SDN技术介绍及其在IP播出网络中的应用探索

2021-08-27任会影

科技与创新 2021年16期

关键词：集中控制控制器平面

任会影

（天津广播电视台，天津300000）

随着SDN技术的不断发展完善，其应用的范围、行业越来越广，SDN技术在IP播出网络中的应用需要人们去认真研究学习。

1 传统IP转发网络的局限性及SDN技术的产生

1.1 传统IP转发网络的局限性

1.1.1 流量路径的灵活调整能力不足

以网络中最常见的“鱼”型图（如图1所示）为例，从R1或者R2访问R6时，所有的数据流量不管网络状况如何都将通过R7完成转发，R4和R5无流量经过，从而造成某些链路超数据量负荷，有些链路处于闲置状态，即对目前的网络状况没有一个全局的了解。如果有一个核心的“大脑”能够通过实时计算，掌握网络各种细节、状况，指挥流量分担，从而改变转发路径，一部分数据流量通过R7完成转发，一部分流量通过R4和R5完成转发，最终灵活完成网络配置。

图1 “鱼”型图

1.1.2 网络协议实现复杂，运维难度较大

一个传统网络的基本架构，如果要做到路由联通，所有的设备都需要单独配置动态路由协议，如OSPF、ISIS、RIB等，如果要运行BGP还需要提前对网络做好规划，如怎么避免环路、怎么避免路由收不到等，从而使网络配置复杂，对运维工程技术人员的要求也较高。

1.1.3 网络新业务升级速度较慢

如果网络业务或者需求发生变化，需重新调整所有的路由器、网络设备等，从而造成网络新业务升级速度过慢，此时需要一个“大脑”负责升级指挥网络新业务，由它下发升级指令，所有设备统一快速完成升级。

1.2 SDN技术的产生

基于以上传统转发网络的局限性，SDN技术应运而生。SDN（Soft ware Defined Network）即软件定义网络，2006年斯坦福大学教授NIKE及其团队首先提出了OpenFlow的概念，并基于该技术实现了网络的可编程能力，从而使网络像软件一样可以灵活编程。

2 SDN技术介绍

SDN的三个主要特征为转控分离、集中控制、开放接口。

2.1 转控分离

网元的控制平面在控制器上，负责协议计算，产生流表。转发平面只在网络设备上，这点与实际网络系统中的框式设备有着本质不同，如播出系统中使用的H3CS7506E系列核心以太网交换机，它的基本结构从上到下依次为主、备交换路由引擎，以及按照需求配置的插槽模块，但是这种方式只是结构上的变化，并不是实际意义上的转控分离。

2.2 集中控制

设备网元通过控制器集中管理和下发流表，不需要对设备进行逐一操作，只需要对控制器进行配置即可。

2.3 开放接口

第三方应用只需要通过控制器提供的开放接口，以编程方式定义一个新的网络功能，然后在控制器上运行即可。

需要特别注意SDN控制器既不是网管，也不是规划工具。网管没有实现转控分离，网管只负责管理网络拓扑、监控设备告警和性能、下发配置脚本等，但这些仍然需要设备的控制平面负责产生转发表项。规划工具的目的和控制器不同，规划工具是为了下发一些规划表项，这些表项并非用于路由器转发，是一些为网元控制平面服务的参数，比如IP地址、VLAN等。控制器下发的表项是流表，用转发器转发数据包。

SDN是对传统网络架构的一次重构，由原来的分布式控制的网络架构重构为集中控制的网络架构。其网络体系架构模型可分为三层：协议应用层、控制层、转发层，下面逐层进行介绍。

转发层位于最底层，主要由转发器和连接器的线路构成基础转发网络，这一层负责执行用户数据的转发，转发过程中所需要的转发表项由控制层生成。即由一系列高性能高背板带宽的转发器组成，各种表项都支持，但是自己却没有运算能力，能够很好地完成控制器交给的任务。

控制层是系统的控制中心，即“大脑”控制器位置所在，负责网络的内部交换路径和边界业务路由的生成，并负责处理网络状态变化事件，它由SDN控制器组成，通过OpenFlow协议协调控制底层的转发器，实时掌控整个网络的工作状态。控制器的北向接口通过API连接APP，实现网络结构编程，南向接口连接控制器，负责任务下发指令。

协议应用层通过API提供一个可编程接口，以APP或者其他方式登录进来，从而对网络进行编程，使网络配置更加灵活。这一层主要是体现用户意图的各种上层应用程序，此类应用程序称为协同层应用程序，典型的应用包括OSS、Openstack等。

传统的IP网络同样具有转发平面、控制平面和管理平面，SDN网络架构也同样包含这3个平面，只是传统的IP网络是分布式控制的，而SDN网络架构下是集中控制的。

SDN基本工作原理：APP业务平台作为任务发起端通过API接口将任务下发给控制器。通常控制器作为服务端，转发器主动向控制器发起控制协议建立申请，通过认证后，控制协议即建立连接，即转发器先要在控制器中完成信息注册，注册完成后有一个资源上报过程，这些资源信息包括接口、标签、VLAN资源、设备厂家信息（设备类型信息、设备版本号、设备ID信息）、网络拓扑信息等，控制器采集这些信息是为了根据这些信息进行本地搜索和加载相应驱动程序。通过搜集这些信息，控制器最终能够根据网络资源计算合理的路径信息，通过流表方式下发给转发器，由转发器执行最终任务。

3 SDN技术的价值

SDN的可编程性和开放性，使人们可以快速开发新的网络业务和加速业务创新。如果希望在网络上部署新业务，可以针对性修改SDN软件，实现网络快速编程，业务快速上线，SDN网络在网络架构中增加了一个SDN控制器，把原来的分布式控制平面集中到一个SDN控制器上，由这个集中的控制器来实现网络集中控制，其技术原理是通过SDN控制器的网络软件化过程来提升网络可编程能力。通信平面包含管理平面、控制平面和数据平面，SDN网络架构只是把系统的三个平面的功能进行了重新分配，传统网络控制平面是分布式的，分布在每个转发设备上，而SDN网络架构则是把分布式控制平面集中到一个SDN控制器内，实现集中控制，而管理平面和数据平面并没有太多变化。SDN网络具备快速网络创新能力，如果这个新业务有价值则保留，没有价值可以快速下线。不像传统网络那样，一个新业务上线需要经过需求提出、讨论和定义开发商开发标准协议，然后在网络上升级所有的网络设备，经过数年才能完成一个新业务。SDN使得新业务的上线速度从几年加快到几个月或者更快。

4 SDN技术在IP播出网络中的应用

传统电视播出系统经历了模拟、数字、标清、高清这样的发展阶段，随着4K、8K时代的到来，普通的同轴电缆传输信号方式已经无法满足需求，IP化播出网络已成为各个台未来的制播系统首选，其中SDN技术在IP播出网络中的应用已经成为大家关注的焦点[1]。

一个典型的IP组播播出网络系统采用两台SDN交换机配合控制器，SDN管理机为主体，所有的信号如视频服务器、外来信号源等以静态IP组播信号的方式接入交换机，数据的转发由交换机完成，由SDN控制器负责，这样形成了与传统播出结构类似的IP矩阵，下游接多选一设备以终端切换方式（IGMP协议）完成信号最后的输出。