sdn關(guān)鍵技術(shù)綜述

1、1SDN SDN 關(guān)鍵技術(shù)及趨勢(shì) 關(guān)鍵技術(shù)及趨勢(shì)摘 要： 要：隨著信息通信技術(shù)中大量新型業(yè)務(wù)(如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù))的出現(xiàn)，未來網(wǎng) 正面臨著新的挑戰(zhàn),而隨時(shí)訪問性,高帶寬,動(dòng)態(tài)管理是至關(guān)重要的。然而,基于專有設(shè)備手動(dòng)配置的傳統(tǒng) 方法是繁瑣且易出錯(cuò)的,而且他們不能充分利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。最近,軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)已經(jīng)被稱 為未來互聯(lián)網(wǎng)最有前途的解決方案之一。SDN 具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn),包括控制平面從數(shù)據(jù)平面中解耦

2、并且 為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)提供了可編程性。因此,SDN 被認(rèn)為能提供更有效的配置,更好的性能和更高的靈活性 以適應(yīng)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。本文總結(jié)了 SDN 活躍研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。我們首先通過介紹 SDN 的起源提出 一個(gè)普遍接受的 SDN 定義。然后我們簡(jiǎn)要的介紹了 SDN 邏輯架構(gòu)及其技術(shù)特征。接著詳細(xì)介紹了 SDN 關(guān) 鍵技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究成果。最后我們描述了我們將來面臨的挑戰(zhàn)和 SDN 的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；

3、 OpenFlow；關(guān)鍵技術(shù)；Key technologies and Development of SDNAbstract: Emerging mega-trends (e.g., mobile, social, cloud, and big data) in information and communication technologies (ICT) are commanding new challenges to future

4、 Internet, for which ubiquitous accessibility, high bandwidth, and dynamic management are crucial. However, traditional approaches based on manual configuration of proprietary devices are cumbersome and error-prone, and

5、they cannot fully utilize the capability of physical network infrastructure. Recently, software-defined networking (SDN) has been touted as one of the most promising solutions for future Internet. SDN is characterized by

6、 its two distinguished features, including decoupling the control plane from the data plane and providing programmability for network application development. As a result, SDN is positioned to provide more efficient conf

7、iguration, better performance, and higher flexibility to accommodate innovative network designs. This paper surveys latest developments in this active research area of SDN. We first present a generally accepted definitio

8、n for SDN with introducing the origin of SDN. We then briefly present its logical architecture and technical characteristics. We then dwell on its key technologies, and the related research results. Finally, we describe

9、the challenges we face and discuss future research directions of this technology.Key words: Software-defined networking, OpenFlow. Key technologies引言 引言隨著社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算[1]等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)[3][4]正日益成為當(dāng)前的焦點(diǎn)，其面向的海量數(shù)據(jù)處理也對(duì)網(wǎng)絡(luò)

10、提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)應(yīng)用依賴于預(yù)先定義好的計(jì)算模式，在集中化的管理架構(gòu)下運(yùn)行，存在著大量的數(shù)據(jù)批量傳輸及相關(guān)的聚合/劃分操作。數(shù)據(jù)的聚 合和劃分通常發(fā)生在一臺(tái)服務(wù)器和一個(gè)擁有眾多服務(wù)器的服務(wù)器組之間，這也是大數(shù)據(jù)應(yīng)用中最典型的網(wǎng)絡(luò)流量模式。例如，在用于大數(shù)據(jù)處理的 MapReduce 算法的執(zhí)行過程[2]中，來自眾多mapper 服務(wù)器的中間結(jié)果需要集中匯總到一臺(tái)reducer 服務(wù)器上進(jìn)行歸約（Reduce）操作

11、，而MapReduce 的洗牌（Shuffle）過程更是由 mapper和 reducer 之前的多次數(shù)據(jù)聚合組合而成。大數(shù)據(jù)處理過程中的每一次聚合都將導(dǎo)致大量服務(wù)器之間的海量數(shù)據(jù)交換，從而需要極高的網(wǎng)絡(luò)帶寬支持，而如果按照超額認(rèn)購(gòu)（oversubscribe）帶寬的方式為每臺(tái)服務(wù)器預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)成為瓶頸，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。因此，對(duì)于大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，他更需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、頻繁的實(shí)時(shí)配置，按需調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源。但是，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)卻難

12、以滿足云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，以及相關(guān)業(yè)務(wù)提出的靈活的資源需求，這主要是因?yàn)樗呀?jīng)過于復(fù)雜從而只能處于靜態(tài)的運(yùn)作模式。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)中存在著大量各種各樣的互不相干的協(xié)議，它們被用于在不同間隔距離、不同鏈路速度、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間建立網(wǎng)絡(luò)連接。因?yàn)闅v史原因，這些協(xié)議的研發(fā)和應(yīng)用通常是彼此分離的，每個(gè)協(xié)議通常只是為了解決某個(gè)專門的問題而缺少對(duì)共性的抽象，這就導(dǎo)3應(yīng)用層控制層基礎(chǔ)設(shè)施層業(yè)務(wù)應(yīng)用SDN 控制軟件 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)

13、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備API API API控制/數(shù)據(jù)平面接口，例如OpenFlow圖 1 SDN 的邏輯架構(gòu)圖 1 為 SDN 的邏輯架構(gòu)[14]。該邏輯架構(gòu)分為 3 層?；A(chǔ)設(shè)施層（Infrastructure Layer）主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（Network Device）即支持 0penFlow 協(xié)議的 SDN 交換機(jī)組成，它們是保留了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)面能力的硬件，負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)收集。控制層（Control

14、Layer）主要包含 0penFlow 控制器及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operation system，NOS)，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹顟B(tài)信息等；控制器是一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)向下可以直接與使用 OpenFlow 協(xié)議的交換機(jī)(以下簡(jiǎn)稱 SDN 交換機(jī))進(jìn)行會(huì)話；向上，為應(yīng)用層軟件提供開放接口，用于應(yīng)用程序檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、下發(fā)控制策略。位于頂層的應(yīng)用層（Application Layer）由眾多滿足用戶需求的應(yīng)用

15、軟件構(gòu)成，這些軟件能夠根據(jù)控制器提供的網(wǎng)絡(luò)信息執(zhí)行特定控制算法，并將結(jié)果通過控制器轉(zhuǎn)化為流量控制命令，下發(fā)到基礎(chǔ)設(shè)施層的實(shí)際設(shè)備中。從而完成動(dòng)態(tài)接入控制、無縫切換、負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等功能。SDN 網(wǎng)絡(luò)控制器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過專門的控制面和數(shù)據(jù)面接口連接，該接口是支持 SDN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵接口。目前，SDN 的研究重點(diǎn)之一是對(duì)該接口的定義和規(guī)范，很多研究將該接口等同于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中用于管理不同廠商設(shè)備的南向接口（Southbound

16、 Interface） ，但重新定義了其需要承擔(dān)的功能，如網(wǎng)絡(luò)編程、資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)隔離等；同時(shí)，在應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層之間定義了類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上用于設(shè)備制造商或網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行設(shè)備接入和管理的北向接口（North-bound Interface） ，并明確了該接口在路由、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)策略管理等方面的能力要求。此外，為支持不同的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之間的互通，有研究還定義了支持網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之間互聯(lián)的東西向接口（East-west I

17、nterface）和其在支持網(wǎng)絡(luò)域間控制、互操作、網(wǎng)絡(luò)部署等方面的功能需求[15][16]。根據(jù)上述論述，OpenFlow 協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是 SDN 區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。2.2 2.2 技術(shù)特點(diǎn) 技術(shù)特點(diǎn)SDN 的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商獨(dú)立而封閉的控制面結(jié)構(gòu)體系，將改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的工作模式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將產(chǎn)生直接影響。從技術(shù)層面分析，SDN 的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[17]：

18、? 數(shù)據(jù)面與控制面的分離，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過控制面功能的集中和規(guī)范數(shù)據(jù)面和控制面之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠商的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一、靈活、高效的 管理和維護(hù)。? 開放網(wǎng)絡(luò)編程能力，以 API 的形式將底層網(wǎng)絡(luò)能力提供給上層，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈活配置和多類型業(yè)務(wù)的支持，提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)和資源控制的精細(xì)化程度。 ? 支持業(yè)務(wù)的快速部署，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)配置流程，具有靈活的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，降低設(shè)備配置風(fēng)險(xiǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。? 更好地支持用戶個(gè)性化定制業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，為網(wǎng)