenFlow 1.0包頭域包含包頭域包含12個個元組（元組（tuple） 涵蓋ISO網(wǎng)絡(luò)模型中第二至第四層的網(wǎng)絡(luò)配置信息 每一個元組中的數(shù)值可以是一個確定的值或者是“ANY OpenFlow 1.1及后續(xù)版本將及后續(xù)版本將“包頭域包頭域”更名為更名為“匹配域匹配域OpenFlowv1.0之包頭域入端口入端口源源MAC地址地址目的目的MAC地地址址以太網(wǎng)以太網(wǎng)類型類型VLAN IDVLAN優(yōu)先級優(yōu)先級源源IP地地址址目的目的IP地址地址IP協(xié)協(xié)議議IPTOS位位TCP/UDP源端口源端口TCP/UDP目的端目的端口口IngressPortEtherSourceEtherDesEt

8、herTypeVLANIDVLANPriorityIPSourceIPDesIPProtoIP TOSbitsTCP/UDP SRC PortTCP/UDP SRC PortOpenFlow1.0之流表計數(shù)器針對交換機中的每張流表、每個數(shù)據(jù)流、每個設(shè)備端口、每個轉(zhuǎn)發(fā)隊列進行維護，用于統(tǒng)計數(shù)據(jù)流量的相關(guān)信息 針對每張流表，統(tǒng)計當前活動的表項數(shù)、數(shù)據(jù)包查詢次數(shù)、數(shù) 據(jù)包匹配次數(shù)等 針對每個數(shù)據(jù)流，統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)流持 續(xù)時間等 針對每個設(shè)備端口，除統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)、 接收字節(jié)數(shù)、發(fā)送字節(jié)數(shù)等指標之外，還可以對各種錯誤發(fā)生的次數(shù)進行統(tǒng)計 針對每個隊列，統(tǒng)計發(fā)送的數(shù)

9、據(jù)包數(shù)和字節(jié)數(shù)，還有發(fā)送時的溢出（Overrun）錯誤次數(shù)等OpenFlow1.0之流表動作列表動作名稱動作名稱說明說明轉(zhuǎn)發(fā)（Forward） ALL：將數(shù)據(jù)包從除入端口以外其他所有端口發(fā)出 CONTROLLER：將數(shù)據(jù)包發(fā)送給控制器 LOCAL：將數(shù)據(jù)包發(fā)送給交換機本地端口 TABLE：將數(shù)據(jù)包按照流表匹配條目處理 IN_PORT：將數(shù)據(jù)包從入端口發(fā)出 NORMAL：按照普通二層交換機流程處理數(shù)據(jù)包 FLOOD：將數(shù)據(jù)包從最小生成樹使能端口轉(zhuǎn)發(fā)（不包括入端口）修改域（Modify-Field） 設(shè)置VLAN ID、VLAN優(yōu)先級，剝離VLAN頭修改源MAC地址、目的MAC地址修改源IPv4地

10、址、目的IPv4地址、ToS位 修改源端口號、目的端口號丟棄（Drop） 交換機對沒有明確指明處理動作的流表項，將會對與其所匹配的所有數(shù)據(jù)包進行默認的丟棄處理接收報文包頭解析匹配表0實施動作匹配表n通過安全通道發(fā)送到控制器.是否是否Openflow1.0數(shù)據(jù)包處理流程初始化包頭以太網(wǎng)類型=0X8100IP協(xié)議=6或17設(shè)置VLAN ID和PCP設(shè)置IP源及目的地址設(shè)置IP源及目的地址協(xié)議和TOS位UDP/TCP源/目的端口作為四層信息ICMP類型和編碼作為四層信息IP協(xié)議=1以太網(wǎng)類型=0X0806以太網(wǎng)類型=0X0800使用設(shè)定好的包頭域進行查表Openflow1.0包頭解析過程判斷是否設(shè)置

11、輸入端口，以太網(wǎng)源地址，目的地址極其類型，并將其他所有置為0Flow Table 例子MAC SRCMAC DSTIP SRCIP DSTTCP DPortTCP SPortActionCount*192.168.1.0/254*Port1249* 192.168.2.0/254*Port2229*Port3898MAC SRCMAC DSTIP SRCIP DSTTCP DPortTCP SPortActionCount*192.168.2.2192.168.3.580*Drop250* 192.168.3.4192.138.5.480*Port3300*Controller9FlowTab

12、le定義路由FlowTable定義防火墻Openflow消息Openflow消息總共分為三大類： Features 用來獲取交換機特性 Configuration 用來配置Openflow交換機 Modify-State 用來修改交換機狀態(tài)(修改流表) Read-Stats 用來讀取交換機狀態(tài) Send-Packet 用來發(fā)送數(shù)據(jù)包 Controller-to-Switch Packet-in 用來告知控制器交換機接收到數(shù)據(jù)包 Flow-Removed 用來告知控制器交換機流表被刪除 Port-Status 用來告知控制器交換機端口狀態(tài)更新 Error 用來告知控制器交換機發(fā)生錯誤Asynch

13、ronous Hello 用來建立Openflow連接 Echo 用來確認交換機與控制器之間的 Vendor 廠商自定義消息SymmetricPacketin事件（交換機接收數(shù)據(jù)包）當交換機收到一個數(shù)據(jù)包后，會查找流表，找出與數(shù)據(jù)包包頭相匹配的條目。如果流表中有匹配條目，則交換機按照流表所指示的action列表處理數(shù)據(jù)包。如果流表中沒有匹配條目，則交換機會將數(shù)據(jù)包封裝在Packet-in消息中發(fā)送給控制器處理。此時數(shù)據(jù)包會被緩存在交換機中等待處理。情況1交換機流表所指示的action列表中包含轉(zhuǎn)發(fā)給控制器的動作（ Output=CONTROLLER）。此時數(shù)據(jù)包不會被緩存在交換機中。情況2控制器配置流表（ FlowMod消息） Flow-Mod消息用來添加、刪除、修改Openflow交換機的流表信息ADDDELETEDELETE STRICTMODIF