SDN技術(shù)的起源與openflow技術(shù)研究

本文共分為四個(gè)部分：第一部分SDN的概述；第二部分：Openflow技術(shù)及其相關(guān)組件和研究的進(jìn)展；第三部分：SDN面臨的問題和解決思路；第四部分：SDN的應(yīng)用部署。

第一部分：SDN概述：

SDN，軟件定義網(wǎng)絡(luò)，分離了網(wǎng)絡(luò)的控制面和數(shù)據(jù)面，為研發(fā)網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用和未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了一種新的解決方案。

為什么會(huì)出現(xiàn)SDN?

1、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的弊端

互聯(lián)網(wǎng)的接入方式和網(wǎng)絡(luò)角色定位發(fā)生了根本性的變化，移動(dòng)接入、物聯(lián)網(wǎng)成為互聯(lián)網(wǎng)的主要接入方式，云計(jì)算成為主要的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算模式，多媒體分享應(yīng)用和社交網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)的新型應(yīng)用，網(wǎng)路已經(jīng)成為信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理于一體的信息化平臺(tái)。但是這卻使以IP地址為核心的，點(diǎn)對點(diǎn)通信的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)在可擴(kuò)展性、動(dòng)態(tài)性、安全可控性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

可擴(kuò)展性：流量激增和路由表急劇膨脹已經(jīng)影響到了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。根源在于以IP地址為核心的點(diǎn)對點(diǎn)的通信模式。NDN/CDN

動(dòng)態(tài)性：便攜式移動(dòng)終端的日益普及、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得低智能終端數(shù)量爆發(fā)性的增長。以移動(dòng)為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（安全機(jī)制+全局名字解析）

安全可控性：通過擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IPsec、SSL）、增加安全設(shè)備（防火墻）。

PS: IP地址為核心的點(diǎn)對點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)中，服務(wù)資源與物理網(wǎng)絡(luò)缺乏互感互知，比如P2P遇到的問題。

2、路由器的缺陷

網(wǎng)絡(luò)的核心路由器，承載的功能不斷擴(kuò)展，如分組過濾、區(qū)分服務(wù)、多播、服務(wù)質(zhì)量、流量工程等，路由器最初定義的“啞的”、“簡單的”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元已經(jīng)變得臃腫不堪。現(xiàn)在的路由器只能通過命令行接口等方式對外開放少量功能，研究人員難以在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中試驗(yàn)和部署新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

第二部分：penflow技術(shù)及其相關(guān)組件和研究的進(jìn)展

Openflow，狹義的SDN，指的是SDN控制平面和數(shù)據(jù)平面之間多種通信協(xié)議之一，是SDN的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。SDN最初作為SDN的原型提出時(shí)，主要是由Openflow交換機(jī)、控制器兩部分組成。最初提出SDN是試圖通過一個(gè)集中式的控制器，讓網(wǎng)絡(luò)管理員可以方便的定義基于網(wǎng)絡(luò)流的安全控制策略，并將這些策略應(yīng)用到各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中去，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的安全控制。

Openflow交換機(jī)有三部分組成：流表、安全通道、openflow協(xié)議。

1、流表：為了提升流量的查詢效率，目前的流表查詢通過多級(jí)流表和流水線模式來獲得對應(yīng)的操作，流表項(xiàng)主要包括：匹配域、計(jì)數(shù)器、操作這三部分組成。匹配域的結(jié)構(gòu)包含了很多匹配項(xiàng)，涵蓋了鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、和傳輸層的大部分標(biāo)識(shí)。

2、Openflow協(xié)議，隨著Openflow規(guī)約的不斷發(fā)展，VLAN、MPLS、ipv6等協(xié)議也逐漸擴(kuò)展到Openflow標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。

3、Openflow采取流的匹配和轉(zhuǎn)發(fā)模式，因此在Openflow中不再區(qū)分路由器和交換機(jī)，二是統(tǒng)稱為Openflow交換機(jī)。

安全通道是連接Openflow交換機(jī)與控制器的接口，控制器通過這個(gè)接口，按照Openflow協(xié)議的規(guī)定格式來配置和管理openflow交換機(jī)。

目前基于軟件實(shí)現(xiàn)的Openflow的交換機(jī)有兩個(gè)版本，都部署在Linux系統(tǒng)中：基于用戶空間的軟件Openflow交換機(jī)操作簡單，便于修改，但是性能較差；基于內(nèi)核空間的軟件，Openflow交換機(jī)速度較快，提供虛擬化服務(wù)，但實(shí)際修改和操作復(fù)雜。

控制器：

1、在基于NOX的Openflow網(wǎng)絡(luò)中，NOX是控制中心，運(yùn)行在NOX之上的應(yīng)用程序通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)視圖中的全局?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)而操作Openflow交換機(jī)來對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制。NOX實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的基本管控功能，為Openflow網(wǎng)絡(luò)提供了API的基礎(chǔ)控制平臺(tái)，但是未能提供充分的可靠性和靈活性來滿足可擴(kuò)展的需求。

2、為使控制器能夠直接部署在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)之中，解決多控制器對openflow交換機(jī)的控制共享問題，同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)虛擬化的現(xiàn)實(shí)需求，flowvisor實(shí)現(xiàn)了在交換機(jī)和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)虛擬層，踏實(shí)的硬件轉(zhuǎn)發(fā)平面能被多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)切片共享，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片擁有不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略。在這種模式下多個(gè)控制器能夠同時(shí)管控一臺(tái)交換機(jī)，多個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中。

SDN的功能：

應(yīng)用層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)不通的應(yīng)用需求，調(diào)用控制層的北向接口，實(shí)現(xiàn)不同功能的應(yīng)用程序。通過這種軟件模式，網(wǎng)絡(luò)管理者能夠通過動(dòng)態(tài)的SDN應(yīng)用程序來配置、管理、優(yōu)化底層的網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)靈活可控的網(wǎng)絡(luò)。這也是SDN開放性和可編程性最重要的體現(xiàn)。

第三部分：SDN面臨的問題和解決思路

1、SDN轉(zhuǎn)發(fā)平面的設(shè)計(jì)問題，隨著Openflow的規(guī)約不斷發(fā)布，交換機(jī)的流表也從最初的單表結(jié)構(gòu)變?yōu)槎啾斫Y(jié)構(gòu)，流表項(xiàng)匹配字段也支持ipv6、MPLS等，這就意味著Openflow交換機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

2、控制平面的可擴(kuò)展性：隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，需要多控制器的解決方案，而控制單元的數(shù)量和他們之間的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的協(xié)同和交互如何實(shí)現(xiàn)，還需要深入研究。

3、SDN控制邏輯的一致性。雖然控制平面能夠?qū)⒖刂七壿嫾胁渴鸬秸麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)，但數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備仍然是一個(gè)分布式的系統(tǒng)，可能存在的延遲，難以保證一致性，有可能造成斷路，丟包的問題。

4、運(yùn)算壓力大、軟件復(fù)雜度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性存在隱患：為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程性，應(yīng)用程序會(huì)被賦予大量對環(huán)境的控制權(quán)，而這容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

5、控制器接口尚未標(biāo)準(zhǔn)化

6、網(wǎng)絡(luò)集中控制固有的安全隱患，SDN安全問題的獨(dú)特性在于SDN管理的集中性和開放性。控制面安全（監(jiān)聽）、應(yīng)用層安全（蠕蟲，惡意軟件），通過授權(quán)、訪問控制等來解決控制層面的問題，通過控制器提供的編程接口進(jìn)行鑒定應(yīng)用層的應(yīng)用。

7、市場利益