SDN/OpenFlow：下一代互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的代表者

 

　　互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其最初設(shè)計者的想象,，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)流量迅猛增長、承載業(yè)務(wù)日益復(fù)雜以及社會地位越來越重要,，使得諸如安全性,、穩(wěn)定性、可控性等問題越來越尖銳,，現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求,。傳統(tǒng)的解決方案都是將越來越多的復(fù)雜功能加入到互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，例如組播,、防火墻,、區(qū)分服務(wù)、流量工程,、MPLS等,。這使得路由器等交換設(shè)備越來越臃腫而且性能提升的空間越來越小，同時網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新越來越封閉,，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來越緩慢,。

 

　　OpenFlow是美國斯坦福大學(xué)于2007年提出的一種支持網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究的新型網(wǎng)絡(luò)交換模型，該模型通過開放的流表支持用戶對網(wǎng)絡(luò)處理行為進(jìn)行控制,，從而為新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究提供新的實驗途徑,。被享有聲望的《麻省理工科技評論》雜志選為十大未來技術(shù)之一。目前,，OpenFlow受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,，OpenFlow的推廣組織——開放網(wǎng)絡(luò)基金會（Open Networking Foundation，簡稱ONF）的成員基本涵蓋了所有網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的巨頭,。

 

　　OpenFlow將傳統(tǒng)的物理固定的硬件定義網(wǎng)絡(luò)改造成為了動態(tài)可變的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN：Software Defined Network）,。而一個軟件定義的可控的互聯(lián)網(wǎng)，除了更加靈活以外,，毫無疑問,，通過恰當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ瑢⒋蟠筇岣呔W(wǎng)絡(luò)自身的健壯性,、運(yùn)行效率以及安全性,，更重要的是基于OpenFlow集中式控制機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將徹底改變當(dāng)前路由交換設(shè)備的封閉性，在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中部署一種新的路由協(xié)議或安全算法,，僅需要在控制服務(wù)器上撰寫數(shù)百行代碼,。

 

 

　　OpenFlow的核心思想是將原本完全由交換機(jī)/路由器控制的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程，轉(zhuǎn)化為由OpenFlow交換機(jī)（OpenFlow Switch）和控制器（Controller）分別完成的獨(dú)立過程,。從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制的分離,。如圖1所示，控制器可以通過OpenFlow協(xié)議來控制交換機(jī)中的流表（Flow Table）,，從而達(dá)到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的,。OpenFlow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在本地的流表上查找轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)端口,，如果沒有匹配,，則把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給Controller，由控制層決定轉(zhuǎn)發(fā)端口,。

　　傳統(tǒng)寬帶接入網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)

 

　　接入網(wǎng)一直被視為信息高速公路的最后一公里,，為了解決網(wǎng)絡(luò)寬帶化的發(fā)展“瓶頸”，電信運(yùn)營商正在大規(guī)模推廣以無源光接入網(wǎng)（PON）為主的FTTx技術(shù),，接入網(wǎng)的光纖化有效解決了網(wǎng)絡(luò)容量“瓶頸”,，而接入網(wǎng)的運(yùn)維管理“瓶頸”卻未能有效解決。鑒于接入網(wǎng)建設(shè)成本巨大,，升級改造極其困難,，當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的諸多挑戰(zhàn)應(yīng)該在建網(wǎng)之初就采取有效措施加以解決。

 

　　第一,，接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)融合不夠,。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)技術(shù)相融合是必然的趨勢,。而在現(xiàn)有的光接入網(wǎng)中,，都是采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理平臺和技術(shù),，沒有和骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)統(tǒng)一資源和管理信息,，對通信的保護(hù)和恢復(fù)也沒有形成統(tǒng)一的機(jī)制,，造成協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜、傳輸效率低,、缺乏統(tǒng)一的資源管控能力,。接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)的孤立也大大增加了電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)管理的成本和難度，隨著網(wǎng)絡(luò)成本的不斷增加,，電信運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)全局資源調(diào)度和集中管控的需求越來越迫切,，將接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)無縫融合起來，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)效率,，優(yōu)化資源分配,。

 

　　第二，接入網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)成本高,，用戶體驗差,。接入網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量直接關(guān)系到電信運(yùn)營商和用戶的切身利益。如何實現(xiàn)用戶的快速接入,，快速故障定位及恢復(fù),，方便快捷地實現(xiàn)用戶終端的配置，提高用戶體驗,，控制運(yùn)營成本和提高網(wǎng)絡(luò)的收益率,，已經(jīng)成為接入網(wǎng)亟待解決的問題。傳統(tǒng)的接入網(wǎng)基本采用人工的方式進(jìn)行管理,，如用戶的開戶,、業(yè)務(wù)辦理、故障處理等,，這種管理模式需要大量的人力和物力,，使接入網(wǎng)的運(yùn)營成本居高不下，而且用戶體驗差,。隨著FTTx技術(shù)的推廣,，電信運(yùn)營商應(yīng)抓住機(jī)遇，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理的智能化水平,，全面提高用戶體驗,，有效降低運(yùn)營成本。

 

　　第三,，缺乏靈活的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制,。當(dāng)前光接入網(wǎng)包括EPON、GPON,、WDM-PON,、P2P-PON等技術(shù),，不同網(wǎng)絡(luò)之間兼容性差，網(wǎng)絡(luò)資源管控機(jī)制相互獨(dú)立,，缺乏靈活的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制,，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，而且可擴(kuò)展性差,，不利于未來光接入網(wǎng)的統(tǒng)一管理和技術(shù)升級。

 

　　第四,，多業(yè)務(wù)承載能力差,，缺乏有效的端到端QoS保證機(jī)制。隨著三網(wǎng)融合進(jìn)程的不斷推進(jìn),，新一代寬帶接入網(wǎng)應(yīng)具有保證服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service — QoS）傳輸多業(yè)務(wù)類型的能力,。即要求以端對端的方式對數(shù)據(jù)、語音,、視頻進(jìn)行實時的高效地混合或并發(fā)傳輸,。而現(xiàn)有的光接入網(wǎng)技術(shù)采取了與骨干網(wǎng)不同的業(yè)務(wù)分類和QoS保證機(jī)制，其業(yè)務(wù)QoS保證機(jī)制都局限于接入網(wǎng)本身,，沒有與整個網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分類機(jī)制相對應(yīng),，需要進(jìn)行不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級的翻譯，造成協(xié)議復(fù)雜,、效率低下,，缺乏端到端的QoS保證。迫切需要將接入網(wǎng)和城域網(wǎng),、骨干網(wǎng)無縫的融合起來,，形成統(tǒng)一的端到端的多業(yè)務(wù)QoS保證機(jī)制。

 

　　第五,，接入網(wǎng)能耗居高不下,。近年來，節(jié)能減排問題得到了全社會的廣泛關(guān)注,。電信網(wǎng)的節(jié)能已經(jīng)迅速成為電信研究領(lǐng)域的最熱點(diǎn)問題之一,。最新報告顯示，接入網(wǎng)的能耗占整個網(wǎng)絡(luò)能耗的70%,，雖然接入網(wǎng)單個設(shè)備的能耗遠(yuǎn)不如城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)設(shè)備的能耗,，但是由于接入網(wǎng)的用戶基數(shù)大，所以其總能耗是非常巨大的,。目前國內(nèi)外已經(jīng)針對EPON和GPON節(jié)能技術(shù)有了相關(guān)研究,，但是受目前接入網(wǎng)架構(gòu)封閉等因素的制約，實現(xiàn)機(jī)制都較復(fù)雜,，還難以大規(guī)模推廣,。

　　基于SDN構(gòu)建軟定義智能寬帶接入網(wǎng)

 

　　針對當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn),，為了滿足未來接入網(wǎng)全業(yè)務(wù)、高帶寬,、易運(yùn)行維護(hù)的發(fā)展需求,，實現(xiàn)接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合互通，滿足接入網(wǎng)日益迫切的智能化需求,，我們基于SDN提出了軟定義智能寬帶接入網(wǎng)解決方案,，將寬帶接入網(wǎng)封閉孤立的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊袒⒅悄芸煽鼗?、支持第三方?yīng)用的開放式架構(gòu),，即在接入網(wǎng)中提供開放式的控制接口，實現(xiàn)可編程的智能管控平臺,，當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的諸多問題即可迎刃而解,。

 

　　在這種開放式控制體系架構(gòu)中，可軟定義的控制器作為開放式控制架構(gòu)的主體,，是實現(xiàn)可編程功能的核心,，控制器為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的開發(fā)接口并通過開放式硬件控制接口與底層硬件交互，以實現(xiàn)可編程化控制和管理,。

 

　　作為集中式控制架構(gòu)的核心—OpenFlow控制器,，在整個架構(gòu)中起著硬件資源抽象化的角色。將傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化到控制器中根據(jù)預(yù)先制定的調(diào)度策略以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級安排資源分配方式,，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者可以輕松的在這種架構(gòu)中實現(xiàn)可軟定義的集中控制,。

 

 

　　如圖2所示，在光接入網(wǎng)中引入OpenFlow,，就可以通過集中式的管理和控制平臺——網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（如NOX）,，對多種異構(gòu)光接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。如網(wǎng)絡(luò)管理,、資源調(diào)度,、多業(yè)務(wù)QoS保證、節(jié)能和其他第三方應(yīng)用等,，使得運(yùn)營商可以從全網(wǎng)的角度對鏈路和帶寬資源進(jìn)行有效的管理,，提高網(wǎng)絡(luò)管理效率，同時也可以有效降低網(wǎng)絡(luò)管理的開發(fā)和維護(hù)成本,。集中式的動態(tài)管控機(jī)制相比于傳統(tǒng)的人工網(wǎng)管系統(tǒng)更靈活,，實時動態(tài)的監(jiān)控和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，開放的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為未來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維帶來無限可能,。

 

 

　　如圖3所示,，基于SDN的軟定義智能寬帶接入網(wǎng)，將接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)無縫的融合起來,，形成統(tǒng)一的端到端的全網(wǎng)管控機(jī)制,，可以直接建立端到端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，而不需要復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，突破網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸,，實現(xiàn)端到端的QoS保證機(jī)制，對可視電話,、視頻會議,、視頻點(diǎn)播和遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用具有重大意義?；赟DN的軟定義網(wǎng)絡(luò)為接入網(wǎng)與城域網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合調(diào)度提供統(tǒng)一的接口,，開放的可編程接口，可擴(kuò)展性強(qiáng),，大大降低了開發(fā)難度。

　　SDN引領(lǐng)下一代接入網(wǎng)發(fā)展

 

　　與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的困境截然不同的是,，計算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了日新月異的發(fā)展,。PC工業(yè)已經(jīng)找到高效通用的硬件底層(X86、ARM等架構(gòu)),。在軟件定義方面,，頂層(應(yīng)用程序)和底層(操作系統(tǒng)和虛擬化)都在爆炸式地發(fā)展。

 

　　網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新亦需如此,，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）正致力于構(gòu)建簡單通用的硬件底層與一個開放的上層編程環(huán)境：底層的數(shù)據(jù)通路（交換機(jī),、路由器）是“啞的、簡單的,、最小的”,，并定義一個對外開放的公用的API，同時采用控制器來控制整個網(wǎng)絡(luò),。未來的研究人員就可以在控制器上自由地調(diào)用底層的API來編程,，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新。

 

　　SDN網(wǎng)絡(luò)旨在將網(wǎng)絡(luò)控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞蛛x,，讓網(wǎng)絡(luò)硬件產(chǎn)品不斷標(biāo)準(zhǔn)化,、通用化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程,，這樣企業(yè)便可以擺脫硬件對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制,，大幅降低網(wǎng)絡(luò)成本，網(wǎng)絡(luò)變得更加開放,、智能,、靈活。 在推崇“軟硬件分離，可管可控”的運(yùn)營商的推動下,，SDN將引領(lǐng)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新,。

 

　　基于SDN的傳送網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到廣泛關(guān)注，業(yè)界已經(jīng)推出了多款OpenFlow交換機(jī)/路由器和SDN解決方案,，然而在接入網(wǎng)領(lǐng)域,，還沒有相關(guān)研究，將FTTx技術(shù)與SDN結(jié)合,，實現(xiàn)智能靈活,、可管可控的寬帶接入網(wǎng)，進(jìn)而實現(xiàn)接入網(wǎng)與城域網(wǎng),、骨干網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能互通和資源聯(lián)合調(diào)度,，對于運(yùn)營商和用戶都意義重大。

 

　　網(wǎng)絡(luò)革命的拂曉,，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存,。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，中國一直是一個跟隨者,，而且是一個沒有取得優(yōu)良成績的跟隨者,。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的提出，涉及互聯(lián)網(wǎng)體系的深刻變革,，為中國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供了難得的機(jī)遇,。