软件定义网络(SDN)研究进展

1 体系架构

SDN 由下到上(或称由南向北)分为数据平面、控制平面和应用平面。数据平面与控制平面之间利用 SDN 控制数据平面接口(control-data-plane interface，简称 CDPI)进行通信，CDPI 具有统一的通信标准，目前主要采用 OpenFlow 协议。控制平面与应用平面之间由 SDN 北向接口(northbound interface，简称 NBI)负责通信，NBI 允许用户按实际需求定制开发。

由于 NFV 与 ONF 的 SDN 分别负责不同的网络，两种架构的协同工作能够获得更好的网络体验,将两者结合可以降低设备成本。OpenDaylight 具有开源性，因此，它可以兼容 SDN，NFV 以及未来与 SDN 并行的体系结构。

SDN 中的接口具有开放性，以控制器为逻辑中心，南向负责与数据层通信，北向负责与应用层通信。此外，由于单一控制机制容易造成控制节点失效，严重影响性能，可采用多控制器方式，此时，多控制器之间将采用东西向通信方式。开放式接口的研究，必然进一步推动 SDN 的深入发展。
针对南向接口,除了 ONF 提出的 OpenFlow 协议和 OF-CONFIG 协议外，IETF 提出了 ForCES 协议，思科公司提出了 OnePK 协议。四者对比见上图。
除了南向接口相关研究之外，控制器北向接口及控制器间东西向接口同样是研究重点。与南北向接口通信的方式不同，东西向接口负责控制器间的通信。由于单一控制器性能有限，无法满足大规模 SDN 网络部署，东西向接口标准的制订使控制器具有可扩展能力，并为负载均衡和性能提升等方面提供了技术保障。

2 数据层

SDN 数据层的功能相对简单，相关技术研究主要集中在交换机和转发规则方面：首先是交换机设计研究，即设计可扩展的快速转发设备，它既可以灵活匹配规则，又能快速转发数据流；其次是转发规则的相关研究，例如规则失效后的一致性更新问题等。

2.1 交换机

SDN 交换机位于数据层面，用来负责数据流的转发。通常可采用硬件和软件两种方式进行转发。如何设计交换机，做到既保证硬件的转发速率，同时还能确保识别转发规则的灵活性，成为目前研究的热点问题。

RMT 模型实现了一个可重新配置的匹配表，它允许在流水线(pipeline)阶段支持任意宽度和深度的流表。从结构上看，理想的 RMT 模型是由解析器、多个逻辑匹配部件以及可配置输出队列组成。具体的可配置性体现在：通过修改解析器来增加域定义，修改逻辑匹配部件的匹配表来完成新域的匹配，修改逻辑匹配部件的动作集来实现新的动作，修改队列规则来产生新的队列。
作为另一种利用硬件灵活处理技术，FlowAdapter采用交换机分层的方式来实现高效、灵活的多表流水线业务。FlowAdapter 交换机分为 3 层：最上层是可以通过更新来支持任何新协议的软件数据平面，底层是相对固定但转发效率高的硬件数据平面，位于中部的 FlowAdapter 层负责软件数据平面和硬件数据平面之间的通信。
与利用硬件设计交换机的观点不同，虽然软件处理的速度低于硬件，但是软件方式可以最大限度地提升规则处理的灵活性，同时又能避免由于硬件自身内存较小、流表大小受限、无法有效处理突发流等问题，因而同样受到学术界的关注。

2.2 转发规则

将配置细节进行抽象，使管理人员能够使用较高抽象层次(high-level)的管理方式统一更新，就可防止低层管理引起的不一致性问题。一般采用两阶段提交方式来更新规则：第 1 阶段，当某个规则需要更新时，控制器询问每个交换机是否处理完对应旧规则的流，并对处理完毕的所有交换机进行规则更新；第 2 阶段，当所有交换机都更新完毕时，才完成更新，否则将取消该更新操作。
在数据平面建立与协议无关的流指令集(flow instruction set,简称 FIS)，可以做到协议无关的转发。协议无关的 FIS 抽象了数据平面，每个协议相关的规则会转化成 FIS 中协议无关的指令，并被数据平面硬件所识别,从而实现快速转发。协议无关的 FIS 使规则与转发设备无关，提高了数据平面的可扩展性，真正实现了控制平面与数据平面的全面分离。

3 控制层

控制器是控制层的核心组件，通过控制器，用户可以逻辑上集中控制交换机，实现数据的快速转发，便捷安全地管理网络，提升网络的整体性能。

3.1 控制器

控制器的基本功能是为科研人员提供可用的编程平台。控制器拥有全网信息，能够处理全网海量数据，因此需要具有较高的处理能力。

对于众多中等规模的网络来说，一般使用一个控制器即可完成相应的控制功能。对于大规模网络来说，仅依靠多线程处理方式将无法保证性能，将控制器物理分布在整个网络中，可使每个交换机都与较近的控制器进行交互，从而提升网络的整体性能。
分布式控制器一般可采用两类方式进行扩展，分别是扁平控制方式和层次控制方式。对于扁平控制方式，所有控制器被放置在不相交的区域里，分别管理各自的网络。对于层次控制方式，控制器之间具有垂直管理的功能。扁平控制方式要求所有控制器都处于同一层次，层次控制方式按照用途将控制器进行了分类。
SDN 网络操作系统应当具有实时运行所开发应用的能力，即能够达到开发与执行的平衡。

3.2 接口语言

控制器提供了北向接口，方便用户配置网络。传统的控制器平台仅能提供低级配置接口，且使用像 C++这种通用语言，抽象程度较低，造成网络配置成本并未大幅度降低。针对这种情况，科研人员致力于开发一种抽象的、高级配置语言.这些抽象语言能够统一北向接口，改善接口的性能，从而全面降低网络的配置成本。

3.3 控制层特性研究

控制层存在一致性、可用性和容错性等特性，这 3 种特性的需求无法同时满足，达到三者之间的平衡是今后的重要工作之一。

4 应用

随着 SDN 的快速发展，SDN 已应用到各个网络场景中，从小型的企业网和校园网扩展到数据中心与广域网，从有线网扩展到无线网。无论应用在任何场景中，大多数应用都采用了 SDN 控制层与数据层分离的方式获取全局视图来管理自己的网络。

4.1 企业网与校园网

4over6（见上图）描述了 IPv4 网络向IPv6 网络过渡的技术，它借鉴了 SDN 网络虚拟化的思想，将 IPv4 网络和 IPv6 网络从数据层分离出来。由于 IPv4 和 IPv6 传输数据的基本原理相同，因此数据层能够对 IPv4 和 IPv6 两者都提供传输服务，实现转发抽象。同时，还可分别为 IPv4 服务提供商和 IPv6 服务提供商提供更方便的管理机制，便于 IPv4 网络向 IPv6 网络的迁移，满足所有 IPv6 网络过渡的需求。

4.2 数据中心与云

有了数据中心作保障，用户可以通过云网络方便进行网络管理。不过，基于云环境的网络拓扑是多变的，而通过 SDN 可以获取全局信息，实现云网络管理。

4.3 广域网

广域网连接着众多数据中心，这些数据中心之间的高效连接与传输等流量工程问题，是众多大型互联网公司努力的目标。为了能够提供可靠的服务，应确保当任意链路或路由出现问题时仍能使网络高效运转。

4.4 无线网络

SDN 技术研究初期就开始部署在无线网络之中，目前已广泛应用在无线网络的各个方面。

5 未来

SDN 目前已经得到各方面的关注，不仅在学术界对 SDN 关键技术进行了深入研究，而且在产业界已经开始了大规模应用。SDN 技术的出现带来了诸多机遇，同时也面临着更多的挑战。以下是SDN未来的一些研究方向：

• SDN 可扩展性研究
• SDN 规模部署与跨域通信
• 传统网络与 SDN 共存问题研究
• SDN 在数据中心的应用研究
• 借鉴 SDN 思想融合 IPv6 过渡机制
• SDN 与其他新型网络架构融合
• SDN 网络安全

小结

本文发表时间为2015年，相应的技术研究和应用发展存在局限性。但是对于技术的定义和讲解，这部分是具备高参考价值的。在应用发展及未来研究一块，则需要结合最新的研究进展进行了解。
SDN技术与NFV技术都属于虚拟化技术，强调控制面和数据面的解耦。同时，在控制面进行集中式的管理。那么，接口安全和控制面安全就很重要了。一旦这两个口子被攻破，在共享资源的情况下，将全面崩溃。

最后

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