SDN：未来网络演进的重要趋势

赵慧玲，冯 明，史 凡

（中国电信集团公司 北京 100032）

1 引言

自 2011 年以来，SDN（software defined network，软件定义网络）逐步成为业界最热门的词语之一，在InfoWorld于2011年11月公布的将影响未来10年的10项新技术中，SDN排名第二。IDC预测，到2016年，SDN产业的产值将达到20亿美元以上。可以说，SDN已经成为通信网络领域新的关键词之一。

2 SDN是新的网络技术和架构

SDN是一种新型的网络架构，设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。典型的SDN架构定义如图1所示。

其中，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；控制层主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；基础设施层负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。

现有网络中，对流量的控制和转发都依赖于网络设备实现，且设备中集成了与业务特性紧耦合的操作系统和专用硬件，这些操作系统和专用硬件都是各个厂商自己开发和设计的。在SDN中，网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件；而原来负责控制的操作系统将提炼为独立的网络操作系统，由其负责不同业务特性的适配，而且网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都可以通过编程实现。现有网络设备形态向SDN设备形态的转变如图2所示。

SDN本质上具有控制和转发分离、设备资源虚拟化和通用硬件及软件可编程三大特性，可以实现如下功能。

·设备硬件归一化，硬件只关注转发和存储能力，与业务特性解耦，可以采用相对廉价的商用架构来实现。

·网络的智能性全部由软件实现，网络设备的种类及功能由软件配置确定，对网络的操作控制和运行由服务器（作为网络操作系统）完成。

·业务响应相对更快，可以定制各种网络参数，如路由、安全、策略、QoS、流量工程等，并实时配置到网络中，缩短开通具体业务的时间。

3 SDN理论研究的最新进展和动态

SDN技术的探索源于斯坦福大学的Clean Slate项目组在2006年启动的关于网络安全与管理的项目Ethane。该项目研究通过一个集中式的控制器，让网络管理员定义基于网络流的安全控制策略，并将策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通信的安全控制。在这个项目的研究基础上，对Ethane的设计进一步归纳提炼，将传统网络设备的数据转发 （data plane）和路由控制（control plane）两个功能模块相分离，利用集中式控制器（controller）以标准化的接口对各种网络设备进行管理和配置，可为网络资源的设计、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。

2007年，该项目的研究人员创建了Nicira公司，正式开启了SDN的产品研发工作。2008年，又进一步提出了OpenFlow的概念，并发表了题为 “OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks”的论文，首次介绍了OpenFlow的概念、工作原理以及应用场景等。

3.1 ONF

2011年，开放网络基金会（open networking foundation，ONF）成立，致力于推动SDN的标准化，其愿景是使得基于OpenFlow的SDN成为网络新标准。ONF发展快速，目前已有成员 72家，其中 Board Member有 7家，分别是 Google、Facebook、NTT、Verizon、德国电信、微软、雅虎。ONF 目前分了7个工作组，分别负责相应的子领域定义和市场推广等工作，同时对于新的议题还有一些讨论组，如图3所示。

自成立以来，ONF已经发布了多个版本的OpenFlow主体规范 （OF），目前为 1.3版本，2012年初发布了OpenFlow管理和配置协议的第一个版本 （OF-CONFIG 1.0&1.1），其发展进程如图4所示。ONF的成立有力地推动了SDN技术在学术界和工业界的推广和发展，各大标准组织也都已迅速跟进。

3.2 IETF

IETF早期有两个与SDN相关的研究项目/工作组，分别是 ForCES （forwarding and control element separation）和ALTO（application-layer traffic optimization）。其中，ForCES 已经发布了9个RFC，主要涉及需求、框架、协议、转发单元模型、MIB等；ALTO主要通过为应用层提供更多的网络信息，完成应用层的流量优化。这种开放部分网络信息以优化应用的做法，是SDN的一种实现类型。

目前，IETF也以软件驱动网络 （software driven network）为出发点研究 SDN，成立了SDN BOF，并提出了IETF定义的SDN架构，如图5所示。

3.3 ITU-T

ITU-T在SG13组 （future networks including mobile and NGN）设立了SDN的研究任务，相关工作在WP5组（future network）Q21研究。目前成立了两个项目：Y.FNsdn-fm和Y.FNsdn，分别面向SDN的需求和框架。ITU-T中Y.FNsdn定义的SDN框架如图6所示。

3.4 CCSA

在国内，CCSA已经开始研讨未来网络，SDN是未来网络的核心技术之一，CCSA将预研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，CCSA将开始启动SDN相关的标准项目预研工作。

4 SDN的部署和应用

在设备厂商方面，主流的欧美厂商一般认为SDN将增强当前的网络功能，而不是取代当前的网络，其主要在设备虚拟化和控制软件化方面进行突破，前者主要体现在对PDSN、BRAS和SR等现有网络设备形态进行合一，后者主要体现在提供网络可编程性的实现方法，允许客户利用各种协议（而不仅是OpenFlow）对设备和网络进行编程，目前已有多家厂商发布了基于SDN的硬件平台和相关软件。国内的一些厂商也不甘人后，甚至认为未来传统的硬件厂商将向软件公司发展，已经有国内厂商提供支持SDN的路由器设备，并提出运营商网络应引入控制器进行协调的思路。

在运营商层面，多数欧美运营商认为SDN有助于提高现有网络的能力，并不会取代当前的网络，目前主要处于技术研究阶段，一些主流的运营商计划联合成立专门的ISG（industry specification group），挂靠在 ETSI下；日本的运营商NTT目前走得比较靠前，其自主研发了Virtual Network Controller Version 2.0，主要用于多个数据中心的统一服务和按需配置，已在其欧洲、美国和日本的数据中心进行了虚拟数据中心的部署。

目前运用SDN最成功的案例是Google，其在2010年开始进行相关的研发，制造了网络设备（2010年市面上并没有支持OpenFlow的设备）。Google通过10 Gbit/s网络链接分布于全球的12个数据中心，部署了周密的流量工程和优先级调度，将链路使用率从平均的30%～40%提升至接近100%。

5 SDN将对产业界产生重大影响

SDN对网络的影响如同虚拟化对服务器的革命性影响，将对整个通信产业产生巨大的冲击和深远影响。通信行业是个相对封闭的产业生态系统，这和电路交换时代智能网络控制非智能的哑终端、从网络到业务的一体化控制的历史有关，大部分电信运营商和设备制造商目前仍然很难适应一个开放的生态系统。SDN本质上是一个IT化的网络、一个开放的生态系统，其核心是将网络软件化，变革的原始推动力也来自于IT而非电信业。

首先，对于传统的网络设备制造商，SDN技术的出现改变了传统网络产业软硬件一体化的生产方式，逐渐转变为底层高性能存储/转发+上层高智能灵活调度的架构，对传统网络设备的要求就是更简单的功能、更高的性能，即俗称的“傻快”要求，而上层的智能化策略和功能则以软件方式提供。如此一来，网络设备将沦为和PC服务器类似的低利润设备，对现有占据市场主要份额和高端市场的公司造成巨大冲击。网络设备制造商的态度也分为两类：一类是目前的非主流设备厂商，积极跟进该技术，希望借此拉小与主流厂商的差距，通过更低的价格优势抢夺市场份额；另一类是现有的主流厂商，已看到这一趋势，一方面在积极储备相关技术的研究和开发，等待合适时机推出该类产品，另一方面密切关注市场的变化，并提出基于传统网络设备的替代解决方案，希望能尽量留住已有的客户，减缓该趋势的发展。

其次，对于电信运营商，主要在组网架构和运维模式方面受到影响，现有基于网络硬件进行控制和转发的架构将发生改变，随之而来的运营维护也必须做出相应调整；同时，网络的核心将向网络操作系统（软件为主）转移，运营商对其的控制和管理也是一个新课题。总的来说，电信运营商也需考虑如何利用SDN的相关优势和如何规避SDN的潜在风险。

（1）如何利用SDN的相关优势

网络设备能否类似于PC机那样享受到芯片技术遵循摩尔定律大幅降价带来的好处，从而降低建网成本？如何根据业务需求编辑所需的网络特性和能力，简化对网络设备的配置要求，缩短业务的开通部署时间？如何实现支持特定业务和应用的网络能力不再需要新型网络协议的支持，业务人员只要具备通用的知识就可以将针对具体业务定制所需的路由、安全、策略、QoS、流量工程等实时下发到网络中去？

（2）如何规避SDN的潜在风险

目前SDN成功部署、应用的案例是互联网CP/SP将其用于他们的数据中心互联，实际上是一种OTT流量的承载，这种降低对电信运营商的依赖性情况如何应对？网络操作系统和控制器将会和PC操作系统、智能手机操作系统一样成为网络链条中的核心，提供NOS的厂商对电信运营商的控制力度可能会非常强，对其进行替换的成本会很高？

6 未来网络演进应重视SDN的研发

综上所述，SDN已经得到了业界的广泛关注和认可，必然会成为未来网络演进过程中的重要代表，尤其是在承载网和IP网层面，SDN可以增强现有网络能力、加速网络演进、促进云数据中心/云应用协同，从而在基础设施演进和客户体验提升两大维度发展重大作用。

在SDN方案中，网络设备是通用的，支持特定业务和应用的网络能力不再需要新型网络协议的支持，业务人员只要具备通用的知识就可以编程，并通过已经标准化了的相关SDN协议（如OpenFlow），可以针对不同业务定制所需的路由、安全、策略、QoS、流量工程等实时下发到网络中，从而很好地实现网络能力对业务和应用的快速适配。

举例来说，SDN方案是在物理硬件之上加载一个虚拟网络平台，将网络的控制从网络硬件中脱离出来，交给虚拟的网络层处理。这个虚拟的网络层加载在物理网络之上，在一个虚拟的空间重建整个网络。有了网络虚拟化，物理网络被泛化成网络能力池，正如服务器虚拟化把服务器转化为计算能力池。通过这一方案，可以解决大规模云数据中心在承载多租户服务时面临的VLAN数量限制、机房扩容时的网络调整复杂以及客户的私有云与公有云互联等技术难题，是网络智能化承载具体业务的一个体现。

SDN对网络建设、组网架构和运维模式都存在潜在的影响，传统电信运营商对软件化网络的建设、运行和管理面临系统性的挑战，建议积极开展SDN的标准技术研究、网络架构创新，以规避风险、迎接挑战。SDN技术作为网络领域未来的重要发展方向，应得到充分的重视，业界各方在技术研究和产品开发中，应注重基础技术的自主研发工作，关注核心技术的研究和核心专利的申请，积极参加相关国际标准会议和组织，争取引导产业发展。近期可投入资源进行技术开发或现网试验等研究验证工作，探索基于SDN的商用解决方案；远期可在前期试验的基础上逐步扩大网络应用的范围，提供对网络智能化的全方位支持。