SDN软件定义网络技术发展论文

2021-02-13 论文

　　1前言

　　为了满足未来互联网业务的需要，互联网行业内已经形成了“当前是采取新的设计理念、创新网络体系构架的时候”的趋势，对以后网络的体系架构提出了本质上变革和多业务功能开发需。软件定义网络SDN的出现使得研究人员有了全新的研究理念。从SDN的提出、发展、基本理论介绍入手，对SDN的技术特征、逻辑构架作了相应的分析，对SDN的国内外研究现状与标准化进行作了适当的阐述，提出了未来发展过程中SDN面临的机遇与挑战，并对可能的探索方向作了相应的总结。

　　2SDN起源与概念

　　2006年，斯坦福大学开始实施“Clean-SlateDesignfortheInternet”项目，该项目的目标是探索与传统网络技术不一样的全新的互联网思想，解决现在基础网络构架的局限性，以高效地推动创新科技与新型网络技术的发展。在这个项目中，斯坦福大学的NickMcKeown教授和他的学生MartinCasado等设计了一种Ethane网络技术架构，它是向以流为基础的以太网交换机经过集中控制器发送路由策略与控制信息，实现对流的控制和路由的统一。之后NickMcKeown教授与MartinCasado等研究人员提出OpenFlow的理念，其基本观点是将现有网络设备的路由控制平面与数据转发平面相分离，以标准化接口的形式采取一个集中控制器对各种网络设施作相应的管理与配置，而这些网络设施只执行接收控制器的命令和转发操作。这种网络架构为网络资源灵活性设计、高效集中的管理和分布式的使用提供了强有力的支持，有效推动网络技术的进一步革新与发展。因为OpenFLow具备开发的网络编程接口，所以Ethane被业界普遍认为是SDN技术的起源与雏形理念。作为一种新兴互联网技术，SND经过对网络设施数据平面与控制平面的分离，将网络控制与资源调度能力抽象为应用程序接口（API:ApplicationProgrammingInterface），并将其提供给应用层，从而构建了可编程的、具有开放性的互联网环境，在对各种底层网络资源虚拟化的前提下，能够对网络进行集中的管理与控制。与传统网络将控制系统嵌入到网络设施中相对比，SDN能够将网络设施的控制能力集中到中央控制器，经由互联网操作系统使得业务配置与网络控制更加自动化、更加灵活。

　　3SDN体系架构与标准化进程

　　3.1SDN体系架构

　　从现网数据通信路由交换设备设计上来看，它由控制、转发和管理三个平面组成，从功能逻辑上进行3个不同层次的划分，各负其责。其中控制层面需要支持的各种规范与协议，如IGP、BGP、Multi-Casting、QOS、TE、NAT、firewall、MPLS、VPN等，已经使得路由器的实现与设计流程都非常复杂。SDN目的就是把整个网络的控制平面功能从传统网络设备硬件中剥离出来，由单独的服务器对网络的集中控制和管理。软件定义网络体系结构图，是ONF（OpenNetwork-ingFoundation:开放基金会）提出的SDN的典型构架，从上到下，SDN网络体系构架包括应用层、控制层与基础设备层3部分。其中应用层在上层，包含各种不同的应用与业务，控制层在中层，负责对网络资源的调度作相应的处理，对状态信息与网络拓补作适当的维护，基础设备层在下层，主要具有状态采集、数据转发与处理功能。SDN有两个关键的接口，分别是控制层与应用层之间的接口以及基础设备层与控制层之间的接口，这两个接口在SDN构架中占据十分重要的地位。其中，基础设备层中的经典互联网设施与控制层中控制软件之间的接口叫做控制数据面接口；应用层各个应用与控制层之间的接口叫做API接口；OpenFlow网络主要由3个部分组成，分别是：OpenFlow协议、安全通道与OpenFlow交换由流表。OpenFlow交换接到报文数据后，第一步是对流表作相应的查找，找到对应匹配的转发报文数据，并给出相关操作。如果没有找到表项匹配，就把报文数据转发到控制层中，让控制器负责其下一步的转发动作。控制器经过OpenFlow协议来操作，并对OpenFlow交换中的流表作相应的更新，从而能够集中对网络流量进行控制与管理。控制层对底层互联网基础资源作相应的抽象，为上层应用层提供全局的虚拟化视图，完全通过软件实现，脱离了网络控制功能与硬件网络设施之间的紧耦合捆绑。控制层为应用层提供了具备开放性的接口，能够对控制器执行编程操作，来实现对应用的网络流量以及各种流量模型的控制，从而方便网络对流量的感知，促进互联网智能化的实现。

　　3.2SDN架构的特征

　　从上述介绍中能够看出，归纳总结起来，SDN应具备的3大特点：

　　（1）集中化控制：通过SDN的三层结构，控制器的集中控制可以获取互联网状态的所有信息，并可以按照业务的实际需要对资源进行全局的优化与配置，例如负载平衡、QOS、流量工程等。与此同时，整个互联网通过集中控制功能能够在逻辑层面被看做是由一台网络设施执行维护与运行功能，不用到现场对物理设施作相应的配置，促进了网络维护与控制方便性的全面提升。

　　（2）开放接口：通过北向与南向接口的开放，使得网络能够与各类业务需要无缝衔接，经过开放接口人为灵活地使用编程的方式通知网络怎样工作才更能符合业务的需要，比如延迟、带宽、服务类型、计费等对路由的影响等。同时，通过可编程接口，可以使得用户自主对资源进行调用，对网络业务进行开发，使得新业务的.上线周期明显缩短。

　　（3）网络资源虚拟化：通过南向接口的开放，能够对底层物理转发设施间的差别进行屏蔽，使得底层网络对上层应用具备较强的透明性。当物理网络与逻辑网络分离开后，逻辑网络能够按照实际业务的要求，在不受到物理设施所处位置的约束条件下进行迁移与配置。而且，逻辑网络还能够满足用户的网络定制与多用户的共享需要。SDN的转发平面与控制平面的分离，使得把控制器从传统互联网设施中抽离出来并集中控制有了可供参考的依据。南向接口理念（OpenFlow）的提出，使得底层网络转发设施的集中控制与管理成为了可能。对上层应用来说，物理网络具有透明化的特点。SDN的体系架构和多样化的标准接口，未来会促进网络能力更加方便地调用，互联网业务也更容易的被创新。

　　3.3SDN标准化进程

　　ONF是推动SDN网络规范化工作的国际组织之一。ONF标准组织为SDN体系规范化的首个接口就是OpenFlow，当前有关规范的定义已经更新到了1.4版本。虽然ONF是制定SDN标准的主要组织，而牵涉到互联网虚拟化规范制定的则是ETSINFV（NetworkFunctionVirtualization：网络功能虚拟化）。而且，许多有关的规范化组织也都在大力进行SDN标准的制定，例如IETF（InternetEngineeringTaskForce：互联网工程任务组）、ITU-T（ITU-TforITUTelecommunicationStan-dardizationSector：国际通信联盟电信规范化组织）等。NFV主要是部署大量服务器，通过服务器的容量堆叠和虚拟化实现存储容量的扩大，其目标是希望经过采取行业内标准的交换机、储存、服务器以及规范化互联网虚拟化技术所承载的软件功能，确保能够灵活地加载各种软件，从而可以在用户端、控制器以及数据中心实现灵活的配置与部署，使得各种业务部署的复杂度与难度都得以显著下降。IETF研究在传统网络各类协议的基础上，在网络层与应用层之间添加SDN插件来开展开放式能力的封装，以对已有的各种IP网络技术与路由协议进行重用与保留。ITU-T研究组是讨论SDN构架与信令需求的探索工作，对SDN协议兼容性、消息的实现协议与机制、消息参考架构、消息需求等标准的制定，并将确保能够与ONF制定的OF-CONFIG与OpenFlow协议具有较好的兼容性。总体来说，SDN目前虽然在市场上已经开始了应用，但是各研究机构对SDN的研究标准还有待统一和未来进一步的完善发展。

　　4SDN技术在未来的发展

　　SDN将网络底层的各类实体资源虚拟化--软件可以实时地对SDN网络中的转发设备通过北向接口编程的方式进行重新定义和重写，这个网络只需要具备基本转发功能的硬件设备就可以了，大大降低了网络对设备各项功能的依赖程度；实现网络控制集中化，业务配置虚拟化，设备硬件商品化，使得网络的规模和性能迅速和灵活地扩充。SDN技术的兴起在面临众多挑战的同时，也带来了很多发展机遇。SDN可扩展性的探索使得SDN具有深入发展的可能性，OpenFlow协议已经成为SDN使用最为普遍的一种南向接口标准，但是该协议仍然不够完善，版本仍然处于快速更新中。SDN的业界应用没有一个统一详细的技术协议标准，而且一些关键技术的研究突破还有待时日。SDN技术探索现在主要在如下几点进行：

　　（1）SDN跨域通信与规模部署研究；

　　（2）传统网络与SDN共存问题研究；

　　（3）SDN在大数据应用与数据中心的研究；

　　（4）SDN网络的安全以及控制器的热备份等问题的研究；

　　（5）SDN与其他新型网络架构融合的研究。

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