SDN技術(shù)的起源與openflow技術(shù)研究

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

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

1、傳統(tǒng)網(wǎng)絡的弊端

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

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

動態(tài)性：便攜式移動終端的日益普及、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。以移動為中心的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（安全機制+全局名字解析）

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

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

2、路由器的缺陷

網(wǎng)絡的核心路由器，承載的功能不斷擴展，如分組過濾、區(qū)分服務、多播、服務質(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?，F(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的網(wǎng)絡中試驗和部署新型網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡技術(shù)。

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的一個具體實現(xiàn)。SDN最初作為SDN的原型提出時，主要是由Openflow交換機、控制器兩部分組成。最初提出SDN是試圖通過一個集中式的控制器，讓網(wǎng)絡管理員可以方便的定義基于網(wǎng)絡流的安全控制策略，并將這些策略應用到各種網(wǎng)絡設(shè)備中去，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡通信的安全控制。

Openflow交換機有三部分組成：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流表和流水線模式來獲得對應的操作，流表項主要包括：匹配域、計數(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，涵蓋了鏈路層、網(wǎng)絡層、和傳輸層的大部分標識。

2、Openflow協(xié)議，隨著Openflow規(guī)約的不斷發(fā)展，VLAN、MPLS、ipv6等協(xié)議也逐漸擴展到Openflow標準當中。

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，二是統(tǒng)稱為Openflow交換機。

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

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

控制器：

1、在基于NOX的Openflow網(wǎng)絡中，NOX是控制中心，運行在NOX之上的應用程序通過調(diào)用網(wǎng)絡視圖中的全局數(shù)據(jù)，進而操作Openflow交換機來對整個網(wǎng)絡進行管理和控制。NOX實現(xiàn)了網(wǎng)絡的基本管控功能，為Openflow網(wǎng)絡提供了API的基礎(chǔ)控制平臺，但是未能提供充分的可靠性和靈活性來滿足可擴展的需求。

2、為使控制器能夠直接部署在真實的網(wǎng)絡之中，解決多控制器對openflow交換機的控制共享問題，同時滿足網(wǎng)絡虛擬化的現(xiàn)實需求，flowvisor實現(xiàn)了在交換機和控制器之間的網(wǎng)絡虛擬層，踏實的硬件轉(zhuǎn)發(fā)平面能被多個邏輯網(wǎng)絡切片共享，每個網(wǎng)絡切片擁有不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略。在這種模式下多個控制器能夠同時管控一臺交換機，多個試驗網(wǎng)絡能夠同時運行在一個真實的網(wǎng)絡中。

SDN的功能：

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

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

2、控制平面的可擴展性：隨著網(wǎng)絡業(yè)務量的增加，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)絡狀態(tài)的協(xié)同和交互如何實現(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€網(wǎng)絡，但數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備仍然是一個分布式的系統(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、運算壓力大、軟件復雜度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性存在隱患：為了實現(xiàn)網(wǎng)絡的可編程性，應用程序會被賦予大量對環(huán)境的控制權(quán)，而這容易導致系統(tǒng)崩潰。

5、控制器接口尚未標準化

6、網(wǎng)絡集中控制固有的安全隱患，SDN安全問題的獨特性在于SDN管理的集中性和開放性?？刂泼姘踩ūO(jiān)聽）、應用層安全（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行鑒定應用層的應用。

7、市場利益

面向校園網(wǎng)的應用：實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬劃分和移動管理。

面向數(shù)據(jù)中心的部署

面向網(wǎng)絡管理的應用

面向安全控制的應用