新型网络架构

尹秀兰

摘 要：SDN是继大数据、云计算之后的新一代信息技术之一。是目前为业界公认的一种新型网络架构模式，是网络虚拟化的一种实现方式，其将网络资源软件化，提供网络的可编程性。其技术体系分为三层结构：应用层、控制层和基础设施层。这种新型网络架构模式与传统网络模式相比较有很多优势，当然也有它的不足。当前，SDN技术已经被全球各大公司应用在不同场景，如美国的FOX公司、谷歌公司、国内的阿里等。

关键词：SDN 软件定义网络 新型网络架构模式 SDN与传统网络

中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0158-03

随着大数据、云计算技术的发展，传统网络架构的分布式管理、无法弹性流量控制等局限性日益凸显，诸多方面呼唤一种新型网络架构模式的出现。软件定义网络（SDN：Software Defined Network）是目前为业界公认的一种新型网络架构模式，其将网络资源软件化，提供网络的可编程性，是网络虚拟化的一种实现方式。这种新型网络架构模式将比传统网络架构模式更快、更好、更简单地实现各种网络功能特性。

1 SDN的起源与发展

SDN是一种新型网络架构模式，它最重要的特点是将控制平面和数据平面分离。2006年，SDN概念诞生于美国的斯坦福大学，SDN出现的最终目的是要重新发明因特网，旨在改变局限性日益凸显，且难以进化发展的现有传统网络架构。

2 SDN技术体系

SDN技术将传统网络设备中锁定在一起的的控制层与数据转发层进行了分离，实行了集中管理制，将原本属于各网络设备的管理控制权进行集中化管理，将网络架构体系分成了三层：基础设施层、控制层和应用层。基础设施层负责根据控制层发出的指令进行数据转发、设备状态信息收集等动作，本身不做任何决策，只是执行层，相当于人类的四肢，受大脑控制和支配。控制层在整个架构中起到核心和关键作用，它相当于人的大脑，掌控着基础设施层的所有资源，包括网络拓扑维护、设备状态信息监控等，它能根据应用层提出的各种业务需求对基础设施层的网络资源进行合理调配。应用层是直接面对客户的各种业务应用系统，它相当于人类大脑中各种各样的想法，针对不同业务系统出现的各种各样的需求，向控制层提出，控制层根据掌控的网络资源进行调度和分配，尽量满足应用层提出的各种应用需求。如图1所示。

控制器是SDN网络的关键，主控整个网络的运行。目前已经有很多SDN控制器，例如RYU、OpenDaylight、Floodlight、ONOS等，它们都各有特色，能够实现网络拓扑的管理、流表下发、流量控制策略、网络访问策略等的制定。基础设施层的主要设备是SDN交换机，也被称为白盒交换机，在网络中负责基于流表的数据转发处理。控制器通过南向接口向SDN交换机传达指令，SDN交换机的设备状态、拓扑信息等也都经由南向接口向控制器传达。南向接口相当于连接大脑与四肢的神经系统，是由ONF（开放网络基金会）提出的。目前已经获得了业界广泛支持的南向接口协议——OpenFlow，已经成为了SDN领域的事实标准。OpenFlow协议解决了如何把控制器流表下发给SDN交换机等数据转发设备的问题；同时ONF还提出了OF-CONFIG协议，旨在远程配置和管理基础设施层的SDN交换机等数据转发设备，实现对SDN交换机等底层设备的集中化管理和控制。控制器与应用层是通过开放的北向接口连接的，是直接为应用层的业务应用服务的，它需要密切联系具有多样化需求的业务应用系统。北向接口的目标是使得业务应用能够按需便利地调用底层的网络资源。目前北向接口的标准尚未达成共识，但是其充分的开放性、灵活性、便捷性备业界广泛认可。目前北向接口比较多样化，RESTful API是目前被业务应用系统开发者经常使用的一种北向接口，是网络中client客户端和server服務端的一种交互形式。另外，部分传统网络设备生产商也在其现有设备上也提供了可编程网络接口供业务应用调用，作为SDN北向接口。北向接口作为连接SDN控制器和用户应用系统的重要传输通道，关乎SDN网络的的实际应用价值与能力，其接口标准仍未统一。

3 SDN与传统网络的比较

传统网络设备（如交换机、路由器、防火墙等）的控制层面与数据转发层面绑定在一起，由设备生产商锁定和控制，网络的控制与物理网络拓扑绑定，网络设备是分布式管理机制；不同厂商生产的网络设备采用不用的配置命令或专有协议，厂商间的私有协议、命令等并未实现标准化，网络实施须每设备登录配置，网络工程实施人员需掌握不同厂商的配置命令等内容，增加了网络运维管理的难度，用户无法实现对不同厂商设备的集中控制与管理，同时应用层的设计也只能基于现有基础设施生产厂商预设的功能，某些情况下为了实现新功能必须购置其他种类的设备，既增加了网络运维成本，同时也极大地限制了网络的灵活性。

SDN网络与传统网络最大的区别是实现了控制层与基础设施层的分离。通过开放的OpenFlow协议实现控制层与基础设施层间的交互，采用标准化的SDN交换机替代不同生产厂商预制的传统网络设备。控制层与基础设施层分离后，打破了传统网络设备的分布式管理机制，提高了设备管理的灵活性，可以实现网络设备的集中管理。标准化通用设备SDN交换机替代传统的专用预制设备，有效节约运营成本。传统设备不仅需要较高的采购成本以满足不同的应用需求，同时根据不同的业务应用需求对采用不同协议的设备进行配置也是一项需要消耗大量人力与时间的工作，进而带来较为高昂的运营成本。使用标准化的设备以及控制层的集中管理可以有效提高设备的使用效率，并减少配置维护的人工投入。

4 SDN应用与趋势

目前，SDN技术已经被全球各大公司的应用在不同场景，如，美国FOX公司利用SDN技术进行超级碗节目的转播，用SDN技术实现报文在网络中更细粒度的控制，利用控制器实现流量调度；谷歌公司将SDN技术应用于其骨干网，以改善其骨干网链路带宽利用低的问题；国内的阿里为了应对每年的双11活动，在阿里云和网络采用了SDN技术，保证双11期间巨大流量的网络传输和弹性流量调度与资源调配。

当前，服务器虚拟化、存储虚拟化等技术已经被广泛应用在云计算平台中，它们将最底层的CPU、内存、硬盘等物理资源以建立资源池的方式进行共享，根据需求进行动态分配给用户使用。OpenStack是目前最活跃的一个开源云计算管理平台，是SDN控制器的一个重要应用。OpenStack是目前在云计算领域中运用在SDN应用层的云管理平台，应用层业务系统的管理者和使用者可利用SDN插件，通过开放的北向接口与SDN控制器对话，可便捷地调配SDN控制器主控的基础设施层网络资源。当有云计算平台的云主机发出应用需求时，相关的数据转发策略、网络访问策略等配置可以在OpenStack管理平台上集中制定并进而驱动SDN控制器统一地、自动下发到相关的SDN交换机上。因此，网络资源可以和计算、存储等虚拟化资源一样，以逻辑资源的形式统一呈现给业务应用开发者，开发者无需针对底层具体网络设备耗费大量开销，这有助于新业务应用和网络功能的快速创新。

SDN逐步由技术驱动转向应用驱动，由客户需求、客户应用来驱动SDN进一步向前发展。针对不同的业务需求，实现场景化、自动化、柔性化与开放性。

5 结语

SDN这种新型网络架构模式的实质是将网络资源可编程化，最终目标是服务于多样化的业务应用需求和创新，按需调配逻辑化的网络资源、应对弹性流量、创新应用业务、缩短新网络功能迭代周期等。

参考文献

[1] 陆华兴.基于OpenFlow的SDN技术分析[J].通讯世界，2018（12）：23-24.

[2] 叶斐.SDN在电力通信网中的适应性研究[D].重庆大学，2014.

[3] 左青云，陈鸣，赵广松，等.基于OpenFlow的SDN技术研究[J].软件学报，2013（5）：1078-1079.