顧  強(qiáng),，張慶順,，陳  勇

　?。ㄉ綎|省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

　　摘  要： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking,，SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)解耦合來(lái)構(gòu)建開(kāi)放可編程的網(wǎng)絡(luò),從而支持未來(lái)網(wǎng)絡(luò)和新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。OpenFlow協(xié)議作為SDN發(fā)展的里程碑,，在一些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了效果良好的應(yīng)用,，在數(shù)據(jù)中心,、移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò),、光傳送網(wǎng)絡(luò),、信息中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景更加令人矚目,。

　　關(guān)鍵詞： 軟件定義網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow協(xié)議；第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),；軟件定義光網(wǎng)絡(luò),；信息中心網(wǎng)絡(luò)

0 引言

　　云計(jì)算、云存儲(chǔ)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段,，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力提出了異常迫切的需求,，由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多由廠(chǎng)家封閉的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可編程控制能力的支持非常有限,，這促使人們重新思考網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架的變革,，而不只是單純進(jìn)行協(xié)議的增加和完善,。

　　為了解決傳統(tǒng)因特網(wǎng)發(fā)展面臨的這些問(wèn)題,，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）應(yīng)運(yùn)而生,，其核心理念是：控制平面和數(shù)據(jù)平面相分離,；控制平面與數(shù)據(jù)平面之間通過(guò)開(kāi)放的接口和標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行交互?？刂破矫媾c數(shù)據(jù)平面間南向接口協(xié)議的研究成為SDN發(fā)展的首要任務(wù),，能夠被廣泛支持的南向接口協(xié)議是改變目前封閉因特網(wǎng)構(gòu)架的關(guān)鍵，OpenFlow南向接口協(xié)議[1]的出現(xiàn)成為SDN[2]發(fā)展的里程碑,。

1 OpenFlow協(xié)議介紹

　　開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）提出的SDN構(gòu)架如圖1所示,，從上至下依次為應(yīng)用平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面[2],。所有業(yè)務(wù)邏輯均部署在應(yīng)用平面,；控制平面由集中設(shè)置的軟件控制器組成，通過(guò)北向接口向上層應(yīng)用開(kāi)放多層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可編程能力,，允許用戶(hù)根據(jù)特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景靈活地制定各種網(wǎng)絡(luò)策略,，通過(guò)南向接口協(xié)議對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè),、轉(zhuǎn)發(fā)決策以處理和調(diào)度數(shù)據(jù)平面的流量,；數(shù)據(jù)平面由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成。

　　OpenFlow交換機(jī)規(guī)范明確定義了交換機(jī)組成和OpenFlow協(xié)議在交換機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方式,。OpenFlow交換機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)或多個(gè)流表（flow table）和一個(gè)組表（group table）,，以及與OpenFlow控制器進(jìn)行通信的安全通道接口。為避免單流表過(guò)度膨脹,，在OpenFlow協(xié)議1.1以后的版本引入了多級(jí)流表機(jī)制,。OpenFlow規(guī)范中定義的交換機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　OpenFlow協(xié)議1.0[3],、1.1[4],、1.2[5]中每個(gè)流表項(xiàng)包含匹配字段,、計(jì)數(shù)器及一組指令,，每個(gè)數(shù)據(jù)包包頭的信息與匹配字段進(jìn)行匹配,，如果匹配則執(zhí)行這個(gè)流表后面定義的指令并進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果這個(gè)交換機(jī)里所有流表均不能匹配,，則把這個(gè)數(shù)據(jù)包的包頭或整個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)安全通道上交給OpenFlow控制器,，由OpenFlow控制器決定這個(gè)數(shù)據(jù)包如何轉(zhuǎn)發(fā)，并生成流表通過(guò)安全通道下發(fā)到相應(yīng)的OpenFlow交換機(jī),。OpenFlow交換機(jī)里設(shè)置了這個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的流表,，可以正確轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)包。計(jì)數(shù)器對(duì)經(jīng)過(guò)交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類(lèi)計(jì)數(shù)以滿(mǎn)足各種管理統(tǒng)計(jì),。

　　在OpenFlow協(xié)議1.3[6],、1.4[7]中流表又增設(shè)了優(yōu)先級(jí)、超時(shí)設(shè)定,、保留字段等參數(shù),。OpenFlow協(xié)議流表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　流表表頭部分的匹配字段在OpenFlow協(xié)議1.0版本中共包含12個(gè)參數(shù)：輸入端口,、MAC源地址,、MAC目的地址、以太網(wǎng)類(lèi)型,、VLANID,、VLAN優(yōu)先級(jí)、IP源地址,、IP目的地址,、IP協(xié)議、IP ToS 位,、TCP/UDP 目標(biāo)端口,、TCP/UDP源端口。OpenFlow協(xié)議1.1版本中增加了對(duì)于VLAN和MPLS標(biāo)簽的處理,。OpenFlow協(xié)議1.2版本中下發(fā)規(guī)則的匹配字段不再通過(guò)固定長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)來(lái)定義,，而是采用了TLV(Type,Length,Value)結(jié)構(gòu)定義匹配字段，稱(chēng)為OXM（OpenFlow Extensible Match）,，這樣用戶(hù)就可以靈活下發(fā)自定義的匹配字段，增加了更多關(guān)鍵字匹配字段的同時(shí)也節(jié)省了流表空間,。OpenFlow協(xié)議1.3版本流表支持的匹配關(guān)鍵字已經(jīng)增加到40個(gè),。這樣就可以跨越物理層、介質(zhì)層,、網(wǎng)絡(luò)層,、應(yīng)用層四個(gè)層級(jí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行匹配,，每個(gè)參數(shù)都可以通配，參數(shù)之間可以靈活組合,，數(shù)據(jù)報(bào)文以流為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā),，而不是像傳統(tǒng)因特網(wǎng)以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率,，而且更加靈活。

　　OpenFlow控制器利用OpenFlow協(xié)議通過(guò)安全通道對(duì)OpenFlow交換機(jī)內(nèi)的流表進(jìn)行添加,、修改,、刪除、查詢(xún)等操作,，最終完成各種網(wǎng)絡(luò)行為,。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及發(fā)展前景

　　以O(shè)penFlow協(xié)議為基礎(chǔ)的SDN體系結(jié)構(gòu)是一種嶄新的構(gòu)架，激發(fā)了研究機(jī)構(gòu),、新興網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的濃厚興趣,，自2009年發(fā)布可用于商業(yè)化產(chǎn)品的OpenFlow協(xié)議1.0版本至今，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),、校園網(wǎng),、企業(yè)網(wǎng)等場(chǎng)景已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了效果良好的應(yīng)用。其在數(shù)據(jù)中心,、移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò),、光傳送網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加令人矚目,。

3 數(shù)據(jù)中心

　　SDN能以流為顆粒度對(duì)報(bào)文進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)發(fā),，這就賦予它在流量工程方面的天然優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的備份同步均需要巨大的帶寬開(kāi)銷(xiāo),，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為保證鏈路的可用性,，往往需要鏈路保持在輕載狀態(tài)，造成了鏈路資源的嚴(yán)重浪費(fèi),。谷歌公司在2012年實(shí)施的B4項(xiàng)目充分展示了SDN這方面的優(yōu)越性,，谷歌公司采用OpenFlow技術(shù)把分布在美國(guó)、智利,、比利時(shí),、愛(ài)爾蘭、芬蘭,、新加坡及中國(guó)臺(tái)灣的12個(gè)數(shù)據(jù)中心連接起來(lái),，成為第一個(gè)廣域商用的SDN，通過(guò)OpenFlow技術(shù)在流量工程方面的應(yīng)用,，其平均鏈路利用率從30%～40%提升到70%左右,，甚至在很多鏈路中忙時(shí)能夠接近100%,，這個(gè)項(xiàng)目的成功使產(chǎn)業(yè)界對(duì)SDN充滿(mǎn)信心[8]。

　　SDN在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)管理和節(jié)能減排方面同樣具有廣泛的發(fā)展前景,。隨著云計(jì)算,、虛擬化技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬機(jī)的廣泛應(yīng)用使數(shù)據(jù)中心為新租戶(hù)分配計(jì)算,、存儲(chǔ)資源和刪除現(xiàn)有租戶(hù),、釋放資源變得異常便捷，但傳統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)這種變化,，租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)資源的分配和隔離需要耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)調(diào)整實(shí)體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并更改設(shè)置,，SDN通過(guò)集中的控制平面可以非常方便靈活地完成網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)整和配置。

　　數(shù)據(jù)中心近年來(lái)一直以驚人的速度發(fā)展,，數(shù)據(jù)中心的處理能力需要經(jīng)得住忙時(shí)峰值業(yè)務(wù)的考驗(yàn),，這就造成數(shù)據(jù)中心設(shè)備忙時(shí)和閑時(shí)利用率差別較大。數(shù)據(jù)中心設(shè)備多為高耗能設(shè)備,，2014年全國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量近一千億度,，閑時(shí)設(shè)備的利用率甚至不足20%，如何在閑時(shí)把業(yè)務(wù)歸集遷移然后休眠多余計(jì)算能力是目前研究的重點(diǎn),。虛擬機(jī)遷移技術(shù)解決了業(yè)務(wù)的遷移,，但以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法隨業(yè)務(wù)遷移同步智能改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為解決數(shù)據(jù)中心能源浪費(fèi)問(wèn)題的瓶頸,。虛擬機(jī)技術(shù)和SDN相結(jié)合來(lái)解決數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排,、綠色發(fā)展的研究得到了廣泛的關(guān)注。

4 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)

　　第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（IMT-2020）的研發(fā)工作正如火如荼地開(kāi)展,，采用SDN組網(wǎng)和全新的空中接口設(shè)計(jì)成為共識(shí),。融合SDN的理念，軟件定義空中接口（Software-Defined Air Interface,SDAI）可能成為IMT-2020無(wú)線(xiàn)側(cè)有效的解決方案[9,10],。OpenRadio項(xiàng)目[11]在SDAI方面做了一些有意義的嘗試,，利用可編程的物理層和介質(zhì)層來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面，這個(gè)數(shù)據(jù)平面可以通過(guò)編程兼容多種技術(shù)制式的網(wǎng)絡(luò)（如WIFI,、WiMAX,、GSM、3G,、LTE等）,，這些數(shù)據(jù)平面接入到SDN中來(lái)，然后通過(guò)北向接口連接到業(yè)務(wù)應(yīng)用控制平臺(tái),，由業(yè)務(wù)應(yīng)用控制平臺(tái)對(duì)用戶(hù)集中進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯控制,、移動(dòng)性管理，這樣用戶(hù)就可以跨越異構(gòu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)僅以接入信號(hào)質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)選擇網(wǎng)絡(luò),。

　　ONF于2013年9月發(fā)布了《移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)OpenFlow應(yīng)用白皮書(shū)》[12],，其對(duì)OpenFlow技術(shù)在移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用給出了構(gòu)架建議，提出了在小區(qū)間無(wú)線(xiàn)干擾管理和移動(dòng)流量管理等方面的應(yīng)用實(shí)例,。

5 光網(wǎng)絡(luò)

　　互聯(lián)網(wǎng)和電信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展,，對(duì)傳送網(wǎng)帶寬和靈活組網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求，智能光傳送網(wǎng)絡(luò)因此也得到了快速發(fā)展,。但是光網(wǎng)絡(luò)集中控制（特別是多廠(chǎng)家設(shè)備集中控制）,、靈活設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)策略、根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)光轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行編程控制等諸多技術(shù)還有待突破[13],。

　　軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Optical Networks, SDON）將SDN技術(shù)應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò),，構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的新一代光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。SDON通過(guò)將控制與傳送平面解耦,，屏蔽光網(wǎng)絡(luò)物理技術(shù)細(xì)節(jié),，簡(jiǎn)化現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜和私有的控制管理協(xié)議；采用集中控制策略,，提高光網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)度和協(xié)同控制能力,；通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)接口，提供光網(wǎng)絡(luò)的可編程能力,，滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)虛擬化,、業(yè)務(wù)靈活快捷提供、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新等發(fā)展需求,。

　　ONF于2013年4月成立了光傳送工作組（Optical Transport Working Group,，OTWG)，已完成SDON架構(gòu),，于2014年下半年聯(lián)合舉辦了SDON互操作性演示,，基于Openflow和RESTful協(xié)議成功實(shí)現(xiàn)了多廠(chǎng)商互操作。2014年12月份中國(guó)電信協(xié)調(diào)華為,、中興,、烽火進(jìn)行了基于Openflow和RESTful協(xié)議的SDON互通測(cè)試，業(yè)務(wù)測(cè)試也在進(jìn)行之中[14],。

6 信息中心網(wǎng)絡(luò)

　　互聯(lián)網(wǎng)誕生時(shí)計(jì)算資源比較稀缺,，為了提高計(jì)算資源的利用率，設(shè)計(jì)了一種以主機(jī)為中心的互聯(lián)網(wǎng)模式,，其最基本的特征是使用IP地址標(biāo)識(shí)主機(jī),，所有的網(wǎng)絡(luò)行為都與IP地址密切相關(guān)。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,，信息成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主體,，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的主要行為已經(jīng)演變成對(duì)海量?jī)?nèi)容的獲取，不同用戶(hù)對(duì)同一內(nèi)容的訪(fǎng)問(wèn)在主機(jī)為中心的模式下會(huì)造成部分網(wǎng)絡(luò)反復(fù)傳送相同的內(nèi)容,，既浪費(fèi)了資源,，也影響了服務(wù)質(zhì)量,，目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很難適應(yīng)今后互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　為解決這個(gè)問(wèn)題,，學(xué)術(shù)界提出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該從當(dāng)前以主機(jī)為中心的體系架構(gòu),，演進(jìn)到以信息為中心的架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)的基本行為模式應(yīng)該是請(qǐng)求和獲取信息,，而非實(shí)現(xiàn)端到端可達(dá),，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric Networking,ICN）。目前實(shí)踐ICN 的研究項(xiàng)目主要有：CCN,、NDN,、DONA、NetInf,、PSIRP 等,。下面以CCN（Content-Centric Networking）為例介紹其原理。

　　CCN中包含兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，分別是興趣分組（Interest Packet）和數(shù)據(jù)分組（Data Packet）,。興趣分組主要包含內(nèi)容命名；數(shù)據(jù)分組除了內(nèi)容命名外,，還有安全簽名和數(shù)據(jù),。CCN網(wǎng)絡(luò)的通信是由數(shù)據(jù)請(qǐng)求者驅(qū)動(dòng),為了獲取內(nèi)容，請(qǐng)求者向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送興趣分組,，路由器記錄收到興趣分組的接口,，先查詢(xún)與路由器相連的內(nèi)容倉(cāng)庫(kù)（Content Store，CS）,，如果 CS 中已經(jīng)緩存了該內(nèi)容,，則直接返回?cái)?shù)據(jù)分組，通信完成,；如果在CS 未能命中,，則檢索待定興趣表（Pending Interest Table，PIT）,，如果發(fā)現(xiàn)命名相同的條目,，意味著同樣的請(qǐng)求已經(jīng)由本節(jié)點(diǎn)發(fā)出，但請(qǐng)求者卻還未收到數(shù)據(jù)分組,，此時(shí)只需將收到興趣分組的端口添加到現(xiàn)存條目中,，當(dāng)數(shù)據(jù)分組返回時(shí)，會(huì)按照多個(gè)記錄端口返回,，這樣就減少了數(shù)據(jù)分組不必要的重發(fā),；如果在PIT未能命中，則在PIT中存儲(chǔ)該興趣分組，然后在轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)（Forwarding Information Base,，F(xiàn)IB）中查找命名并轉(zhuǎn)發(fā)興趣分組,。當(dāng)興趣分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)分組將會(huì)按記錄的PIT原路返回,，沿路刪除 PIT 條目,，并根據(jù)緩存策略決定是否緩存在途經(jīng)節(jié)點(diǎn)的CS中便于其他同類(lèi)請(qǐng)求使用,，這樣的一次請(qǐng)求和內(nèi)容返回就構(gòu)成了CCN網(wǎng)絡(luò)的基本通信過(guò)程[15-18],。

　　通過(guò)CCN網(wǎng)絡(luò)的基本通信過(guò)程可以看出：以?xún)?nèi)容請(qǐng)求為中心的ICN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)避免了內(nèi)容的冗余傳輸，但其也存在一些不足,，如缺乏內(nèi)容的主動(dòng)推送,，缺乏全網(wǎng)的集中控制機(jī)制，缺乏協(xié)議快速演進(jìn)部署的能力,，而這些正是SDN技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),； SDN 技術(shù)缺乏緩存機(jī)制、缺乏內(nèi)容控制,，而這些缺點(diǎn)恰好是ICN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),。綜合研究利用SDN和ICN這兩種技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短,，是解決目前網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題和確定未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展的重要方向之一,。

7 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離和設(shè)置集中的控制平面，SDN降低了網(wǎng)絡(luò)管控的復(fù)雜度,，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的軟件編程控制能力,。得益于SDN開(kāi)放的體系架構(gòu)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均能在SDN平臺(tái)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)創(chuàng)新,，產(chǎn)生了一些令人矚目的研究成果,，隨著SDN的發(fā)展成熟其應(yīng)用前景會(huì)更加光明。

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