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SDN起源于2006年 斯坦福大学 的Clean Slate研究课题。2009年,Mckeown教授正式提出了SDN概念
传统网络世界是水平标准和开放的,每个 网元 可以和 周边网 元进行互联。而在计算机的世界里,不仅水平是标准和开放的,同时垂直也是标准和开放的,从下到上有硬件、驱动、操作系统、编程平台、应用软件等等,编程者可以很容易地创造各种应用。从某个角度和计算机对比,在垂直方向上,网络是“相对封闭”和“没有框架”的,在垂直方向创造应用、部署业务是相对困难的。但SDN将在整个网络(不仅仅是网元)的垂直方向变得开放、标准化、可编程,从而让人们更容易、更有效地使用网络资源。
因此,SDN技术能够有效降低设备负载,协助 网络运营商 更好地控制基础设施,降低整体 运营成本 ,成为了最具前途的网络技术之一
回顾网络创新的发展历史,在20世纪90年代中期认为“推动网络的创新,需要在一个简单的硬件 数据通路 上编程”,即 动态网络 。它的问题在于 隔离性 、性能、 复杂度 。20世纪90年代后期认为,“为了推动网络创新,我们需要底层的 数据通道 是可编程的”,也即 网络处理器 。它的问题在于加剧了数据通道底层的复杂度。事实上在网络领域,我们一直以来没有分清一个简单通用的硬件底层与一个开放的上层 编程环境 之间的界限。之前的尝试往往犯以下错误:
1. 假设当前的IP路由底层是固定的,并试图在其外部编程,包括 路由协议
2. 自上而下地定义编程和 控制模型 。(但事实上Intel在选择 x86 指令集 的时候,并没有定义 Windows XP Linux 或者 VMware )
在经过多次的犯错、失败后,网络创新终于取得了突破,新一代 互联网技术 的代表——SDN终于诞生。
SDN起源于2006年斯坦福大学的Clean Slate研究课题。
2009年,Mckeown教授正式提出了SDN概念。
2012年12月6日,北京,中国以“ 未来网络 的演进之路”为主题的2012中国SDN与开放网络 高峰会议 在北京隆重召开,本次峰会获得国际组织 ONF (开放网络基金会)的大力支持,Justin Joubine Dustzadeh博士代表ONF向大会致辞并发表主题演讲,指出SDN这一颠覆性的技术将对未来网络产生革命性的影响。
2013年8月29日,北京, 2013中国 SDN与开放网络高峰会议(第二届)在京举办,众多国内外运营商、厂商及业界专家学者将云集于此,共同探讨SDN、开放网络等相关主题。
利用分层的思想,SDN将数据与控制 相分离 。在控制层,包括具有逻辑中心化和可编程的控制器,可掌握全局 网络信息 ,方便运营商和科研 人员管理 配置网络和部署新协议等。在 数据层 ,包括哑的交换机(与传统的 二层交换机 不同,专指用于转发数据的设备),仅提供简单的 数据转发 功能,可以快速处理匹配的 数据包 ,适应流量日益增长的需求。两层之间采用开放的统一接口(如OpenFlow等)进行交互。控制器通过 标准接口 向交换机下发统一标准规则,交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可
软件定义网络的思想是通过控制与转发分离,将网络中交换设备的 控制逻辑 集中到一个计算设备上,为提升 网络管理 配置能力带来新的思路 。SDN的本质特点是 控制平面 和数据平面的分离以及开放可编程性。通过分离控制平面和数据平面以及开放的 通信协议 ,SDN打破了传统 网络设备 封闭性 。此外,南北向和东西向的开放接口及可编程性,也使得网络管理变得更加简单、动态和灵活 图1-1 SDN体系结构图
SDN的整体架构由下到上(由南到北)分为数据平面、 控制平面 和应用平面,具体如图1-1所示。其中,数据平面由交换机等网络通用硬件组成,各个网络设备之间通过不同规则形成的SDN 数据通路 连接;控制平面包含了逻辑上为中心的 SDN控制器 ,它掌握着全局网络信息,负责各种转发规则的控制;应用平面包含着各种基于SDN的 网络应用 ,用户无需关心底层细节就可以编程、部署新应用。
控制平面与数据平面之间通过SDN控制数据平面接口(control-data-plane interface,简称CDPI)进行通信,它具有统一的通信标准,主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备,最主要应用的是OpenFlow协议。控制平面与应用平面之间通过SDN北向接口(northbound interface,简称NBI)进行通信,而NBI并非统一标准,它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。
SDN中的接口具有 开放性 ,以控制器为逻辑中心 南向接口 负责与数据平面进行通信, 北向接口 负责与应用平面进行通信,东西向接口负责多控制器之间的通信。 最主流 的南向接口CDPI采用的是 OpenFlow 协议。OpenFlow最基本的特点是基于流(Flow)的概念来匹配转发规则,每一个交换机都维护一个流表(Flow Table),依据流表中的转发规则进行转发,而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口, 应用程序 通过北向接口编程来调用所需的各种 网络资源 ,实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有 可扩展性 ,为 负载均衡 和性能提升提供了 技术保障
数据平面 关键技术
在SDN中,数据转发与规则控制相分离,交换机将转发规则的 控制权 交由控制器负责,而它仅根据控制器下发的规则对数据包进行转发。为了避免交换机与控制器频繁交互,双方约定的规则是基于流而并非基于每个数据包的。SDN数据平面 相关技术 主要体二十一世纪二十年代的交换机和转发规则上。
SDN交换机的数据 转发方式 大体分为硬件和软件两种。硬件方式相比软件方式具有更快的速度,但灵活性会有所降低。为了使硬件能够更加灵活地进行数据转发操作,Bosshart等人提出了RMT模型,该模型实现了一个可重新配置的匹配表,它允许在流水线阶段支持任意宽度和深度的流表。从结构上看,理想的RMT模型是由 解析器 、多个逻辑匹配部件以及可配置 输出队列 组成。具体的 可配置性 表现为:通过修改解析器来增加域定义,修改逻辑匹配部件的匹配表来完成新域的匹配,修改逻辑匹配部件的动作集来实现新的动作,修改队列规则来产生新的队列。所有更新操作都通过解析器完成,无需修改硬件,只需在芯片设计时留出可配置接口即可,实现了硬件对数据的灵活处理。
另一种硬件灵活处理技术Flow Adapter 采用交换机分层的方式来实现多表流水线业务。FlowAdapter交换机分为三层,顶层是软件数据平面,它可以通过更新来支持任何新的协议;底层是硬件数据平面,它相对固定但转发效率较高;中层是FlowAdapter平面,它负责软件数据平面和硬件数据平面间的通信。当控制器下发规则时,软件数据平面将其存储并形成M段流表,由于这些规则相对灵活,不能全部由交换机直接转化成相应转发动作,因此可利用FlowAdapter将规则进行转换,即将相对灵活的M段流表转换成能够被硬件所识别的N段流表。这就解决了传统交换机与控制器之间多表 流水线技术 不兼容的问题。
与硬件方式不同,软件的 处理速度 低于硬件,但软件方式可以提升转发规则处理的灵活性。利用交换机 CPU NP 处理转发规则可以避免硬件灵活性差的问题。由于NP专门用来处理网络任务,因此在网络处理方面,NP略强于CPU。
在传统网络中,转发规则的更新可能会出现不一致现象,SDN也如此。针对这种问题的一种解决方案是将配置细节抽象至较高层次以便统一更新。一般采用两段提交的方式来更新规则。首先,当规则需要更新时,控制器询问每个交换机是否处理完对应旧规则的流,确认后对处理完毕的所有交换机进行规则更新;之后当所有交换机都更新完毕时才真正完成更新,否则撤销之前所有的更新操作。然而,这种方式需要等待旧规则的流全部处理完毕后才能进行规则更新,会造成规则空间被占用的情况。增量式一致性 更新算法 可以解决上述问题,该算法将规则更新分多轮进行,每一轮都采用二段提交方式更新一个子集,这样可以节省规则空间,达到 更新时间 与规则空间的折中。
控制平面关键技术
控制器是控制平面的核心部件,也是整个SDN 体系结构 中的逻辑中心。随着SDN 网络规模 的扩展,单一控制器结构的SDN网络处理能力受限,遇到了 性能瓶颈 ,因此需要对控制器进行扩展。当前存在两种控制器的扩展方式:一种是提高自身控制器处理能力,另一种是采用多控制器方式。
最早且广泛使用的控制器平台是NOX ,这是一种单一集中式结构的控制器。针对控制器扩展的需求,NOX-MT提升了NOX的性能,具有 多线程 处理能力。NOX-MT并未改变NOX的 基本结构 ,而是利用了传统的 并行处理技术 来提升性能。另一种并行控制器是Maestro,它通过良好的 并行处理 架构,充分发挥了 高性能服务器 多核 并行处理能力,使其在大规模网络情况下的性能明显优于NOX。
但在多数情况下,大规模网络仅仅依靠单控制器并行处理的方式来解决性能问题是远远不够的,更多的是采用多控制器扩展的方式来优化SDN网络。控制器一般可采用两种方式进行扩展:一种是扁平控制方式,另一种是层次控制方式。(如图2所示)
在扁平控制方式中,各控制器放置于不同的区域,分管不同的网络设备,各控制器地位平等,逻辑上都掌握着全网信息,依靠东西向接口进行通信,当 网络拓扑 发生变化时,所有控制器将同步更新,而交换机仅需调整与控制器间的 地址映射 即可,因此扁平控制方式对数据平面的影响很小。在层次控制方式中,控制器分为局部控制器和全局控制器,局部控制器管理各自区域的网络设备,仅掌握本区域的 网络状态 ,而全局控制器管理各局部控制器,掌握着全网状态,局部控制器间的交互也通过全局控制器来完成。
SDN是当前网络领域最热门和最具发展前途的技术之一。鉴于SDN巨大的 发展潜力 ,学术界深入研究了 数据层 及控制层的 关键技术 ,并将SDN成功地应用到 企业网 和数据中心等各个领域
传统网络的 层次结构 是互联网取得巨大成功的关键。但是随着 网络规模 的不断扩大,封闭的 网络设备 内置了过多的复杂协议,增加了运营商定制优化网络的难度, 科研人员 无法在真实环境中规模部署新协议。同时,互联网流量的快速增长,用户对流量的需求不断扩大,各种新型服务不断出现,增加了 网络运维 成本 。传统IT架构中的网络在根据业务需求部署上线以后,由于传统网络设备的固件是由 设备制造商 锁定和控制的,如果业务需求发生变动,重新修改相应网络设备上的配置是一件非常繁琐的事情。在互联网瞬息万变的 业务环境 下,网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求,灵活性和 敏捷性 反而更为关键。因此,SDN希望将 网络控制 物理网络 拓扑分离,从而摆脱硬件对网络架构的限制。
SDN所做的事是将网络设备上的 控制权 分离出来,由集中的控制器管理,无须依赖底层网络设备,屏蔽了底层网络设备的差异。而控制权是完全开放的,用户可以自定义任何想实现的 网络路由 和传输规则策略,从而更加灵活和智能。进行SDN改造后,无需对网络中每个节点的路由器反复进行配置,网络中的设备本身就是自动化连通的,只需要在使用时定义好简单的网络规则即可。因此,如果路由器自身内置的协议不符合用户的需求,可以通过编程的方式对其进行修改,以实现更好的 数据交换 性能。这样,网络设备用户便可以像升级、安装软件一样对网络架构进行修改,满足用户对整个网络架构进行调整、扩容或升级的需求,而底层的交换机、路由器等硬件设备则无需替换,节省大量成本的同时,网络架构的迭代周期也将大大缩短。
总之,SDN具有传统网络无法比拟的优势:首先, 数据控制 耦合 使得应用升级与设备更新换代 相互独立 ,加快了新应用的快速部署;其次,网络抽象简化了 网络模型 ,将运营商从繁杂的 网络管理 中解放出来,能够更加灵活地控制网络;最后,控制的逻辑中心化使用户和运营商等可以通过控制器获取全局 网络信息 ,从而优化网络,提升网络性能
SDN 是当前最热门的 网络技术 之一,它解放了 手工操作 ,减少了配置错误,易于统一快速部署。它被 MIT 列为“改变世界的十大创新技术之一”。SDN相关 技术研究 在全世界范围内也迅速开展,成为近年来的研究热点。2013年,SIGCOMM会议收录了多篇相关文章,甚至将SDN列为专题来研讨,带动了SDN 相关研究 的蓬勃发展