【深度】未来网络与网络操作系统发展综述（下）未来网络核心发展趋势

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【深度】未来网络与网络操作系统发展综述（下）未来网络核心发展趋势

From 学术plus 学术plus 2019-03-28

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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

上篇链接：未来网络与网络操作系统发展综述（上）

2. 网络操作系统

软件定义网络技术的发展促进了支持SDN技术的网络操作系统的发展，目前业界比较有代表性的开源网络操作系统有ONOS和ODL，下面分别对其进行详细介绍。

2.1 ONOS操作系统

ONOS项目的目的是创建一个用于通信服务供应商的软件定义网络的操作系统，它以可扩展性、高性能性和高可用性作为其设计原则[7]。2014年12月5日，Open Networking Lab (ON.Lab)与其它工业界合作伙伴（AT&T和NTT Communications等）公开了ONOS系统的源代码，建立了它的开源社区[8]。2015年10月14日，ONOS项目加入Linux基金会，成为该基金会下的合作项目[9]。该项目使用JAVA语言编写，提供了一个基于Apache Karaf OSGi容器的分布式SDN应用平台。ONOS作为一个具有相同软件栈的节点集群工作，并且可以容许部分节点失效而不会失去对网络行为的控制。

ONOS在很大程度上依赖于OpenFlow等标准协议与模型，它的系统架构却并不直接与它们绑定，而是为应用开发者提供了自己的高端抽象和模型，这些模型可以在应用运行时进行扩展[10]。为了防止系统与某个特定的设置或控制协议绑定，任何与具体协议代码库相关联并且直接与网络环境交互的软件都被特意隔离开，称为一个驱动。与此类似，任何与集群间通信协议直接交互的软件也被隔开，称为一个存储。ONOS平台为应用程序提供了一系列高层抽象，应用可以通过这些抽象了解网络的状态，并借此控制网络交通流。可以通过REST API或GUI加载和卸载应用，而无需重启集群或其中的各个节点。ONOS应用管理子系统承担着在集群中分发应用并确保所有节点都在运行相同的软件。

2.2 ODL操作系统

ODL是一套以社区为主的开源SDN框架，由Linux协会联合业内18家企业在2013年初创立，其目标是作为SDN架构中的核心组件，使用户能够减少网络运营的复杂度，扩展器现有网络架构中硬件的生命期，支持SDN新业务和新能力的创新[11]。

ODL针对及企业服务提供商数据中心和WAN模块化开放的SDN平台，不仅能支持各种各样的用户，还可以支持各种各样的应用案例。ODL每6个月就会进行一次大的更新，目前发布的是其第四个版本[12]。目前，ODL包括十二个项目，每一个项目都有自己的代码库(OpenDaylight项目列表)。这些项目中与OpenFlow相关的项目的有controller、openflowjava和openflowplugin。ODL屏蔽底层，网络应用于应用，打造统一开放的SDN平台，目标是打造一个SDN网络操作系统。ODL包括OSGI、MAVEN、INFNINISPAN、SAL等核心技术[13]。

2.3 NOX/POX操作系统

NOX[14]是斯坦福大学实现的开源的操作系统，是最早支持openflow的控制器。NOX采用C++编程语言实现，具有管控SDN网络的基本功能。NOX的功能相对单一，拓展性和稳定性有很多不足的地方。但作为最早期的操作系统，NOX为后来的控制器架构提供了优秀的实例，规范了编程的架构，在早期的SDN发展过程中起到了重要作用。开发人员根据NOX实例实现了NOX的升级版操作系统POX。POX采用Python编程语言语言编写，具有简洁易懂的特点，是入门者接触SDN的首要选择。POX在实际应用中发展快速，是运营商和研究机构在SDN操作系统领域的主要选择之一。

2.4 Floodlight操作系统

Floodlight[15]操作系统Big Switch Networks公司开发的基于java的openflow操作系统。是一款广泛应用的企业级的开源操作系统，具有性能高和可靠性高等特点。Floodlight可以对大规模的路由器和交换机等支持openflow的接入点进行合理的控制，同时由于Floodlight的跨平台特性，因此也被广泛应用在各种终端之上。

Floodlight不仅仅是一款SDN操作系统，还包含一系列基于Floodlight的模块化的上层应用。这些控制器层的应用帮助开发人员更好的管控SDN网络，并通过REST API向应用层提供管控信息。Floodlight可以同时处理 OpenFlow 和非 OpenFlow 混合网络，实现对多种 OpenFlow 交换设备组成的网络的管理。因为FloodLight 优秀的管控能力，使得它成为多个重量级SDN项目中的核心。

3. 网络虚拟化技术

3.1网络资源虚拟化

未来网络要满足管控性、灵活性、可扩展性等需求，网络资源虚拟化切片技术成为试验床中非常核心的技术，可以根据不同的试验网络需求对物理网络中的计算资源、存储资源、网络资源进行切片式的抽象与管理。网络资源虚拟化技术从理论走向实践的过程中，必然要解决“流量识别与标识”、 “虚拟节点抽象”和“虚拟链路抽象”这三个核心问题，本节从这三个方面对网络资源虚拟化技术进行概述[16]。

3.1.1 流量识别与标识

网络虚拟化平台首先要实现的功能是对不同的试验用户进行隔离，解决该问题需要识别不同用户的网络流量，并对其进行网络标识。对网络流量的识别一般由接入设备完成，识别的策略有面向主机的和面向业务的。接入设备对网络流量识别后，需要对网络流量进行特别的标识处理，以便后续的设备能够对其进行特殊的处理，保证多个不同用户之间的流量能够互相隔离，互不干扰。目前流量的识别与标识方法有：基于vLan的标识方法和基于vxLan的标识方法。

3.1.2 虚拟节点抽象

虚拟节点抽象主要用于向用户描述虚拟化的节点模型，包括：“一虚多”模型和“多虚一”模型。前者“一虚多”模型是指每个底层物理节点可以虚拟化多个虚拟节点，即每个SN节点可以承载多个VN节点的请求。这种情况比较常见：在传统网络上一台物理交换机逻辑上被VLAN分为多个虚拟交换机；有些厂家的路由器可以模拟多台虚拟路由器。在每个物理节点上承载的虚拟节点之间的CPU资源、存储资源和转发表等互相独立，互不干扰。后者“多虚一”模型是指多个物理设备中的资源整合，向用户提供一个虚拟的逻辑设备。

3.1.3 虚拟链路抽象

虚拟链路抽象主要用于向用户描述虚拟化的链路模型。每个虚拟链路可以对应一条实际的物理链路，也可以映射到多条实际的物理链路。在虚拟化试验平台中，虚拟链路要满足各种各样的用户需求，因此虚拟链路的映射要能够针对各种服务质量要求，完成物理链路的映射，满足不同用户的性能指标要求。

3.2 网络功能虚拟化

为了应对网络虚拟化服务带来的频繁更新配置用以满足不同的虚拟网络用户的实际需求，网络功能虚拟化技术被提出用以解决这个问题。网络功能虚拟化是由服务提供商推动，主要目的是为了加快引进网络上的新服务。通信服务提供商已经提供了专用的X86硬件设备，网络功能虚拟化使其可以频繁快速地更新网络配置，提供新的服务功能。

如果说网络虚拟化技术为我们带来了通过网络创建通道、同时利用每一条传输流进行服务的思路，那么下一步就是让这条新通道承载相应的服务。网络功能虚拟化主要针对网络模型的四到七层功能进行虚拟化处理，常见功能如：防火墙、IDS/IPS等。目前比较著名的防火墙及IDS/IPS系统供应商包括PLUMgrid和Embrane等公司。

网络功能虚拟化的目的是通过通用的X86设备的强大性能在建立的虚拟网络通道上，构建部署特定的虚拟服务，可以节省大量的手工配置与技术培训的繁琐细节，这些功能的设置都可以通过软件定义的方式来完成。许多网络虚拟化的服务提供商都开始加快实施网络功能虚拟化服务，因为很多用户不希望同时购买两个不同厂家的服务。

4. 未来核心趋势

1) 未来网络核心技术关注不同用户需求

未来网络不再是新经济新领域独有的产品，最终它会成为承载一切的重大基础设施服务，类似水、电等资源一样，各行各业的用户都会利用未来网络实现自己的需求，或在未来网络上进行创新应用。所以各种各样的用户未来都会接入互联网，未来网络应该关注不同用户的需求，例如：数据备份需求的用户更关注的是流量的价格，不关心网络带宽时延等性能指标；实时转播的用户更关心的是网络的实时带宽需求；医疗控制领域关心的是网络的时延性能参数等。因为，未来网络应该更多关注不同的用户，能够支持为不同的用户提供各种各样的服务。