软件定义网络SDN技术 标准 产业发展现状
姜金亚+王思义
【摘要】 SDN是一个新兴的技术，受到学术界和产业界的广泛关注。首先介绍了SDN的起源、发展及主要技术派别；然后论述了SDN的网络架构、关键技术以及相关产业链的发展情况；最后分析了SDN在国内运营商相关应用以及面临的挑战与未来的可能。
【关键词】 SDN 网络架构 产业链 运营商
随着移动通信、云计算、大数据等一系列新兴互联网业务的兴起，对传统网络架构提出了更高的要求。现有的TCP/ IP分布式网络结构已经不能有效地支持云计算、大数据等为代表的新型应用。当前，针对现有网络的瓶颈限制，业界已经产生了两种不同网络架构观点：一种是对现有网络进行改良，另一种是推翻现有网络架构，重新定义一种新的网络架构体系。目前研究者更加关注后一种观点，并且第二种观点也出现两种网络架构体系：一种是内容中心网络的概念，将重点由存储位置转移到信息本身，将内容与位置解耦；另一种是SDN（software defined networking，软件定义网络）的概念，提出了转发平面与控制平面分离的的思想，并提供可编程的网络平台，为未来网络发展提供了新的方向[1]。本文将介绍SDN网络的概念、关键技术、国内运营商相关应用等。
一、SDN的起源和发展
2006年，美国斯坦福大学Nick McKeowm教授团队提出了Openflow概念用于校园网的试验创新， SDN的概念由此诞生[2]。2007年，斯坦福大学学生Martin Casado主持了一个关于网络安全与管理的项目Ethane，通过集中控制器让网络管理者能够便捷的定义基于网络流的安全控制策略，从而控制整个网络通信安全。在此基础上，2008年McKeown等人将传统网络设备的控制平面与数据平面分离，采用标准接口对网络设备进行集中管理和控制，为网络资源的设计、管理和使用提供了更多的可能性，从而更容易推动网络发展。同年Nick Mckeown 教授等人在ACM SIGCOMM上发表了题为《OpenFlow：Enabling innovation in campus network》的论文，首次提出了openflow的概念，并阐述其工作原理及其应用场景。2011年，Nick等人的推动下成立了开放式基金会（Open Networking Foundation，ONF）专门负责Openflow的发展与维护。同期，随着互联网公司的介入，特别是谷歌的实践应用，Openflow成为SDN和下一代网络的代名词。2012年，代表厂商设备的工业标准组织IETF分别设立与了SDN相关的网络虚拟化叠加（network virtualization overlay，NVO）、路由系统接口（interface to the routing system，I2RS）工作组。同年，13家全球一线电信运营商在ETSI的指导下，成立了“网络功能虚拟化”的行业规范组（“Network Function Virtualization”Industry Specifications Group，NFV ISG）。NFV没有使用SDN字眼，但通常被认为是运营商的SDN。2014年，在中国北京举办的全球SDN技术大会上中国工信部电信研究院、华三等七家企业同时加入ONF，至此加入ONF的中国企业已达19家，成为ONF最重要的国家。SDN的风靡，已经撬动了IT界生态系统，SDN生态圈不再仅有学术派和网络技术厂家的参与，英特尔等IT巨头也纷至沓来，更有成为SDN标准背后推手的可能。
二、SDN主要技术流派
SDN并不是一个具体的技术，也不是一个具体的协议，而是一种设计理念和思想，让软件应用参与到网络控制中并起到主导作用，而不是让各种固定模式的协议来控制网络。狭义的SDN特指OpenFlow南向接口的网络，广义SDN泛指向上层应用开放资源接口，可实现软件编程控制的各类基础网络架构[3]。SDN是一个新鲜事物，不同流派有不同代表，它们之间也有较大差异。
革命派的新锐标准组织代表者ONF强调控制与转发解耦，转发设备通用化，全局统筹优化，屏蔽底层差异；而演进派的代表组织IETF更关注设备的可编程性，即开放北向API接口，为用户创新提供有力保证，强调设备的控制功能与开放API，沿用了传统设备中的路由、转发等结果与功能，并在此基础上进行丰富与扩展；实用派基础运营商的代表组织NFV却更加注重降低成本，提高管理、维护、网络及业务部署效率，主要任务是定义网络功能虚拟化需求与架构，并没有相应的协议支持。
三、SDN网络架构
由ONF提出的SDN网络架构如图1所示，该结构有分为三个部部分，由下到上依次为：基础层、控制层、应用层[4]。除上述三层外，还有连接控制层与应用层的北向接口，连接基础层和控制层之间的南向接口，并且还定义了统一的南向接口标准OpenFlow协议。基础层主要是由支持OpenFlow协议的SDN交换机组成，负责基于业务的流表的数据的转发、处理等；控制层主要是由控制器和网络操作系统组成，负责处理数据转发层面资源的抽象信息，可支持网络拓扑、状态信息的汇总和维护，并基于应用的控制来调用不同的转发面资源；应用层由各种应用软件构成，负责管理和控制网络对应应用转发和处理的策略，也支持对应网络属性的配置实现提升网络利用率、保障特定應用的安全和服务质量。综上所述OpenFlow协议、网络虚拟化技术和网络操作系统是SDN区别传统网络架构的关键技术。
四、SDN产业链结构
SDN作为个新型产业，也是下一代互联网的搅局者，因而获得大批初创型公司、IT互联网企业和传统设备厂商等相关利益方的广泛关注。目前，SDN产业链初步可以分为六大阵营：传统设备商、新兴网络服务商、传统网络服务商、标准组织、新兴设备商和芯片厂商[5]。
中兴、华为和思科等传统设备商在SDN架构控制平面研究技术不具备先发优势，采取的战略方式是一方面通过提供SDN的解决方面，另一方面积极探索基于现有架构实现网络集中控制和开放应用API接口的个性化的技术，以免竞争优势流失。以Google、Amazon、腾讯等为代表的新兴网络服务商重点关注网络服务、控制创新。如果SDN控制器的北向接口全部开放，网络服务公司就能获取网络的主导权，使其 能够对自身网络运维与传输网络的整合，有助于降低其运行成本、提供服务质量、加快新业务部署。AT&T、中国移动、中国联通等传统网络提供商相对于互联网企业，对SDN的态度比较保守，因为 SDN本身不太成熟，目前以实验探索为主，具体的部署工作较少。ONF、IETF等标准组织更加关注南北向接口标准化、架构、需求等方面的定义，侧重于SDN架构与云平台化的管理融合。Intel、HP等新兴设备商看到进军网络设备和开拓新业务的可能，因此通过提供SDN的解决方案，重点关注云化网络的需求来挤占传统网络设备商的市场份额。而博通、Intel等芯片厂商积极推出实现SDN网络处理的芯片解决方案，寻求分享SDN一份美羹。
五、SDN在国内运营商中的应用
SDN对运营商是一次重大挑战，可能使运营商加速管道化，但又是一次网络变革的机遇。基于其低成本、高效率、灵活的业务提供能力等优势与特点，国内运营商正在加快SDN的研究实验与业务部署，三家运营商对其所采取的策略也各有区别。中国移动用NFV的灵活扩展能力，提供多种多样的物联网服务；利用NFV架构优势，高起点发展固定接入网；利用NFV快速部署与升级的特点发展VoLTE新网络。中国联通对于SDN/NFV有自己的步伐与规划—在小范围的商用部署基础上，逐步实现现网向基于SND/NFV的网络发展。在新业务和物联网方面优先考虑SDN/NFV方案，传统专线SDN化，网络软件化，提升业务集成能力，提供ICT融合产品，目前完成了基于沃云的网络功能虚拟化需求的验证，正探索符合联通现状的NFV演进路线。中国电信则采取从边缘到核心的的SDN/NFV的策略，首先对数据中心进行规模推广，然后将终端和网络引入SDN/NFV，最后进行全网业务优化。
六、SDN面临的挑战与未来展望
尽管SDN有很多优势，也是为未来网络发展的趋势，但目前离真正大规模的应用还有诸多问题必须解决。
1、网络安全方面。SDN的开放性是实现统一配置、管理、提供可编程特性的重要原因。因而，开放性使得SDN的控制器的安全漏洞、策略的不完善性充分暴露在攻击者面前，一旦网络攻击成功，必将造成大面积网络瘫痪[6]。
2、网络部署方面。运营商考虑到现网设备、网络规模和业务安全等客观方面，运营商不可能在短期内大规模的完成全网部署。而且现网由于长期留存下来不同厂商、支持不同协议的老旧设备在保证性能和支撑业务方面，由硬件平台向虚拟平台过渡，仍然面临平滑演进与长期共存的挑战[7]。
3、标准化方面。不同的利益集团 对SDN关注的重点不同，还存在利益差异，到目前为止还未形成一个统一的SDN标准协议。所以，制定一个统一的标准协议还需漫长的过程。
随着通信网络和互联网技术不断发展与进步，SDN在运营商网络应用技术方案也将不断成熟，所面对的挑战也将逐步得到解决。无论SDN如何发展，其目标都是解决现有网络架构中存在的问题，帮助企业和运营商提供更好的网络服务。SDN的发展目前还是任重道远。
参 考 文 献
[1] Open Networking Foundation. Software-defined Networking：The New Norm For Network [S]，2012.
[2] Mckeown N，Anderson T， Balakrishnan H，etal. OpenFlow：Enabling Innovation In Campus Networks [C]// USA：Proc. Of ACM SIGCOM08，2008：69-74.
[3]沈辰，张爱丽，岳鹏.网络技术创新发展研究[J].现代电信科技.2016，46（2）：12-17
[4]柴蓉，胡恂，李海鵬，蒋桂香.基于SDN的5G移动通信网络架构[J].重庆邮电大学学报，2015（5）
[5]郑毅，华一强，何晓峰.SDN的特征、发展现状及 趋势[J].电信科学，2013（09）
[6]张朝昆，崔勇，高翯翯，吴建平.软件定义网络（SDN）研究进展[J].软件学报，2015（01）
[7]邓书华，卢泽斌，罗成程，高协平.SDN研究简述[J].计算机应用研究，2014（11）
