SDN(Software Defined Networking)軟體定義網路

leiphone 作者：周蕾

本文轉載自《中國金融》2018年第4期，作者為中國人民銀行數位貨幣研究所所長姚前。

雲計算、大數據、區塊鏈……當我們還在學習消化這些知識的時候，軟體定義一切的概念又來了——軟體定義網路、軟體定義安全、軟體定義儲存，軟體還可以定義數據中心。實際上，軟體化是與硬體虛擬化、應用雲端化緊密相關，早已有之的理念。

軟體定義網路的誕生

軟體定義網路（Software Defined Network，SDN）是一種全新的網路設計理念，其要義是將網路控制，和數據轉發進行解耦。具體而言，就是將網路控制功能，從相應的網路設備中分離出來，並放入特定的軟體可編程的控制器中，使其更加靈活、更加智慧、更加具有可編程性。

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在剝離網路控制功能之後，相應的網路設備，只需完成高速數據轉發即可，逐步成為通用化設備。該理念旨在解決電腦網路，面對新業務時所遇到的種種瓶頸。

SDN在2009年被著名的《麻省理工科技評論》譽為，未來最有前景的十大創新技術之一。

2011年3月，眾多廠商共同成立了開放網路基金會（Open Networking Foundation，ONF），推廣SDN和制定SDN相關標準。2012年，谷歌在開放網路峰會（Open Network Summit，ONS）上展示了它們的inter-dc網路，這個網路正是基於OpenFlow的理念設計的。至此，SDN從學術界走向產業界。

考慮到SDN技術本身，就是要打破傳統路由交換的封閉性、把業務和平台分離，有人曾認為，以思科為首的傳統路由交換廠商，不會輕易支持這個技術。

但隨著SDN理念的傳播，業界快速佈局，掀起了一輪收購浪潮。比如，VMware收購了Nicira，Cisco收購了vCider和Insieme，Intel收購了Fulcrum Microsystems，Oracle收購了Xsigo System。

SDN之所以能迅速受到各方面的廣泛關注，究其原因還是在於，它能夠解決傳統網路的缺陷。雖然虛擬化和雲計算提高了數據中心的靈活性，但網路配置和維護，仍然是一個巨大的障礙，比如虛擬化技術，能讓企業在短時間內，啓用新的虛擬機，但企業仍然需要在網路上，投入大量人力，來做調整工作，而SDN可以解決這些問題。

邁向網路新變革-SDN全面啟動

SDN的架構

從體系結構的角度來看，SDN主要由轉發層、控制層、業務層組成。

轉發層。該層主要是網路設備，這些設備可以是物理設備，也可以是虛擬設備，如虛擬交換機、路由器等。轉發是分布式的，所有的轉發表項均儲存在網路設備中，用戶報文在這裡被處理和轉發。

設備透過南向接口，接受控制層的指令，產生具體的轉發表項，並透過南向接口，主動將一些即時事件報給控制層。

控制層。該層主要由控制器組成，根據網路規模的大小不同，控制器可能有多個，也可能只有一個。分布式的控制器佈署方式，使得SDN架構在可拓展性上，有獨特優勢。

另外，由於控制器採取一致的網路協議，不同廠商的控制器，也能有效互通。

業務層。該層主要由各類應用組成，SDN網路透過業務層，來提供各種網路服務，例如安全、VPN、負載均衡等。業務層透過北向接口，與控制層進行通信，交換資訊。

由於SDN透過控制器將控制集中化，它在管理上更為方便，比起傳統網路需要一台台設備，分別去調試，要省心省力得多，因此有效解決了傳統網路，在應對虛擬化和雲計算數據中心時，靈活性不足的難題。

同時由於控制集中化，原先複雜的路由、多播、安全、ACL（訪問控制）、頻寬管理、流量工程、QoS（服務品質）、能效管理，以及各種策略管理，也變得簡單明瞭。

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在集中控制的基礎上，SDN的可編程性，可謂是其核心所在。這一功能是傳統網路，所無法企及的。透過軟體編程，運管人員不僅能實現一些小功能，運維自動化、智慧化亦成為可能。對於上層應用來說，這更是福音。應用開發者將不再需要瞭解各種網路底層的細節，只需專心致力於應用軟體的品質，開發效率大大提高。

隨著SDN的興起，傳統網路硬體廠商正調整策略，尋求新機。「白盒交換機」已經悄然登場，透過這些交換機，用戶無需瞭解網路底層，只需透過相應的網路操作系統，就能將自身需求，與網路控制有效結合。

SDN的標準組織

新技術的出現，必然會對標準提出新的要求。目前，主要有四個有影響力的國際組織，在推動SDN發展，它們分別是ONF、ODL、ONOS和NFV。

ONF代表了互聯網公司，也是最早成立的SDN組織，成立於2011年，主要成員有Google、Facebook、微軟等，其技術路線，就是上文所提及的OpenFlow。

ODL（OpenDayLight，白晝之光）代表了硬體廠商，成立於2013年，主要成員有Cisco、IBM、Juniper、HP等。ODL主要是為了建立一個開源的SDN平台框架，目前最為核心的成就，是提供了行業默認標準的OpenDayLight控制器。

ONOS（Open Network Operation System，開放網路操作系統）代表了營運商，成立於2014年，主要成員有AT&T、NTT、華為等，旨在為營運商用戶，提供一個開源網路控制器。目前該組織的核心工作，是在控制器層面與ODL進行競爭。

NFV（Network Function Virtualization，網路功能虛擬化）也代表營運商，成立於2012年，主要成員有AT&T、美國電信、德國電信、中國移動等，這個組織主要致力於，IT設備虛擬化、提高營運能力、降低營運成本等工作。

顯然，現在SDN標準主要有三個方面的推動力，分別是網路設備廠商、軟體廠商和用戶。網路設備廠商透過，在自己的產品中，加入SDN的各項功能，從而提供完整的SDN產品，和解決方案。

軟件體將SDN的功能，透過虛擬化網路技術，融入到自己的軟路產品中，最終提出SDN部分或全面解決方案。用戶由於自身網透建設和運維的壓力，是SDN主要倡導者和推動者，希望透過SDN發展給自身，帶來預期的利益。

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SDN技術路線

OpenFlow技術路線。OpenFlow是全球首個採用SDN框架的標準接口，由ONF提出。OpenFlow定義了SDN網路設備控制層和數據層交互方式，即南向接口，在不同廠商網路設備與控制器之間，提供高性能和更細顆粒度的流量控制。OpenFlow是現在SDN框架中，最有影響力的協議。

NFV技術路線。由NFV標準化組織提出，利用當前的資源虛擬化技術，在硬體設備中，建立一個網路虛擬層，負責將硬體資源虛擬化，形成虛擬計算資源、虛擬儲存資源和虛擬網路資源等，營運商透過軟體，來管理這些虛擬資源，實現簡單地，統一管理不同設備的目的。

NFV將傳統網路設備的軟體與硬體相分離，使網絡功能更新，獨立於硬體設備。

I2RS技術路線。由IETF（互聯網工程任務組）負責標準的開發和推廣，當前關注這個技術的人不多。I2RS 是「Interface to the Routing System」的縮寫，I2RS主張在現有的網路層協議基礎上，增加插件（plug-in），並在網路與應用層之間，增加SDN Orchestrator進行能力開放的封裝，而不是直接採用OpenFlow進行能力開放，目的是盡量保留現有的各種路由協議，和IP網路技術。

Overlay技術路線。Overlay是一種網絡虛擬化的技術，其在SDN部署時被廣泛採用，目的是將網絡服務與物理網路設備解耦，從而創建靈活的虛擬網路。其中熱門的技術是Vxlan（Virtual eXtensible LAN可擴展虛擬局域網），它基於IP網路之上，使用MAC in UDP的方法進行封裝，提供一種隧道傳輸。

上述各種技術路線各有優劣，能夠分別解決不同的痛點，共同推動SDN架構的完善。

典型的SDN網路解決方案如圖所示，在網路管理層面引入Openflow流表，實現控制器對虛擬交換機的靈活控制；在網路業務層面引入Vxlan技術，即在原有Underlay網路之上構建了一層Overlay網路，打破Vlan數量限制，可顯著擴展業務隔離域數量，以滿足網路全自動化佈署、快速配置等雲數據中心新需求。

SDN在金融業的應用前景

近年來，雲數據中心紛紛落地，虛擬化被廣泛佈署在各種數據中心中，大數據被應用在客戶行為分析、反欺詐、運維日誌分析等多個領域。

然而，金融行業在享受金融科技，所帶來的價值和便利的同時，也受到了基礎網路「扯後腿」的困擾。

兩地三中心、多地多中心可謂是金融行業的共識。但部分中心由於各種原因長期閒置，形同擺設，只在災難發生時才會啓用，關鍵時刻能不能真正頂用還得划個「問號」，不得不說這是巨大的浪費。

鑒於此，雲數據中心是被廣泛認同的解決方案，它將多數據中心整合為雲數據中心，然後佈署虛擬伺服器和分布式儲存，將各個分散的數據中心整合利用起來，各種應用在雲中心按需進行遷移。

大數據分析的價值已被廣泛認同，然而大數據分析系統的數據量巨大，每年還在快速成長，必須採用一些先進的分布式架構，這給傳統網路帶來了，大負荷的流量壓力。

同時現有金融行業的業務複雜度越來越高，金融合規、行業監管越發趨嚴，安全等級保護的要求甚至有一票否決權，這些都給現有網路系統營運，提出了前所未有的要求。

差異化競爭、特色服務、全業務經營、金融互聯網等，都是行業耳熟能詳的熱點名詞，小步快跑、快速上線、不斷更替等互聯網思維，在過去的互聯網金融浪潮中，亦給每個金融人帶來了巨大衝擊。

然而，金融行業底層網路架構，歷來追求安全、穩定，難以適應這種快速的業務變化。可以說，現有金融行業的網路機制，在應對新的挑戰時力不從心。

作為一種促進網路進化的途徑，而提出的可編程網路的概念，SDN是一種全新的網路模式，其基本思路是把下層網路互連基礎設施，從應用層面上抽象出來，原先控制邏輯與網路設備，緊密整合的模式，因此轉變為邏輯上集中的可訪問的獨立控制器模式。