软件定义网络是什么

小白 QA 2020-05-05 10:23:00 阅读(...)

软件定义网络(SDN)是一种新型网络创新架构,是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来,从而实现了网络流量的灵活控制,使网络作为管道变得更加智能,为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是由美国斯坦福大学 CLean State 课题研究组提出的一种新型网络创新架构,是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术 OpenFlow 通过将网络设备的控制面与数据面分离开来,从而实现了网络流量的灵活控制,使网络作为管道变得更加智能,为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

软件定义网络是什么

简介

SDN 起源于 2006 年斯坦福大学的 Clean State 研究课题。2009 年,Mckeown 教授正式提出了 SDN 概念。

软件定义网络 SDN(Software Defined Network)是由美国斯坦福大学 CLean State 研究组提出的一种新型网络创新架构,可通过软件编程的形式定义和控制网络,其控制平面和转发平面分离及开放性可编程的特点,被认为是网络领域的一场革命,为新型互联网体系结构研究提供了新的实验途径,也极大地推动了下一代互联网的发展。

传统网络世界是水平标准和开放的,每个网元可以和周边网元进行完美互联。而在计算机的世界里,不仅水平是标准和开放的,同时垂直也是标准和开放的,从下到上有硬件、驱动、操作系统、编程平台、应用软件等等,编程者可以很容易地创造各种应用。从某个角度和计算机对比,在垂直方向上,网络是“相对封闭”和“没有框架”的,在垂直方向创造应用、部署业务是相对困难的。但 SDN 将在整个网络(不仅仅是网元)的垂直方向变得开放、标准化、可编程,从而让人们更容易、更有效地使用网络资源。

因此,SDN 技术能够有效降低设备负载,协助网络运营商更好地控制基础设施,降低整体运营成本,成为了最具前途的网络技术之一。

发展简史

回顾网络创新的发展历史,在 20 世纪 90 年代中期认为“推动网络的创新,需要在一个简单的硬件数据通路上编程”,即动态网络。它的问题在于隔离性、性能、复杂度。20 世纪 90 年代后期认为,“为了推动网络创新,我们需要底层的数据通道是可编程的”,也即网络处理器。它的问题在于加剧了数据通道底层的复杂度。事实上在网络领域,我们一直以来没有分清一个简单通用的硬件底层与一个开放的上层编程环境之间的界限。之前的尝试往往犯以下错误:

1. 假设当前的 IP 路由底层是固定的,并试图在其外部编程,包括路由协议;

2. 自上而下地定义编程和控制模型。(但事实上 Intel 在选择 x86 指令集的时候,并没有定义 Windows XP、Linux 或者 VMware)

在经过多次的犯错、失败后,网络创新终于取得了突破,新一代互联网技术的代表——SDN 终于诞生。

SDN 起源于 2006 年斯坦福大学的 Clean State 研究课题。

2009 年,Mckeown 教授正式提出了 SDN 概念。

2012 年 12 月 6 日,北京,中国以“未来网络的演进之路”为主题的 2012 中国 SDN 与开放网络高峰会议在北京隆重召开,本次峰会获得国际组织 ONF(开放网络基金会)的大力支持,Justin Joubine Dustzadeh 博士代表 ONF 向大会致辞并发表主题演讲,指出 SDN 这一颠覆性的技术将对未来网络产生革命性的影响。

2013 年 8 月 29 日,北京,2013 中国 SDN 与开放网络高峰会议(第二届)在京举办,众多国内外运营商、厂商及业界专家学者将云集于此,共同探讨 SDN、开放网络等相关主题。

设计思想

利用分层的思想,SDN 将数据与控制相分离。在控制层,包括具有逻辑中心化和可编程的控制器,可掌握全局网络信息,方便运营商和科研人员管理配置网络和部署新协议等。在数据层,包括哑的交换机(与传统的二层交换机不同,专指用于转发数据的设备),仅提供简单的数据转发功能,可以快速处理匹配的数据包,适应流量日益增长的需求。两层之间采用开放的统一接口(如 OpenFlow 等)进行交互。控制器通过标准接口向交换机下发统一标准规则,交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可。

软件定义网络的思想是通过控制与转发分离,将网络中交换设备的控制逻辑集中到一个计算设备上,为提升网络管理配置能力带来新的思路。SDN 的本质特点是控制平面和数据平面的分离以及开放可编程性。通过分离控制平面和数据平面以及开放的通信协议,SDN 打破了传统网络设备的封闭性。此外,南北向和东西向的开放接口及可编程性,也使得网络管理变得更加简单、动态和灵活。

体系结构

SDN 的整体架构由下到上(由南到北)分为数据平面、控制平面和应用平面,具体如图 1-1 所示。其中,数据平面由交换机等网络通用硬件组成,各个网络设备之间通过不同规则形成的 SDN 数据通路连接;控制平面包含了逻辑上为中心的 SDN 控制器,它掌握着全局网络信息,负责各种转发规则的控制;应用平面包含着各种基于 SDN 的网络应用,用户无需关心底层细节就可以编程、部署新应用。

控制平面与数据平面之间通过 SDN 控制数据平面接口(control-data-plane interface,简称 CDPI)进行通信,它具有统一的通信标准,主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备,最主要应用的是 OpenFlow 协议。控制平面与应用平面之间通过 SDN 北向接口(northbound interface,简称 NBI)进行通信,而 NBI 并非统一标准,它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。

SDN 中的接口具有开放性,以控制器为逻辑中心,南向接口负责与数据平面进行通信,北向接口负责与应用平面进行通信,东西向接口负责多控制器之间的通信。最主流的南向接口 CDPI 采用的是 OpenFlow 协议。OpenFlow 最基本的特点是基于流(Flow)的概念来匹配转发规则,每一个交换机都维护一个流表(Flow Table),依据流表中的转发规则进行转发,而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口,应用程序通过北向接口编程来调用所需的各种网络资源,实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有可扩展性,为负载均衡和性能提升提供了技术保障。

关键技术

数据平面关键技术

在 SDN 中,数据转发与规则控制相分离,交换机将转发规则的控制权交由控制器负责,而它仅根据控制器下发的规则对数据包进行转发。为了避免交换机与控制器频繁交互,双方约定的规则是基于流而并非基于每个数据包的。SDN 数据平面相关技术主要体现在交换机和转发规则上。

SDN 交换机的数据转发方式大体分别硬件和软件两种。硬件方式相比软件方式具有更快的速度,但灵活性会有所降低。为了使硬件能够更加灵活地进行数据转发操作,Bosshart 等人提出了 RMT 模型,该模型实现了一个可重新配置的匹配表,它允许在流水线阶段支持任意宽度和深度的流表。从结构上看,理想的 RMT 模型是由解析器、多个逻辑匹配部件以及可配置输出队列组成。具体的可配置性体现在:通过修改解析器来增加域定义,修改逻辑匹配部件的匹配表来完成新域的匹配,修改逻辑匹配部件的动作集来实现新的动作,修改队列规则来产生新的队列。所有更新操作都通过解析器完成,无需修改硬件,只需在芯片设计时留出可配置接口即可,实现了硬件对数据的灵活处理。

另一种硬件灵活处理技术 FlowAdapter 采用交换机分层的方式来实现多表流水线业务。FlowAdapter 交换机分为三层,顶层是软件数据平面,它可以通过更新来支持任何新的协议;底层是硬件数据平面,它相对固定但转发效率较高;中层是 FlowAdapter 平面,它负责软件数据平面和硬件数据平面间的通信。当控制器下发规则时,软件数据平面将其存储并形成 M 段流表,由于这些规则相对灵活,不能全部由交换机直接转化成相应转发动作,因此可利用 FlowAdapter 将规则进行转换,即将相对灵活的 M 段流表转换成能够被硬件所识别的 N 段流表。这就解决了传统交换机与控制器之间多表流水线技术不兼容的问题。

与硬件方式不同,软件的处理速度低于硬件,但软件方式可以提升转发规则处理的灵活性。利用交换机 CPU 或 NP 处理转发规则可以避免硬件灵活性差的问题。由于 NP 专门用来处理网络任务,因此在网络处理方面,NP 略强于 CPU。

在传统网络中,转发规则的更新可能会出现不一致现象,SDN 也如此。针对这种问题的一种解决方案是将配置细节抽象至较高层次以便统一更新。一般采用两段提交的方式来更新规则。首先,当规则需要更新时,控制器询问每个交换机是否处理完对应旧规则的流,确认后对处理完毕的所有交换机进行规则更新;之后当所有交换机都更新完毕时才真正完成更新,否则撤销之前所有的更新操作。然而,这种方式需要等待旧规则的流全部处理完毕后才能进行规则更新,会造成规则空间被占用的情况。增量式一致性更新算法可以解决上述问题,该算法将规则更新分多轮进行,每一轮都采用二段提交方式更新一个子集,这样可以节省规则空间,达到更新时间与规则空间的折中。

优势

SDN 是当前网络领域最热门和最具发展前途的技术之一。鉴于 SDN 巨大的发展潜力,学术界深入研究了数据层及控制层的关键技术,并将 SDN 成功地应用到企业网和数据中心等各个领域。

传统网络的层次结构是互联网取得巨大成功的关键。但是随着网络规模的不断扩大,封闭的网络设备内置了过多的复杂协议,增加了运营商定制优化网络的难度,科研人员无法在真实环境中规模部署新协议。同时,互联网流量的快速增长,用户对流量的需求不断扩大,各种新型服务不断出现,增加了网络运维成本。传统 IT 架构中的网络在根据业务需求部署上线以后,由于传统网络设备的固件是由设备制造商锁定和控制的,如果业务需求发生变动,重新修改相应网络设备上的配置是一件非常繁琐的事情。在互联网瞬息万变的业务环境下,网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求,灵活性和敏捷性反而更为关键。因此,SDN 希望将网络控制与物理网络拓扑分离,从而摆脱硬件对网络架构的限制。

SDN 所做的事是将网络设备上的控制权分离出来,由集中的控制器管理,无须依赖底层网络设备,屏蔽了底层网络设备的差异。而控制权是完全开放的,用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则策略,从而更加灵活和智能。进行 SDN 改造后,无需对网络中每个节点的路由器反复进行配置,网络中的设备本身就是自动化连通的,只需要在使用时定义好简单的网络规则即可。因此,如果路由器自身内置的协议不符合用户的需求,可以通过编程的方式对其进行修改,以实现更好的数据交换性能。这样,网络设备用户便可以像升级、安装软件一样对网络架构进行修改,满足用户对整个网络架构进行调整、扩容或升级的需求,而底层的交换机、路由器等硬件设备则无需替换,节省大量成本的同时,网络架构的迭代周期也将大大缩短。

总之,SDN 具有传统网络无法比拟的优势:首先,数据控制解耦合使得应用升级与设备更新换代相互独立,加快了新应用的快速部署;其次,网络抽象简化了网络模型,将运营商从繁杂的网络管理中解放出来,能够更加灵活地控制网络;最后,控制的逻辑中心化使用户和运营商等可以通过控制器获取全局网络信息,从而优化网络,提升网络性能。

SDN 是当前最热门的网络技术之一,它解放了手工操作,减少了配置错误,易于统一快速部署。它被 MIT 列为“改变世界的十大创新技术之一”。SDN 相关技术研究在全世界范围内也迅速开展,成为近年来的研究热点。2013 年,SIGCOMM 会议收录了多篇相关文章,甚至将 SDN 列为专题来研讨,带动了 SDN 相关研究的蓬勃发展。

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