SDN控制器的發(fā)展歷史 主流控制器的相關(guān)技術(shù)和功能

導(dǎo)讀

隨著5G、云計(jì)算、千兆寬帶等技術(shù)的普及，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，其所提供的云計(jì)算技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化以及資源管理有了更高的要求。SDN以其簡(jiǎn)潔的策略規(guī)則、可編程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、高度的網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)性以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等特點(diǎn)成為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)，賦能大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)。作為SDN網(wǎng)絡(luò)的核心大腦，SDN控制器管理了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的策略和流量，保證了SDN網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)有序的運(yùn)行。

作者：馬肖男

單位：中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心

1SDN以及控制器簡(jiǎn)介

SDN(Softeware Defined Network)是由美國(guó)斯坦福大學(xué)Clean-Slate課題研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式。其核心技術(shù)是通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)更智能。SDN嘗試擺脫網(wǎng)絡(luò)對(duì)硬件設(shè)備的依賴(lài)，通過(guò)直接的編程方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管控、配置、升級(jí)等功能。

Fig1.典型SDN架構(gòu)圖

SDN控制器是SDN控制面的代表，是SDN的大腦。作為SDN架構(gòu)中的核心部件，SDN控制器以集中式管控方式管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的策略和流量。SDN控制器能夠明顯提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，縮短業(yè)務(wù)上線(xiàn)周期，較大提升運(yùn)維效率。與此同時(shí)，SDN控制器可以提供統(tǒng)一的安全策略，為網(wǎng)絡(luò)提供自上而下的安全防護(hù)。

2SDN控制器發(fā)展歷史

SDN控制器從早期的NOX控制器一直到如今的企業(yè)級(jí)控制器，經(jīng)過(guò)了多個(gè)發(fā)展歷程。功能逐漸完善、強(qiáng)大。按照其發(fā)展路線(xiàn)可以分為：以O(shè)DL、ONOS為代表的開(kāi)源路線(xiàn)以及以O(shè)rion為代表的商業(yè)控制器路線(xiàn)。

第一代控制器：NOX是第一款OpenFlow控制器，采用OpenFlow協(xié)議進(jìn)行管控，由Nicira Networks公司研發(fā)，并于2008年開(kāi)源發(fā)布。作為最早的控制器，NOX為后面的控制器提供了很好的范例。不過(guò)由于其使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，SDN應(yīng)用的開(kāi)發(fā)成本較高，逐漸在控制器競(jìng)爭(zhēng)中失去優(yōu)勢(shì)。其后續(xù)版本改為Python開(kāi)發(fā)，名為POX，但POX在架構(gòu)和性能上存在一定的缺陷，逐漸被新興控制器取代。

通用SDN控制平臺(tái)：隨著設(shè)備廠商加入SDN控制器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)SDN控制器提出更高的要求，由多家設(shè)備廠商聯(lián)合而非運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)的開(kāi)源SDN控制器OpenDaylight應(yīng)運(yùn)而生。ODL支持多種南向協(xié)議，不僅限于OpenFlow、Netconf、OVSDB等。ODL的誕生意味著SDN進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期?？刂破鲗?shí)現(xiàn)從僅支持單一協(xié)議向支持多種南向協(xié)議演進(jìn)。在這一時(shí)期，控制器的部署形式也由單體應(yīng)用轉(zhuǎn)化為分布式平臺(tái)部署。

經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，SDN控制器之間相互競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。ODL社區(qū)憑借設(shè)備廠商的大力支持，處于開(kāi)源控制器的領(lǐng)導(dǎo)者地位。而定位運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)，同樣采用OSGI架構(gòu)的ONOS以更優(yōu)秀的性能在市場(chǎng)上取得了相當(dāng)不錯(cuò)的占有份額。同期，多種閉源框架也在相互競(jìng)爭(zhēng)，2013年，Google推出的ONIX控制器更是將寬帶利用率提升到接近100%的地步。

云原生SDN控制器：隨著越來(lái)越多的業(yè)務(wù)上云，尤其是大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,對(duì)控制器的要求也越來(lái)越高。SDN控制器也越來(lái)越多的與云管平臺(tái)進(jìn)行整合運(yùn)行。SDN控制器結(jié)合AI技術(shù)、意圖網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，向著更智能、更方便的方向發(fā)展。ODL、ONOS等開(kāi)源平臺(tái)逐漸聚焦智能化運(yùn)維，Google的新一代控制器Orion更是全面應(yīng)用微服務(wù)架構(gòu)以及調(diào)和理念，采用大規(guī)模分布式部署方案，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。

3主流控制器介紹

當(dāng)前開(kāi)源社區(qū)活躍的控制器主要包括：OpenDayLight、ONOS、Ryu、POX等。閉源控制器以O(shè)rion為代表，另外還有HP的VAN、Cisco的DNA Center等。

每種控制器都具有各自的特點(diǎn)以及長(zhǎng)處，下面就以幾種主流的控制器為大家介紹控制器的相關(guān)技術(shù)和功能：

3.1 ODL控制器

OpenDayLight（ODL）控制器是由Linux基金會(huì)管理和維護(hù)的開(kāi)源SDN控制器,于2013年推出。采用社區(qū)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)模式，主要貢獻(xiàn)者為各大設(shè)備廠商，如華為、中興等。旨在提供一個(gè)通用、可編程的SDN控制器。能夠支持多種硬件和軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)靈活、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。

3.1.1 架構(gòu)方案

ODL采用OSGi框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)MD-SAL模型架構(gòu)對(duì)南向協(xié)議進(jìn)行抽象化建模以及管理，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備以及協(xié)議的解耦，能夠支持多種南向傳輸協(xié)議?？刂破髦泻诵牟寮峁┝藬?shù)據(jù)存儲(chǔ)、配置管理、網(wǎng)絡(luò)流量管理、服務(wù)質(zhì)量管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和調(diào)試等功能，并通過(guò)RESTful API等北向協(xié)議提供對(duì)接三方應(yīng)用，為第三方業(yè)務(wù)提供設(shè)備的數(shù)據(jù)支持。

如圖為一種典型的ODL架構(gòu)設(shè)計(jì)方案：

圖片來(lái)源 OpenDayLight官網(wǎng)

3.1.2 核心概念

模型驅(qū)動(dòng)：ODL的模型驅(qū)動(dòng)指將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和狀態(tài)信息表示為YANG數(shù)據(jù)模型，統(tǒng)一描述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的屬性、配置和狀態(tài)信息，并基于YANG模型定義一組標(biāo)準(zhǔn)的RESTful API，用于控制器和設(shè)備之間的通信。ODL通過(guò)YANG模型實(shí)現(xiàn)了多協(xié)議支持、插件化和可編程化等功能。

OSGi：ODL基于OSGi框架進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，天生支持模塊化的設(shè)計(jì)，使用戶(hù)能夠輕松的實(shí)現(xiàn)功能的添加和刪除。同時(shí)Karaf框架提供了良好的運(yùn)行底座，能夠輕松實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高可用，減少了開(kāi)發(fā)難度。

Yang：一種輕量化的數(shù)據(jù)建模語(yǔ)言。YANG模型定義了數(shù)據(jù)的層次化結(jié)構(gòu)。ODL采用YANG來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)配置，能夠輕松區(qū)分配置和狀態(tài)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。隨著標(biāo)準(zhǔn)化的推行，YANG正逐漸成為業(yè)界主流的數(shù)據(jù)描述規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)組織、廠商、運(yùn)營(yíng)商、OTT紛紛定義各自的YANG模型。

3.1.3 典型模塊

AAA：AAA為Authentication, Authorization and Accounting ，為控制器提供了鑒權(quán)、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)的功能。該模塊用于控制對(duì)資源的訪(fǎng)問(wèn)，強(qiáng)制執(zhí)行使用資源的策略，并審核統(tǒng)計(jì)資源的使用狀況，為控制器提供了有效的網(wǎng)絡(luò)管理和基本的安全架構(gòu)。

BGPCEP：該模塊為典型應(yīng)用模塊，主要有BGP插件以及PCEP插件構(gòu)成。BGP插件為用戶(hù)提供BGP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及基于BGP協(xié)議的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。PCEP為路徑計(jì)算通訊協(xié)議，用于在MPLS和GMPLS標(biāo)簽交換路徑的上下文中在PCC和PCE之間進(jìn)行通訊。PCEP插件提供構(gòu)建基于 PCE 的控制器所需的所有基本服務(wù)單元。此外，它還為 Active Stateful PCE 提供 LSP 管理功能——這是大多數(shù)支持 PCE 的 SDN 解決方案的基石。

下圖為基于PCE的路徑計(jì)算架構(gòu)：

圖片來(lái)源 OpenDayLight官網(wǎng)

Controller：控制器模塊是基于 Java 的模型驅(qū)動(dòng)控制器，使用 YANG 作為系統(tǒng)和應(yīng)用程序各個(gè)方面的建模語(yǔ)言，為其他 OpenDaylight 應(yīng)用程序的提供基礎(chǔ)平臺(tái)。其依賴(lài)于MD-SAL、Netconf、RestConf等模塊。

MD-SAL：模型驅(qū)動(dòng)服務(wù)適配層 (MD-SAL) 是受消息總線(xiàn)啟發(fā)的可擴(kuò)展中間件組件，它根據(jù)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員定義的數(shù)據(jù)和接口模型（即用戶(hù)定義的模型）提供消息傳遞和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。該模塊定義了公共層、概念、數(shù)據(jù)模型構(gòu)建塊和消息傳遞模式，并為應(yīng)用程序和應(yīng)用程序間通信提供基礎(chǔ)設(shè)施/框架。

Netconf模塊：NETCONF本身是一種基于XML的傳輸協(xié)議，用于配置和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。ODL中的Netconf模塊支持NETCONF協(xié)議作為北向服務(wù)器和南向插件，同時(shí)提供了一組用于模擬NETCONF設(shè)備和客戶(hù)端測(cè)試的工具。

3.2 ONOS控制器

ONOS是首款開(kāi)源的SDN網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，主要面向服務(wù)提供商和企業(yè)骨干網(wǎng)。ONOS社區(qū)聚集了知名的服務(wù)提供商（如AT&T、NTT通信）、高標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商（如Ciena、Ericsson、Fujitsu、Huawei、Intel、NEC）、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（如Internet2、CNIT、CREATE-NET），以及其他合作伙伴（如SRI、Infoblox），并且獲得ONF的鼎力支持。

3.2.1 架構(gòu)方案

ODL是一個(gè)典型的分布式架構(gòu)系統(tǒng)，自上而下可分為：APP層、北向接口API、分布式核心層、南向接口層。其中，分布式核心平臺(tái)保證了控制器能夠以高可靠、易擴(kuò)展以及高穩(wěn)定性進(jìn)行運(yùn)行。北向接口抽象為圖像化界面以及更友好的管控配置服務(wù)提供了重要支撐?？刹灏问降哪舷蚪涌诔橄髮樱筄NOS控制器能夠支持OpenFlow設(shè)備和傳統(tǒng)設(shè)備。南向接口的抽象屏蔽了底層設(shè)備和協(xié)議的差異性，能夠同時(shí)支持多種設(shè)備的管控。其架構(gòu)圖如下：

圖片來(lái)源 ONOS官網(wǎng)

3.2.2 核心概念

SDN操作系統(tǒng)：一個(gè)操作系統(tǒng)需要具備以下基本特征：

（1）用戶(hù)資源管理；

（2）用戶(hù)隔離;

（3）服務(wù)和資源的抽象化管理；

（4）用戶(hù)安全機(jī)制；

（5）高效的服務(wù)使用。

ONOS具備一個(gè)操作系統(tǒng)的基本功能，因而不僅僅是一個(gè)SDN控制器，而是一個(gè)SDN操作系統(tǒng)。

軟件模塊化：ONOS可以像軟件操作系統(tǒng)一樣，為開(kāi)發(fā)者以及服務(wù)提供商更塊、更便捷的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)服務(wù)。ONOS本身是由一系列功能模塊組成，每個(gè)功能模塊由一個(gè)或者多個(gè)組件組成，對(duì)外提供一種特定服務(wù)，這種基于SOA的框架同時(shí)支持對(duì)組件的全生命周期管理，支持動(dòng)態(tài)加載、卸載組件。

統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)模型：ONOS 抽象出了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)元模型，奠定了第三方SDN應(yīng)用程序互通的基礎(chǔ)，使得運(yùn)營(yíng)商可以做靈活的業(yè)務(wù)協(xié)同和低成本業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

3.2.3 典型組件

REST API：提供開(kāi)放的北向抽象接口，方便運(yùn)營(yíng)商以及用戶(hù)基于ONOS開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及插件。

功能組件：ONOS提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)元模型，更有利于運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)。統(tǒng)一的組件和模型結(jié)構(gòu)如下圖：

[引用feiskyer中ONOS組件和服務(wù)章節(jié)]

圖片來(lái)源 gitbook-SDN指南

Cluster：ONOS集群間通信支持Gossip以及Raft兩種算法。Cluster提供了較好的分區(qū)容錯(cuò)性以及彈性擴(kuò)展機(jī)制。Cluster能夠保障節(jié)點(diǎn)失效對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)影響，當(dāng)ONOS節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)接管該節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)元的控制權(quán)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后，通過(guò)loadbalance命令恢復(fù)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)元的控制并使整體的控制達(dá)到負(fù)載均衡。ONOS屏蔽了負(fù)責(zé)的分布式機(jī)制，只對(duì)外暴露業(yè)務(wù)接口，使應(yīng)用開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單。集群機(jī)制如下：

[引用feiskyer中ONOS集群原理章節(jié)]

圖片來(lái)源 gitbook-SDN指南

3.3 Orion分布式控制器

Orion控制器是Google獨(dú)立開(kāi)發(fā)的第二代控制器。Google于2021年NSDI會(huì)議上發(fā)表Orion相關(guān)論文，論文詳細(xì)闡述了Orion的設(shè)計(jì)原則、整體架構(gòu)以及在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用情況。論文發(fā)布時(shí)，Orion已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行了四年。相比Google第一代控制器Onix，Orion具有以下特征：

(1)完全獨(dú)立開(kāi)發(fā)。

(2)微服務(wù)架構(gòu)，分布式程序，具有更高的穩(wěn)定性。

(3)基于敏捷的開(kāi)發(fā)，更快的迭代速度。

3.3.1 架構(gòu)方案

Orion是一個(gè)典型的微服務(wù)應(yīng)用。其本身的工作模式是基于協(xié)調(diào)（reconciliation）的模式。從設(shè)計(jì)的根本原理上看，Orion和Kubernetes的原理幾乎一致。

整體框架如下：

圖片來(lái)源論文：《Orion：Google`s Software-Defined Networking Control Plane》

從架構(gòu)上看，最上層是各種具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如負(fù)責(zé)域內(nèi)算路的Routing Engine。

中間的核心層實(shí)現(xiàn)了控制器的通用功能，包括了NIB數(shù)據(jù)庫(kù)，配置模塊，拓?fù)淠K以及流管理模塊。中間層的每個(gè)模塊都是微服務(wù)應(yīng)用。

下層則是OpenFlow協(xié)議棧，Orion控制的所有路由器均只有OpenFlow協(xié)議棧，沒(méi)有傳統(tǒng)協(xié)議棧，傳統(tǒng)協(xié)議都是在控制器上完成，可以說(shuō)是徹底實(shí)現(xiàn)了SDN化。

3.3.2 核心概念

意圖驅(qū)動(dòng)：Orion面向大規(guī)模生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，在大規(guī)模生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，宏觀的意圖遠(yuǎn)比細(xì)瑣的過(guò)程更穩(wěn)定，更不容易出錯(cuò)，因而意圖驅(qū)動(dòng)（intent-based）成為了必然選擇。Orion本身就被設(shè)計(jì)成一個(gè)翻譯和細(xì)化意圖的控制器。而控制器最終會(huì)將管理人員的意圖轉(zhuǎn)化為設(shè)備可識(shí)別的Openflow原語(yǔ)。Intent鏈?zhǔn)椒磻?yīng)圖如下：

圖片來(lái)源論文：《Orion：Google`s Software-Defined Networking Control Plane》

分布式控制器：傳統(tǒng)控制器多為集中式控制器，控制器單元由一個(gè)中心多個(gè)分中心的方式進(jìn)行管理，而Orion采用的是邏輯上的集中。在論文中提到：控制器為邏輯集中控制器，為了實(shí)現(xiàn)高性能，控制器需要具有基于內(nèi)存的狀態(tài)表示以及在松散協(xié)調(diào)的微服務(wù)SDN應(yīng)用程序之間使用適當(dāng)?shù)囊恢滦约?jí)別[ 引用《Orion: Google's Software-Defined Networking Control Plane》第一章描述]。

3.3.3 典型設(shè)計(jì)

微服務(wù)框架：Orion徹底擺脫了傳統(tǒng)控制器的集中式管控制約，采用和K8S類(lèi)似的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)抽象為獨(dú)立的服務(wù)，方便了業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)、部署以及維護(hù)。在萬(wàn)物上云時(shí)代，基于微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路更貼合業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)與部署方案。

微服務(wù)框架是未來(lái)SDN控制器中重要的發(fā)展方向。中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心自研的SDN控制器就是基于微服務(wù)架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，采用協(xié)調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)配置與調(diào)度。

Intent和Ground Truth的鏈?zhǔn)椒?/strong>應(yīng)：如上圖意圖網(wǎng)絡(luò)所示，Intent有多種來(lái)源，通過(guò)控制器一級(jí)一級(jí)的協(xié)調(diào)，最終將配置轉(zhuǎn)化為機(jī)器原語(yǔ)。在意圖網(wǎng)絡(luò)中，最終還是要從人的意圖出發(fā)。