【深度】未来网络与网络操作系统发展综述（上）软件定义网络

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今日荐文

今日荐文的作者为首都经济贸易大学专家孙远芳，段翠华和中国石油大学（华东） 计算机与通信工程学院专家张培颖。本篇节选自论文《未来网络与网络操作系统发展综述》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。

摘 要：现有的互联网正在面临前所未有的挑战，比较严峻的问题包括互联网的安全问题和互联网资源的管控问题。由于目前互联网络存在的问题，未来网络技术的发展也面临许多严峻的挑战。本文总结分析了未来网络中的三种核心技术，包括：软件定义网络、网络操作系统和网络虚拟化技术，期望对国内未来网络技术的研究起到参考和帮助。

关键词: 未来网络；软件定义网络；网络操作系统；网络虚拟化；网络功能虚拟化

引  言

随着互联网技术的飞速发展，目前的运营商网络架构无法满足实际网络服务的需求，网络架构呈现僵化现象。目前互联网络面临许多严峻的挑战：第一，随着互联网用户需求的不断变化，传统的以IP为网络层的体系结构无法持续；第二，互联网已经从最初的学术领域转变到商业领域，目前的安全问题无法满足商业应用需求；第三，传统的网络为了满足用户的需求，运维和管理成本不断增加，由于目前的网络无法支持虚拟化的功能，导致已有的物理网络资源利用率不高。

未来网络技术的发展都是针对目前存在的问题，提出了许多网络体系架构，进而能够提供“大众创业、万众创新”的未来网络基础设施服务平台。本文针对目前互联网的问题，对未来网络中的核心技术：软件定义网络、网络操作系统和网络虚拟化技术这3个核心技术进行调研，指出其研究的内容，存在的问题，并对未来网络核心技术的发展进行了展望。

1. 软件定义网络

1.1研究背景

随着网络技术的不断发展，互联网的功能由最初的资源共享转变为目前承载的公共基础设施服务。互联网在过去的几十年里取得了巨大的成功，同时也面临一些严重的挑战：在已有的互联网络架构上部署新的服务或协议非常困难，对互联网络资源的管控性较差，互联网络面临严峻的安全挑战等。软件定义网络的思想来源于斯坦福大学Nick McKeown教授牵头的实验室研究计划Clean Slate项目。Clean Slate项目作为学校的研究计划，倡导重建炉灶，革命性改进目前已有的网络体系架构。该项目最初选择的关键研究方向有五个，即：网络体系结构、异构应用、异构物理层技术、安全和经济与政策。

典型的商用SDN案例应该是Google搭建的B4网络系统，该工程主要用于数据中心之间的流量工程。Google数据中心之间传输的数据分为三类：第一类是用户备份数据；第二类是数据中心之间存储访问；第三类是数据中心之间同步数据。B4网络底层使用OpenFlow交换机，利用软件控制数据中心之间的流量工程，优化资源的利用率，取得了巨大的成功。该项目的成功极大地推动了SDN技术在产业界的发展，目前SDN技术正在全球形成产业孵化的热潮。

1.2体系结构

ONF(Open Networking Foundation)是由德国电信、Facebook、谷歌、微软、美国威瑞森电信和雅虎于2011年创立的一个非营利性组织。根据ONF的定义，SDN是一种新型的控制平面和数据平面分离的网络架构。数据平面和控制平面的分离有助于底层物理网络资源的虚拟化，以逻辑形式为上层应用提供服务；同时控制平面可以用软件定义的方式来控制网络资源，使得目前的网络更加智能。SDN的体系架构如下图所示：

图1 ONF定义的SDN网络体系结构图

如图1所示，ONF提出的SDN体系架构主要分为三层，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；中间层为控制层，主要负责对数据平面的资源进行调度；最下层为基础设施层，主要负责数据处理、转发和状态采集。应用层与控制层之间的API接口由于其所处的位置在上面，因此称之为北向API接口；控制层与基础设施层之间的接口由于其所处的位置在下面，因此称之为南向API接口。

1.3关键技术

1) SDN网络交换协议

SDN网络协议必须满足简单、高效，通过能够对数据转发平面进行抽象，提供可编程的API接口，支持可编程的实现。OpenFlow协议长期以来一直是软件定义网络的管理和控制协议，该协议实现了控制设备可以对转发平面设备的流表进行编程。流表是交换机/路由器进行转发策略控制的核心数据结构，每个流表项包含三个域，分别是匹配域、计数域和指令域。NETCONF协议，由RFC 6241定义，用于替代命令行界面、简单网络管理协议以及其他专用配置机制。管理软件可以使用NETCONF协议将配置数据编程写入设备，也可以从设备中读取数据。所有数据采用XML格式编码，通过SSL或传输层面向连接的安全协议，使用远程过程调用方式传输。

除了配置数据，设备还存储状态数据和信息，例如：包统计信息、运行中设备采集的其他数据等，这些信息控制软件只可以读取，但不能写入；候选配置数据存储是一个可选的设备性能。

NETCONF协议的命令集合由读取、修改设备配置数据，以及读取状态数据的一系列命令组成。命令通过RPCs进行沟通，并通过RPC应答。一个RPC回复必须响应一个RPC才能返回。一个配置操作必须由一系列RPC组成，每个都有与其对应的应答RPC。所选择的传输协议必须保证RPC按照发送顺序传递给设备，而且应答必须按照发起RPC的顺序被接收。除了从控制器向设备发送命令，设备也可以发出通知来告知控制器设备上的一些事件。

2) SDN网络控制器

SDN控制器是SDN网络的核心部分，主要功能是能够利用交换机上报的网络状态信息，构建全网资源视图，从而对网络交换机下达控制指令，对网络中的资源进行有效地调度，使网络更加智能化。SDN控制器应该能够提供2个方面的功能：一是提供集中式的编程环境，使开发者有统一的全局资源视图，忽略底层网络的实现细节；二是提供抽象的编程接口，应用程序将面向这些接口进行开发，从而控制网络流量的调度、获取网络的特征，使网络具有智能。

针对不同的网络开发环境，工业界和学术界已经提出了许多各种语言编写的SDN控制器。OpenDayLight(ODL)[3]是以开源社区为主导，利用JAVA语言实现的开源框架，旨在推动创新实践的实施以及软件定义网络透明化。面对SDN网络，ODL作为项目核心，拥有一套模块化、可插拔且极为灵活的控制器，还包括一套模块合集，能够执行需要快速完成的网络任务。Floodlight[4]是由Big Switch Networks基于apache协议用JAVA语言开发的一款OpenFlow控制器，被用于与交换机、路由器、虚拟交换机及其他支持OpenFlow标准的设备一起工作。RYU[5]是由日本NTT公司研发的一款开源SDN控制器，完全有Python语言实现，使用者可以在Python语言的基础上实现自己的应用，目前支持OpenFlow 1.0、1.2、1.3，同时支持在OpenStack上的部署应用。提供逻辑上集中式管理，通过API接口使得网络的管理更加便捷。POFController[6]是由华为公司采用BSD/Apache授权基于JAVA语言实现的OpenFlow控制器，提供了一个GUI管理界面，用于交换机的控制与配置。POF主要包括控制器和交换机两个原型文件，旨在提高OpenFlow的规范及支持无感知转发协议和数据包格式。POX是由斯坦福大学使用Python语言开发的基于OpenFlow的SDN控制器，是NOX的兄弟，它具有将交换机送上来的协议包给指定软件模块的功能。NOX是Nicira使用Python开发的首个提供尽可能通用接口的SDN控制器，用于构建网络控制应用的平台。

3) 小结

SDN网络的核心思想是通过控制平面向数据转发平面下达指令，使网络更加高效智能。SDN控制器大部分采用开源技术实现，主流语言包括：JAVA、Python和C/C++等。目前，基于SDN的网络实验平台的搭建成为学术界和产业界研究的热点，也正在成为网络运营商和网络服务商所关注的热点之一。

（未完待续）

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