軟件定義網(wǎng)絡（SDN）任重而道遠

? 　當前，軟件定義網(wǎng)絡（SDN）成為業(yè)界一個時髦的話題，SDN技術及其可能帶來的影響受到了學術界和產業(yè)界的高度重視，同時也存在著對SDN不同的理解和認識。本文試圖從梳理SDN技術的發(fā)展脈絡入手，分析SDN技術的內涵、本質特征、應用領域、發(fā)展趨勢，進而分析SDN技術發(fā)展帶來的影響。

　　一、“眾說紛紜”SDN

　　目前對SDN關注度比較高的專家大致可以分為三類：IDC設計與運維人員、數(shù)據(jù)設備設計研發(fā)人員、未來網(wǎng)絡研究與試驗人員。這三類專家關注SDN的出發(fā)點及對SDN的認識不一樣，對SDN的發(fā)展愿景和期待也各不相同。一項新技術出現(xiàn)后，對于追溯這個概念最早是誰提出、何時提出以及是不是一個新概念等種種討論通常只具有學術意義，對于認識新技術的本質并無實質性幫助。討論SDN概念還是要從其真正市場需求入手。

　?。?）SDN商用需求最早出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心內部

　　IDC內部網(wǎng)絡為了支持應用服務器上虛擬機的遷移，通常是一個二層網(wǎng)絡，因為如果采用三層組網(wǎng)，那么虛擬機遷移時，虛擬機對應的應用服務的IP地址要跟著變化，帶來業(yè)務部署和管理的困難，而二層網(wǎng)絡則沒有這個問題。

　　但是，在IDC內部直接應用既有的二層網(wǎng)絡技術，則會主要帶來以下兩方面的問題：一個是在二層網(wǎng)絡中，為了消除廣播包的環(huán)路，通常采用生成樹（STP）協(xié)議，在網(wǎng)絡節(jié)點之間構建一棵邏輯樹，節(jié)點之間的流量按照這個“樹狀”拓撲來傳遞，即使網(wǎng)絡節(jié)點之間有多個物理鏈路，也只有一條鏈路真正傳遞數(shù)據(jù)，其他鏈路都是空閑的（只起備份作用）。但是，在IDC內部，多個服務器之間存在著頻繁的數(shù)據(jù)交換需求，基于STP的樹狀網(wǎng)絡拓撲不能高效支持這種“橫向”流量，服務器之間的空閑鏈路也造成了網(wǎng)絡資源的大量浪費，因此基于STP的二層網(wǎng)絡對于IDC來說過于簡單，需要進行變革，尤其是隨著云計算的發(fā)展，這種IDC內部二層組網(wǎng)需求越來越迫切。另一個問題是通常IDC內部的應用服務器眾多，有的達到上萬臺，甚至十幾萬臺，二層交換機需要利用ARP等協(xié)議，學習接收到的數(shù)據(jù)包的源地址來建立MAC地址表，由于應用服務器多，所以MAC地址表項也多，通常會超過常規(guī)二層交換機MAC地址表的容量，則造成大量MAC地址無法進入MAC地址表，二層交換機對于無法在MAC地址表中查到的MAC地址對應的數(shù)據(jù)幀進行二層域內的廣播，造成二層網(wǎng)絡內部的流量泛濫，影響IDC內部網(wǎng)絡效率。

　　造成上述兩個問題的根本原因是，傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡設計的過于簡單，二層交換機只會學習MAC地址，不會基于MAC地址來規(guī)劃數(shù)據(jù)轉發(fā)路徑，也就是說傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡中沒有一個控制平面（或者說控制平面的功能非常非常弱，且與轉發(fā)功能融合在一起），只有數(shù)據(jù)平面（負責數(shù)據(jù)幀的轉發(fā)）。因此在二層網(wǎng)絡中增加控制平面（或者說強化控制平面功能），負責較大的二層網(wǎng)絡內部節(jié)點間的流量調度和管理成為了一種迫切需求。目前較為主流的解決思路，就是利用IS-IS路由協(xié)議的變種來構建控制平面路由功能；利用Openflow來定義控制平面與轉發(fā)平面之間的接口。這就引出了控制平面與轉發(fā)平面分離的概念。但這只是二層網(wǎng)絡中的控制平面與轉發(fā)平面的分離。

　?。?）SDN商用需求來自于路由器內部功能優(yōu)化

　　在傳統(tǒng)路由器中，負責路由規(guī)劃、選路策略的控制平面與負責數(shù)據(jù)封裝、高速轉發(fā)的數(shù)據(jù)平面之間的接口是不開放的，是緊耦合在一起的。每個廠家都通過自有的協(xié)議或接口來連接控制平面和轉發(fā)平面，這也是CISCO、JUNIPER等優(yōu)勢廠商維持技術壁壘、排擠新興廠商的優(yōu)勢所在。

　　但是，有兩方面的力量正在悄悄地對這種模式提出挑戰(zhàn)：一個是大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，他們有自建企業(yè)網(wǎng)絡的需求，而且這些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)認為目前自己企業(yè)網(wǎng)絡的通信需求有特異性，而傳統(tǒng)路由器的功能太復雜，有80%以上的功能和特性在自己的網(wǎng)絡中用不到，但是在購買這些路由器時卻要為這些無用的功能買單，感覺比較“冤”，所以存在自主設計實現(xiàn)簡潔高效路由器的需求，這也是Facebook、Google、Yahoo等公司發(fā)起成立ONF（開放網(wǎng)絡論壇），研制SDN標準的初衷之一。由于這些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)具有在IDC內部大量采用自己定制的應用服務器的成功經驗，所以他們對于自主研發(fā)高效的路由器有著良好的期待。另一個力量是新興的數(shù)據(jù)設備廠商，他們試圖通過打破路由器內部控制平面與數(shù)據(jù)平面之間的緊耦合，形成一個開放的、標準的設備接口，這樣可以把控制功能集中而且單獨剝離出去，這樣數(shù)據(jù)轉發(fā)設備可以做得更加通用和簡單，成本可以做得更低，有助于打破CISCO、JUNIPER等廠商的壟斷地位，這些廠商可以從中獲得新的發(fā)展機遇。

　　基于這種考慮，IETF較早的就開展了路由器內部控制平面與轉發(fā)平面分離的研究工作，成立了FORCES工作組，定義了路由器內部控制平面與轉發(fā)平面之間的通信協(xié)議。這雖然同樣引出了控制平面與轉發(fā)平面分離的概念，但這是三層網(wǎng)絡中的控制平面與轉發(fā)平面的分離。

　?。?）SDN商用需求來自未來網(wǎng)絡研究與試驗

　　目前，為了解決IP網(wǎng)絡面臨的網(wǎng)絡地址空間不足、服務質量難以保證、安全可信機制缺乏、網(wǎng)絡管控能力差等問題，未來網(wǎng)絡研究人員一方面積極研究新型網(wǎng)絡體系結構和關鍵技術，試圖解決這些問題，目前雖然研究方向眾多，但并未形成清晰的、共識的技術路線；另一方面，在技術路線不清楚，新方案層出不窮的情況下，有必要建立一個超大規(guī)模的未來網(wǎng)絡新技術的試驗驗證環(huán)境（試驗網(wǎng)絡），在這個試驗網(wǎng)絡上靈活地為各種技術方案提供資源獨立的試驗環(huán)境，從而孵化出優(yōu)選技術。美歐等國分別建立了GENI和FIRE網(wǎng)絡，目的就在于此。在試驗網(wǎng)絡建設過程中，設計人員希望能夠在網(wǎng)絡節(jié)點上靈活的控制和部署路由協(xié)議，實現(xiàn)高效的轉發(fā)，因此形成了越來越強烈的、實驗網(wǎng)節(jié)點上控制平面和轉發(fā)平面分離的需求。通過控制平面的分離，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡控制功能的智能和集中，以及網(wǎng)絡轉發(fā)功能的協(xié)議無關和高效。

　　在實驗網(wǎng)節(jié)點上控制平面和轉發(fā)平面分離的情況下，每出現(xiàn)一種新的網(wǎng)絡體系結構和解決方案，就可以在實現(xiàn)節(jié)點上以軟件的形式來設計和配置，快速實現(xiàn)新的網(wǎng)絡形態(tài)，高效支持網(wǎng)絡技術創(chuàng)新與驗證。

　　除了上述三種SDN需求以及對應的三類專家以外，還有一些專家將SDN理解為統(tǒng)一智能網(wǎng)管，致力于實現(xiàn)一個網(wǎng)管系統(tǒng)可以統(tǒng)一、智能地管理多臺網(wǎng)絡設備的目的，如在LTE的部署中可以在IP RAN的設計中，通過一個綜合網(wǎng)管系統(tǒng)來配置和管理多臺簡化邊緣路由器，從而提高網(wǎng)絡策略部署效率。但是這種理解，是把管理平面從控制平面和數(shù)據(jù)平面中分離，不是控制平面和轉發(fā)平面的分離，不應理解為是SDN技術。

　　二、“正本清源”SDN

　　上面分析了SDN的三種發(fā)展需求，綜合來看，這些需求所追尋的都是網(wǎng)絡“開放”的理念。

　　網(wǎng)絡的開放是產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，不但能夠帶來相應設備和網(wǎng)絡的高效，而且可以進一步細分產業(yè)鏈，帶來新的產業(yè)發(fā)展機遇。當年，機械零件之間的“開放”，實現(xiàn)了零件之間的標準互換，細化了機械加工的產業(yè)鏈，提高了成品機械的生產效率，極大地推動了工業(yè)革命的發(fā)展。在網(wǎng)絡通信領域，通過SDN技術可以實現(xiàn)類似的期待。

　　在數(shù)據(jù)設備內，可以概括為兩個平面，如下圖所示：

　　從網(wǎng)絡開放性的角度來理解SDN，我們可以把SDN分為三個類別，每個類別之間的開放性是遞增的關系：