SDN技术发展及其对产业的影响

【发布日期:2017-06-16】【来源:中国信息通信研究院】

 本文从梳理SDN技术发展需求入手,分析SDN技术内涵、本质特征及其发展趋势,进而分析判断SDN技术对于产业发展的影响。

  一、SDN的发展动力主要来自于三方面的需求,不同的推动主体对于SDN的理解并不相同

  目前推动SDN发展的专家大致可以分为三类:IDC设计与运维人员、数据设备设计研发人员、未来网络研究与试验人员。这三类专家关注SDN的出发点并不相同,对于SDN的认识也不一样。

  (1)SDN商用需求最早出现在数据中心内部

  IDC内部网络为了支持应用服务器上虚拟机的迁移,通常是一个二层网络,因为如果采用三层组网,那么虚拟机迁移时,虚拟机对应的应用服务的IP地址要跟着变化,带来业务部署和管理的困难,而二层网络则没有这个问题。

  但是,在IDC内部直接应用既有的二层网络技术,则会带来以下突出问题:在二层网络中,为了消除广播包的环路,通常采用生成树(STP)协议,在网络节点之间构建一棵逻辑树,节点之间的流量按照这个“树状”拓扑来传递,即使网络节点之间有多个物理链路,也只有一条链路真正传递数据,其他链路都是空闲的(只起备份作用)。但是,在IDC内部,多个服务器之间存在着频繁的数据交换需求,基于STP的树状网络拓扑不能高效支持这种“横向”流量,服务器之间的空闲链路也造成了网络资源的大量浪费,因此基于STP的二层网络对于IDC来说过于简单,也就是说,二层交换机不会基于MAC地址来动态规划数据转发路径,缺乏高效的控制平面。因此在二层网络中增加控制平面,负责较大的二层网络内部节点间的流量调度和管理成为了一种迫切需求。目前较为主流的解决思路,就是利用IS-IS路由协议的变种来构建控制平面路由功能;利用Openflow来定义控制平面与转发平面之间的接口。这是二层网络中的控制平面与转发平面的分离。

  (2)SDN商用需求来自于路由器内部功能优化

  在传统路由器中,负责路由规划、选路策略的控制平面与负责数据封装、高速转发的数据平面之间的接口是不开放的,是紧耦合在一起的。每个厂家都通过自有的协议或接口来连接控制平面和转发平面。目前,有两种力量对这种模式提出了挑战:个力量是新兴的数据设备厂商,他们试图通过打破路由器内部控制平面与数据平面之间的紧耦合,形成一个开放的、标准的设备接口,这样可以把控制功能集中而且单独剥离出去,数据转发设备可以做得更加通用和简单,成本可以做得更低,有助于打破CISCO、JUNIPER等厂商的垄断地位,这些厂商可以从中获得新的发展机遇。另一个是大型互联网企业,他们有自建企业网络的需求,认为目前路由器的功能太过复杂,有80%以上的功能和特性在自己的网络中用不到,所以存在自主设计实现简洁高效路由器的需求。

  基于这种考虑,IETF较早的就开展了路由器内部控制平面与转发平面分离的研究工作,成立了FORCES工作组,定义了路由器内部控制平面与转发平面之间的通信协议。这是三层网络中的控制平面与转发平面的分离。

  (3)SDN商用需求来自未来网络研究与试验

  目前,为了解决IP网络面临的网络地址空间不足、服务质量难以保证、安全可信机制缺乏、网络管控能力差等问题,未来网络研究人员一方面积极研究新型网络体系结构和关键技术,探索建立一个超大规模的未来网络新技术的试验验证环境,在这个试验网络上灵活地为各种技术方案提供资源独立的试验环境,从而孵化出优选技术。美欧等国分别建立了GENI和FIRE网络,目的就在于此。在试验网络建设过程中,设计人员希望通过控制平面与转发平面的分离,能够在网络节点上灵活的控制和部署路由协议,实现高效的数据转发。

  二、网络开放是SDN技术的本质特征,网络开放程度的深化将带来SDN技术的深入发展

  从网络开放性的角度,可以把SDN分为三类,每类之间的开放性是递增的:

  (1)开放控制层北向接口的SDN(可以简称为SDN-N)

  这种思路研究数据网络开放控制面与业务应用之间的北向接口,向上提供资源抽象,有利于互联网应用服务感知数据网络状态、优化业务应用设计、改善用户业务体验,因此得到了互联网服务提供商的支持。研究北向接口的开放性,主要是要抽象不同业务应用的共性特征,及其对数据网络的承载需求,但是业务应用的多样性增加了这项工作的难度。

  (2)开放控制层南向接口的SDN(可以简称为SDN-S)

  这种思路就是大家通常理解的SDN,即数据网络中控制平面与数据平面的分离。目前比较热的ONF的Openflow协议和IETF的Forces协议都是工作在这个层面的,都是定义控制平面与数据平面分离后,两者之间的通信协议。Openflow与Forces协议的不同点在于:Openflow所面对的转发设备硬件假设只支持十元组,Openflow可以针对十元组做各种转发规则的配置;而Forces假定所面对的转发设备硬件是协议无关的,Forces可以以XML语言的格式来任意定义底层转发设备的处理逻辑。

  (3)开放控制层东西南北向接口的SDN(可以简称为SDN-SE)

  在开放了南北向接口以后,SDN发展中面临的一个问题就是控制平面的扩展性问题,也就是多个设备的控制平面之间如何协同工作,这涉及到SDN中控制平面的东西向接口的定义问题。如果没有定义东西向接口,那么SDN充其量只是一个数据设备内部的优化技术,其对网络架构创新的影响力就十分有限。如果能够定义标准的控制平面的东西向接口,就可以实现SDN设备“组大网”,成为一种有革命性影响的网络架构。目前对于SDN东西向接口的研究还刚刚起步。

  三、SDN技术将最终走出IDC内部与数据设备内部,对信息通信产业产生深远的影响。

  如果SDN技术和理念只是停留在目前IDC内部网络、数据设备内部,那么SDN技术的影响力是有限的,只是对二层网络内部的流量优化、数据设备结构和性能优化有较大的影响。但是如果SDN中的北向接口,尤其是东西向接口开放并且标准化以后,其对于通信网网络结构、商业模式等均会产生深远的影响。目前业界热谈的SDN影响,就是基于这种前提的。

  (1)对于互联网企业而言,一方面控制平面与转发平面的分离为网络控制权的迁移提供了机遇。目前Google等国际互联网巨头,绕过网络运营商,积极构建自主的网络基础设施,如购买海底光缆、部署光纤网络、发送“热气球”网络等。SDN技术的出现,为互联网服务提供商提供了构建廉价、高效网络的技术手段和机会,这对于传统网络运营企业提出挑战。另一方面,SDN技术优化了IDC内部网络,对于提高IDC效率、降低建设和运维成本具有重要意义。Google等企业已经陆续发布了一些利用SDN技术后,IDC效率大幅提升的事例和数据。IDC的网络优化对于云计算的发展有着直接的促进作用。

  (2)对设备制造企业而言,SDN意味着新的市场和商业机会,而且这是一片蓝海,这也是NEC等非主流数据设备厂商抢在CISCO等传统优势厂商之前,最先研制发布SDN路由器和交换机的原因。

  (3)对于网络运营商而言,一方面SDN为构建智能管道提供技术途径,可以利用SDN实现网络的优化和高效的管理,提高网络的智能性和管控能力、大幅降低网络建设与运维成本。另一方面,SDN可以促进网络运营商真正开放底层网络,大大推动互联网业务应用的优化和创新,例如在OpenFlow网络的支持下,IaaS用户可以自行设定数据流在本网内的路径和安全策略,而不仅仅是几个虚拟设备的控制权。

  (4)对于未来网络研究探索而言,一方面在SDN等技术的推动和影响下,网络的虚拟化、控制转发分离成为了未来网络新架构的基本特征,推动了未来网络体系结构和关键技术的创新。另一方面SDN技术为构建大规模未来网络试验床提供了基础技术,在试验网络中可以为新的网络技术方案提供相对独立的网络资源和网络控制功能,即在试验网上可自由定义数据的路由途径和转发交换规则,有利于网络技术创新。

  作者简介:

  曹蓟光:现就职于工业和信息化部电信研究院通信标准研究所,博士,所副总工程师。主要从事IP QoS、IPv6等IP承载网技术研究、电信产业发展政策研究等工作。主持和参与了多项科技部、工信部、发改委和国内主要电信运营商的研究课题。在核心期刊发表论文30余篇,出版专著《MSTP技术与应用》;向国际标准化组织提交文稿30余篇,并在ITU-T SG13担任Q20副报告人。

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