SDN的缘起与展望

SDN的缘起与展望

Jeff Zhang

SDN简介

         SDN（SoftwareDefined Networking，软件定义网络）可以说是目前最热门的网络技术。在传统网络中控制和转发功能处于紧耦合，而在SDN架构下，网络被抽象为应用层，控制层和转发层。控制和转发功能被分离到不同的逻辑实体，控制层和转发层通过开放的OF-Config和Openflow协议进行通信，完成转发规则的配置和管理，使得异构网络及不同厂商的设备可以互通。控制层通过北向接口，向应用层提供4-7层的可编程能力，允许用户进行网络抽象、网络虚拟化、流量工程、安全等方面的创新。

数据中心网络、电信运营商与SDN：

         数据中心的规模和数量随着互联网的高速发展而迅速扩大，数据中心也逐渐成为未来IP网络的中心，由此产生了诸多问题，比如集中高效的网络管理、高效灵活的组网、虚拟机的部署和迁移、虚拟多租户业务、计算/存储/网络的全面IaaS服务等等。SDN所提供的集中控制、开放的可编程接口以及网络的虚拟化等优势，很好地契合了数据中心的需要。可以说，数据中心网络是SDN目前最为明确的应用场景，也是最有前景的应用场景。因此，基于SDN的云计算数据中心网络方案是未来数据中心网络的发展趋势。

        另一方面，在大数据、移动视频等新业务的冲击下，电信运营商普遍面临着多重挑战，包括原有承载网的流量压力增大、现有网络负载不平衡、部分网络利用率低以及网络的运营和维护成本一路走高和OPEX激增的压力等。

        SDN可以帮助运营商满足以下4个层次的需求：

        第一层次，提升业务提供效率。简化、优化运维，解决异厂家对接的问题。

        第二层次，提高网络资源利用率，实现流量经营。依靠集中化的控制平面和对全网资源的监测和分析，能够动态地进行资源调度，从而大大提高网络的资源利用率。

        第三层次，最大化网络业务提供能力。利用SDN的开放性，解决多层多域问题，盘活运营商资源，实现网络价值的最大化。

        第四层次，建立高效敏捷的开放式生态系统。借助于SDN的开放性，引导整个产业走向更为开放和合作的模式，便于网络和业务特性的快速推出，降低整个网络和业务的总体拥有成本。

互联网和运营商的SDN实践：

         2013年，Google在其广域网中部署了基于OpenFlow的SDN网络，通过10G网络连接其全球的12个数据中心，使得其广域网线路的利用率直逼100%。同时，还使用了一个逻辑上的中央控制来根据全球网络状态进行计算与决策。这一成功的案例极大地激发了各个互联网公司在SDN领域的热情。腾讯在其物理网络上通过Vswitch加overlay的方式搭建一个单独的网络，利用SDN的理念实现了虚拟机在数据中心内不同物理服务器上的迁移。目前，各大互联网公司如Facebook、亚马逊、百度、阿里巴巴等都已经在进行SDN网络的研究与实验。

         国内三大电信运营商也普遍看好SDN的价值，认为SDN技术将助其实现低成本、高效率的运营以及灵活的业务展开。中国电信广州研究院宣布，已联合华为在面向SDN架构的IP RAN虚拟化关键技术上取得创新成果，并且双方宣布正式签署面向SDN的核心网络架构研究合作协议；2014年8月，中国移动宣布与华为合作完成了全球第一个SPTN SDN的商用部署，首次将SDN应用于政企专线网络；2014年7月，中国联通公布了SDN的“五步走”规划，将SDN在电信网络中的适应场景定位在了IDC内部、IDC网间互联、移动承载网IPRAN，以及移动核心网等几大领域。

         国内的各大高校和研究机构也对SDN进行了日益深入的研究。例如，北京邮电大学建立了网络创新实验环境，并在此之上进行了包括基于虚网切换的用户透明加速实验和面向未来互联网的多媒体视频会议系统等多项实验。中科院网络中心、清华大学、浙江大学、解放军理工大学和国防科技大学等高校也在SDN方面进行了多个研究项目。

SDN的标准化

        在SDN的标准化领域，ONF（开放网络基金协会）致力于SDN及SDN控制平面南向接口OpenFlow技术的标准化（规范制定）以及商业化。目前OpenFlow技术规范正在不断成熟，最新的OpenFlow1.4版本于2013年11月发布。各大设备厂商都推出了支持OpenFlow的网络设备，其中大部分支持OpenFlow1.3。截至2014年5月，ONF中的中国成员已多达19家，中国已成为ONF最重要的组成国之一。

        除ONF之外，ETSI的网络功能虚拟化（NFV）组由国际主流通信运营商主导，希望通过标准的IT虚拟化技术，把网络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器、交换机和存储平台上，以减少CAPEX和OPEX。 IETF提出软件驱动网络的SDN定义，重点关注控制平面北向接口的规范，主要由网络设备厂商主导。SDN在ITU-T的研究涉及到SG11、SG13、SG15和 SG17组，主要关注SDN信令架构、NGN和云计算、传送视角和安全等方面。中国通信标准化协会CCSA在TC1和TC3设立SDN研究任务，预研SDN的应用场景/需求和问题分析、术语及定义、系统架构和功能模型、设备技术规范、互通规范和测试规范等。TC6针对光网络的需求和特点，提出面向光传送网的SDN关键技术和解决方案。

电信级SDN目前存在的问题

       要将SDN应用到运营商网络，还存在以下几个方面的问题需要解决：

1.      标准化尚未完成。

        对于电信级的SDN应用，必须明确定义目前尚未支持的电信级业务，如MPLS-TP。以中国移动的PTN为例，SDN在PTN上的应用需要对Openflow进行VPLS、OAM、APS保护倒换、同步以及Qos等方面的扩展。对于控制器，则需要定义标准的北向接口。

2.      对现有网络的支持和平滑过渡。

        要完成运营商网络的SDN建设，需要考虑在不影响现有业务开展的前提下，逐步实现新设备的引入和现有网络的演进。在完成网络建设的基础上，进一步开放网络应用，实现各种增值开发，并充分发挥网络的价值。

        运营商网络向SDN的迁移应分为两个步骤。第一步，建设SDN控制层和应用层面，EMS系统逐渐从现网软件移植到SDN控制层面，实现传统网络设备的管理权交接。第二步，加入SDN-enabled新设备。当SDN控制层能够同时管理传统设备（通过plug-in）以及新的SDN-enabled设备时，现网EMS可以退出或留作备用系统。

3.      产业链的进一步成熟。如需要业界支持的带有开放式接口的、支持电信级功能的SDN控制器，必须考虑大型网络上控制器的路由计算压力以及各个应用程序对资源竞争的管理算法等，以及灵活的芯片及硬件平台以促成平滑、低风险的演进方式。

4.      SDN的集中控制结构带来的安全问题。

       由于以上几个问题的存在，业内普遍预计2014年将是SDN商用的元年，随着这些问题的逐步解决，SDN的商用高潮预计将在2016年左右到来。而在整个网络架构中，由于接入网络具有运营成本高，多业务承载能力差，缺乏异构网络调度机制，缺乏端到端的Qos保证机制等挑战，所以其对于SDN的需求最为迫切。因而SDN的应用最早应该从接入网开始。

 

PMC产品为SDN与PTN提供完整支持：

         PMC的Winpath系列网络处理器支持2G至40G的带宽范围。该芯片系列使用内置CPU+数据平面专用处理引擎的架构，在数据平面通过专用硬件加速器结合软件编程，在保证转发性能的前提下为SDN转发设备的流表结构提供了最大的灵活度和可扩展性支持。无需额外芯片，该架构即可支持Openflow协议直接控制到芯片级别，或由设备控制器的主控模块出Openflow协议代理两种方式。OpenFlow协议代理实现在内置或客户的外置CPU上，OpenFlow的配置将直接应用在NP处理器上，而不需要再转换为交换芯片配置。

         与传统NP方案相比，PMC提供了PTN、IP RAN等应用所需的全套数据平面软件，用户无需自行开发微码，从而极大地降低了开发难度和开发风险。与ASIC方案相比，网络处理器可编程的特性为用户提供了差异化的功能特性，后期可通过软件升级的方式增加对新业务及新SDN版本的支持，从而最大限度地保护了运营商的投资。

        PMC的可编程数据平面的架构可以支持以下特性：

·        PTN与IPRAN

·        芯片级别的OpenFlow流表，目前支持的最大流表数目为255，支持的流表项（entry）从8K起，高端芯片可支持更多表项。

·        流表匹配关键字可自由组合，动态创建及删除，并支持匹配用户自定义字段。

·        基于OpenFlow 1.3.2的交换机，以及适用于SuperPTN (SPTN)的新版本OpenFlow

·        从CPE（客户端设备）到 Hub-PTN采用共同的软件

·        芯片内置IPSec加密模块，无需外接加密芯片

·        支持E1/T1, E3/T3, OC3, OC12

·        支持SyncE，1588  V2等同步网络接口

PMC在SDN方面的研究方向：

        作为ONF的活跃成员，PMC致力于推动OpenFlow的扩展以支持MPLS-TP及相关技术。同时PMC正同中国移动协同工作，针对PTN的应用实例对Openflow在VPLS转发、OAM和APS等方面对Openflow和OF-Config进行定义和扩展。

         PMC目前正在进行的研究方向包括：

·        Openflow对于电信级网络的支持，使得Openflow能够应用于电信网络

·        通过扩展OpenFlow协议实现MPLS-TP的转发

·        在Openflow上研究制定一种通用且可扩展的方式以支持各种“自治功能”（AF:Autonomous Functions）。AF是一种附加在Openflow上的一种独立的功能模块，用于支持电信网络的需求，例如可以为OAM，APS，安全，服务激活测试等功能创建AF模块

·        通过扩展Openflow和AF办法来在Openflow中增加对MPLS-TP OAM以及APS的支持

·        PMC也认为需要通过NDM/TTP机制，为PTN定义一个专署的TTP

       通过不断地提供并完善切合业界需求的SDN/PTN产品，在新的技术领域进行不懈的探索与创新，并在相应标准组织努力推动行业标准的制定并予以及时应用，在不久的将来，PMC在SDN领域的持续进取必将取得丰硕的成果。