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SDN技术以及应用
2015-2-6 10:52:35
    

  
  SDN(software defined network,软件定义网络)是近年来学术界和产业界最为关注的网络技术,2012年,国际研究机构Gartner将其列为未来5年内IT领域十大关键技术之一,同年,谷歌宣布已在其内部骨干网络上使用SDN技术,标志着SDN进入商用化阶段。本文对SDN的起源、发展、主要技术及应用等方面做简要的介绍。
   一、SDN的起源
   SDN起源于美国斯坦福大学,2006年,斯坦福大学的Martin Casado领导了一个关于网络安全与管理的项目Ethane,该项目试图通过一个集中式的控制器,让网络管理员可以方便地定义基于网络流的安全控制策略,并将这些安全策略应用到各种网络设备中,从而实现对整个网络通讯的安全控制。在此基础上,2008年,斯坦福大学教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM发表了题为“OpenFlow:enabling innovation in campus networks”的论文,首次详细地介绍了OpenFlow的概念,即将传统网络设备的数据平面和控制平面两个功能模块相分离,通过集中式的控制器以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置。这种网络架构为网络资源的设计、管理和使用提供更多的可能性,从而更容易推动网络的革新与发展。基于OpenFlow为网络带来的可编程的特性,Nick和他的团队提出了SDN的概念,大体可以看作类似网络操作系统,一方面抽象了底层网络设备的具体细节,同时还为上层应用提供了统一的管理视图和编程接口,基于这个平台,用户可以开发各种应用程序,通过软件来定义逻辑上的网络拓扑,以满足对网络资源的不同需求,而无需关心底层网络的物理拓扑结构。
   二、SDN的发展
   SDN概念提出后,引来了业界越来越多的关注,成为名副其实的热门技术,相关技术得到迅速发展。2011年,在斯坦福大学推动下,成立了开放网络基金会(Open Networking Foundation,简称ONF),专门负责OpenFlow标准和规范的维护和发展,同年,第一届开放网络峰会(OpenNetworking Summit)召开,为OpenFlow和SDN在学术界和工业界都做了很好的介绍和推广。ONF目前成员96家,其中创建该组织的核心会员有7家,分别是Google、Facebook、NTT、Verizon、德国电信、微软、雅虎,中国电信也是会员之一。ONF的核心会员基本代表网络运营和使用者,也主要代表其利益,通过网络设备的标准化以及控制和转发分离,不仅可以更灵活地对网络进行控制,也大大降低网络设备的费用,因此ONF触动了设备厂商的利益,以思科为代表的传统网络设备制造商无法忽视SDN的技术和发展,又不愿意其利益受损,于是积极参与中。2013年4月,思科和IBM联合微软、Big Switch、博科、思杰、戴尔等发起成立了Open Daylight(简称ODL)组织,旨在争夺SDN的主导权,目前ODL发展比ONF更快一些。
   2012年4月,ONF发布了SDN白皮书(Software Defined Networking:The New Norm for Networks) ,其中的SDN三层模型获得了业界广泛认同。2012年SDN完成了从实验技术向网络部署的重大跨越:覆盖美国上百所高校的INTERNET2部署SDN;德国电信等运营商开始开发和部署SDN; 2012年4月,谷歌、FACEBOOK等公司在其主干网络部署和运行SDN技术;2012年以来,思科、Juniper、HP、Brocade和Arista等公司相继发布其产品,据市场研究公司IDC预测,2016年SDN市场规模将达到37亿美元。
   三、SDN技术概述
   从路由器的设计上看,它由软件控制和硬件数据通道组成。软件控制包括管理(CLI,SNMP)以及路由协议(OSPF,ISIS,BGP)等。数据通道包括针对每个包的查询、交换和缓存。 如果将网络中所有的网络设备视为被管理的资源,那么参考操作系统的原理,可以抽象出一个网络操作系统(Network OS)的概念。这个网络操作系统一方面抽象了底层网络设备的具体细节,同时还为上层应用提供了统一的管理视图和编程接口。这样,基于网络操作系统这个平台,用户可以开发各种应用程序,通过软件来定义逻辑上的网络拓扑,以满足对网络资源的不同需求,而无需关心底层网络的物理拓扑结构。
   SDN实际上是将网络设备的控制部分抽象出来,用独立的控制器来实现以前网络设备中复杂控制功能,而网络设备只做简单的转发,它们之间通过协议进行交互,控制器下发指令给网络设备实现数据的转发。目前最流行的协议为Openflow,Openflow的思路很简单,网络设备维护一个FlowTable并且只按照FlowTable进行转发,Flowtable本身的生成、维护、下发完全由外置的Controller来实现,注意这里的FlowTable并非是指IP五元组,事实上OpenFlow 1.0定义的了包括端口号、VLAN、L2/L3/L4信息的10个关键字,但是每个字段都是可以通配的,网络的运营商可以决定使用何种粒度的流,比如运营商只需要根据目的IP进行路由,那么流表中就可以只有目的IP字段是有效的,其它全为通配。
  这种控制和转发分离的架构对于L2交换设备而言,意味着MAC地址的学习由Controller来实现,V-LAN和基本的L3路由配置也由Controller下发给交换机。对于L3设备,各类IGP/EGP路由运行在Controller之上,Controller根据需要下发给相应的路由器。流表的下发可以是主动的,也可以是被动的,主动模式下,Controller将自己收集的流表信息主动下发给网络设备,随后网络设备可以直接根据流表进行转发;被动模式是指网络设备收到一个报文没有匹配的FlowTable记录时,将该报文转发给Controller,由后者进行决策该如何转发,并下发相应的流表。
   通过以上方式实现了过去传统网络设备的功能,但在此基础上,SDN可以实现集中策略的部署和灵活流量的调度,为过去传统网络设备所无法比拟的。
   四、SDN的应用
   SDN的流量灵活调度和策略集中部署特点特别适合在IDC、云中心、CDN网络中进行部署和应用,可以将带宽利用率使用到极限并可应对突发的流量调度等。目前谷歌公司应用了SDN技术后,其各个节点之间的带宽利用率由30%用到90%,大大节约了带宽资源;FACEBOOK以及国内的一些互联网公司也在应用SDN技术来优化其网络并节约大量的费用。
   (陈昕)

 
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