軟件定義網(wǎng)絡

絡虛擬化的一種實現(xiàn)方式軟件定義網(wǎng)絡01基本簡介設計思想關鍵技術發(fā)展簡史體系結(jié)構(gòu)絡優(yōu)勢目錄0305020406基本信息軟件定義絡（Software?Defined?Network，SDN）是由美國斯坦福大學Clean-Slate課題研究組提出的一種新型絡創(chuàng)新架構(gòu)，是絡虛擬化的一種實現(xiàn)方式。其核心技術OpenFlow通過將絡設備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實現(xiàn)了絡流量的靈活控制，使絡變得更加智能，為核心絡及應用的創(chuàng)新提供了良好的平臺?；竞喗榛竞喗镾DN起源于2006年斯坦福大學的CleanSlate研究課題。2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念

。軟件定義絡SDN（Software?Defined?Network）是由美國斯坦福大學CLean?Slate研究組提出的一種新型絡創(chuàng)新架構(gòu)，可通過軟件編程的形式定義和控制絡，其控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離及開放性可編程的特點，被認為是絡領域的一場革命，為新型互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)研究提供了新的實驗途徑，也極大地推動了下一代互聯(lián)的發(fā)展

。傳統(tǒng)絡世界是水平標準和開放的，每個元可以和周邊元進行互聯(lián)。而在計算機的世界里，不僅水平是標準和開放的，同時垂直也是標準和開放的，從下到上有硬件、驅(qū)動、操作系統(tǒng)、編程平臺、應用軟件等等，編程者可以很容易地創(chuàng)造各種應用。從某個角度和計算機對比，在垂直方向上，絡是“相對封閉”和“沒有框架”的，在垂直方向創(chuàng)造應用、部署業(yè)務是相對困難的。但SDN將在整個絡（不僅僅是元）的垂直方向變得開放、標準化、可編程，從而讓人們更容易、更有效地使用絡資源。因此，SDN技術能夠有效降低設備負載，協(xié)助絡運營商更好地控制基礎設施，降低整體運營成本，成為了最具前途的絡技術之一

。發(fā)展簡史發(fā)展簡史回顧絡創(chuàng)新的發(fā)展歷史，在20世紀90年代中期認為“推動絡的創(chuàng)新，需要在一個簡單的硬件數(shù)據(jù)通路上編程”，即動態(tài)絡。它的問題在于隔離性、性能、復雜度。20世紀90年代后期認為，“為了推動絡創(chuàng)新，我們需要底層的數(shù)據(jù)通道是可編程的”，也即絡處理器。它的問題在于加劇了數(shù)據(jù)通道底層的復雜度。事實上在絡領域，我們一直以來沒有分清一個簡單通用的硬件底層與一個開放的上層編程環(huán)境之間的界限。之前的嘗試往往犯以下錯誤：1.假設當前的IP路由底層是固定的，并試圖在其外部編程，包括路由協(xié)議；2.自上而下地定義編程和控制模型。(但事實上Intel在選擇x86指令集的時候，并沒有定義WindowsXP、Linux或者VMware)在經(jīng)過多次的犯錯、失敗后，絡創(chuàng)新終于取得了突破，新一代互聯(lián)技術的代表——SDN終于誕生。SDN起源于2006年斯坦福大學的CleanSlate研究課題。2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念。設計思想設計思想利用分層的思想，SDN將數(shù)據(jù)與控制相分離。在控制層，包括具有邏輯中心化和可編程的控制器，可掌握全局絡信息，方便運營商和科研人員管理配置絡和部署新協(xié)議等。在數(shù)據(jù)層，包括啞的交換機（與傳統(tǒng)的二層交換機不同，專指用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設備），僅提供簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以快速處理匹配的數(shù)據(jù)包，適應流量日益增長的需求。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進行交互?？刂破魍ㄟ^標準接口向交換機下發(fā)統(tǒng)一標準規(guī)則，交換機僅需按照這些規(guī)則執(zhí)行相應的動作即可

。軟件定義絡的思想是通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，將絡中交換設備的控制邏輯集中到一個計算設備上，為提升絡管理配置能力帶來新的思路

。SDN的本質(zhì)特點是控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離以及開放可編程性。通過分離控制平面和數(shù)據(jù)平面以及開放的通信協(xié)議，SDN打破了傳統(tǒng)絡設備的封閉性。此外，南北向和東西向的開放接口及可編程性，也使得絡管理變得更加簡單、動態(tài)和靈活

。體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)圖1-1SDN體系結(jié)構(gòu)圖SDN的整體架構(gòu)由下到上（由南到北）分為數(shù)據(jù)平面、控制平面和應用平面，具體如圖1-1所示。其中，數(shù)據(jù)平面由交換機等絡通用硬件組成，各個絡設備之間通過不同規(guī)則形成的SDN數(shù)據(jù)通路連接；控制平面包含了邏輯上為中心的SDN控制器，它掌握著全局絡信息，負責各種轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制；應用平面包含著各種基于SDN的絡應用，用戶無需關心底層細節(jié)就可以編程、部署新應用?？刂破矫媾c數(shù)據(jù)平面之間通過SDN控制數(shù)據(jù)平面接口（control-data-planeinterface，簡稱CDPI）進行通信，它具有統(tǒng)一的通信標準，主要負責將控制器中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)設備，最主要應用的是OpenFlow協(xié)議。控制平面與應用平面之間通過SDN北向接口（northboundinterface，簡稱NBI）進行通信，而NBI并非統(tǒng)一標準，它允許用戶根據(jù)自身需求定制開發(fā)各種絡管理應用。SDN中的接口具有開放性，以控制器為邏輯中心

，南向接口負責與數(shù)據(jù)平面進行通信，北向接口負責與應用平面進行通信，東西向接口負責多控制器之間的通信。最主流的南向接口CDPI采用的是OpenFlow協(xié)議。OpenFlow最基本的特點是基于流（Flow）的概念來匹配轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，每一個交換機都維護一個流表（FlowTable），依據(jù)流表中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進行轉(zhuǎn)發(fā)，而流表的建立、維護和下發(fā)都是由控制器完成的。針對北向接口，應用程序通過北向接口編程來調(diào)用所需的各種絡資源，實現(xiàn)對絡的快速配置和部署。東西向接口使控制器具有可擴展性，為負載均衡和性能提升提供了技術保障。關鍵技術關鍵技術數(shù)據(jù)平面關鍵技術在SDN中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與規(guī)則控制相分離，交換機將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的控制權交由控制器負責，而它僅根據(jù)控制器下發(fā)的規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)。為了避免交換機與控制器頻繁交互，雙方約定的規(guī)則是基于流而并非基于每個數(shù)據(jù)包的。SDN數(shù)據(jù)平面相關技術主要體二十一世紀二十年代的交換機和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則上。SDN交換機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式大體分為硬件和軟件兩種。硬件方式相比軟件方式具有更快的速度，但靈活性會有所降低。為了使硬件能夠更加靈活地進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作，Bosshart等人提出了RMT模型，該模型實現(xiàn)了一個可重新配置的匹配表，它允許在流水線階段支持任意寬度和深度的流表。從結(jié)構(gòu)上看，理想的RMT模型是由解析器、多個邏輯匹配部件以及可配置輸出隊列組成。具體的可配置性表現(xiàn)為：通過修改解析器來增加域定義，修改邏輯匹配部件的匹配表來完成新域的匹配，修改邏輯匹配部件的動作集來實現(xiàn)新的動作，修改隊列規(guī)則來產(chǎn)生新的隊列。所有更新操作都通過解析器完成，無需修改硬件，只需在芯片設計時留出可配置接口即可，實現(xiàn)了硬件對數(shù)據(jù)的靈活處理。另一種硬件靈活處理技術FlowAdapter采用交換機分層的方式來實現(xiàn)多表流水線業(yè)務。FlowAdapter交換機分為三層，頂層是軟件數(shù)據(jù)平面，它可以通過更新來支持任何新的協(xié)議；底層是硬件數(shù)據(jù)平面，它相對固定但轉(zhuǎn)發(fā)效率較高；中層是FlowAdapter平面，它負責軟件數(shù)據(jù)平面和硬件數(shù)據(jù)平面間的通信。絡優(yōu)勢絡優(yōu)勢SDN是當前絡領域最熱門和最具發(fā)展前途的技術之一。鑒于SDN巨大的發(fā)展?jié)摿?，學術界深入研究了數(shù)據(jù)層及控制層的關鍵技術，并將SDN成功地應用到企業(yè)和數(shù)據(jù)中心等各個領域

。傳統(tǒng)絡的層次結(jié)構(gòu)是互聯(lián)取得巨大成功的關鍵。但是隨著絡規(guī)模的不斷擴大，封閉的絡設備內(nèi)置了過多的復雜協(xié)議，增加了運營商定制優(yōu)化絡的難度，科研人員無法在真實環(huán)境中規(guī)模部署新協(xié)議。同時，互聯(lián)流量的快速增長，用戶對流量的需求不斷擴大，各種新型服務不斷出現(xiàn)，增加了絡運維成本

。傳統(tǒng)IT架構(gòu)中的絡在根據(jù)業(yè)務需求部署上線以后，由于傳統(tǒng)絡設備的固件是由設備制造商鎖定和控制的，如果業(yè)務需求發(fā)生變動，重新修改相應絡設備上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯(lián)瞬息萬變的業(yè)務環(huán)境下，絡的高穩(wěn)定與高性能還不足以滿足業(yè)務需求，靈活性和敏捷性反而更為關鍵。因此，SDN希望將絡控制與物理絡拓撲分離，從而擺脫硬件對絡架構(gòu)的限制。SDN所做的事是將絡設備上的控制權分離出來，由集中的控制器管理，無須依賴底層絡設備，屏蔽了底層絡