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【摘要】SDN 是一種相對開放、相對較新的網路技術，本文主要介紹 SDN 的發展歷史、特徵及發展趨勢等 , 重點對 SDN 的體系結構、關鍵技術及應用場景進行介紹。 透過本文的閱讀與學習，可以協助網路人員初步了解什麼是軟體定義網路（ SDN ），它的架構有哪些特點，本身俱備哪些優勢。 在日後的工作和規劃中，可以初步了解哪些場景可以利用 SDN 的特點，哪些場景不適用。
【作者】張志強，多年的雲端運算、虛擬化架構設計、企業資訊化建置、自動化運維經驗。 熟練X86、Power、儲存、虛擬化等硬體設備調優與配置。 擁有豐富的混合雲架構及管理經驗，資訊安全及網路架構的設計與維運。
概述
隨著因特網的出現讓萬物實現了互聯，加速網路聯通，為人們的生活與溝通帶來了極大的方便。 每年全球互聯網技術都呈現指數級的發展，同時為迎合業務的多變性，網路的架構發生了翻天覆地的變化。
工業互聯網、工業 4.0 和中國製造 2025 的提出，各種新技術湧現，如大數據、雲端運算、人工智慧、物聯網等。 對網路的複雜性和要求提出了更高的要求，傳統的因特網結構不僅複雜而且難以管理 , 更不能預先定義好策略來對網路進行配置。 新型的基於控制與轉送分離的軟體定義網路能夠有效地改變這種狀況。 此新型網路能夠使網路管理變得容易且還能更好地促進網路的演進。
本文主要介紹 SDN 的發展歷史、特徵及發展趨勢等 , 重點介紹 SDN 的體系結構、關鍵技術及應用場景。
什麼是軟體定義網路？
軟體定義網路全稱為 Software Defined Network ，下文簡稱為 SDN 。 在 2006 年，由美國史丹佛大學提出的一種新型網路架構，可以透過軟體程式設計的形式定義和控制網絡，實現控制和資料流量的分離，同時也是網路虛擬化的技術實現方式。
SDN 是利用Open Flow 技術，將網路設備的控制面與資料面分離開來，從而實現網路流量的靈活控制，使網路作為管道變得更加智能，化繁為簡，為核心網路及應用的創新提供 支撐，為下一代互聯網的發展奠定了基礎。
俗話說“不為業務負責的技術，都是耍流氓”，軟體定義網路也是為了滿足業務的實際需求而誕生的。 旨在為公司提供穩定且適應性強的網路架構，架構具備處理由雲端化及傳統IT 基礎設施組成的複雜系統的能力，具備操縱底層網路基礎結構的能力，使網路控制可編程，且可使用 軟體進行控制，實現更大的敏捷性，管理員可以根據需要動態調整網路中的流量。
因此， SDN 技術能夠有效降低網路設備負載，協助網路營運商更好地智慧化的管控基礎設施，降低整體網路營運成本。
軟體定義網路的架構
SDN 作為新一代的網路技術，已經開始在營運商、企業中進行試點應用，其整體架構由下到上（由南到北）可分為三個層次，資料平面、控制平面和應用平面，具體 如圖1-1 所示。
數據平面：
主要由各個網路設備廠商的通用交換設備組成，透過標準的 OpenFlow 介面與控制器進行通信，確保不同設備之間的配置和通訊相容性以及互通性。 資料平面對封包的處理，主要透過查詢由控制平面所產生的轉送資訊表來完成，達到解析封包頭和轉送封包到某些連接埠的目的。
控制平面：
是控制平面的核心元件，包含了邏輯上為中心的 SDN 控制器，掌握著全域網路訊息，負責各種轉送規則的控制，建立流量表和資料處理策略。 控制器的架構又可分為單控制器和多控制器，主要是看網路規模而定。
應用平面：
包含各種基於 SDN 的網路應用，如負載平衡、流量控制、入侵偵測 / 防禦以及 QoS
等。 透過北向影響程序設計接口，向 SDN 控制平面分發策略。 使用者無需關心底層細節即可編程、部署新應用程式。
SDN 中的介面具有天然的開放性，以控制器組件為中心，南向介面負責與資料平面進行通信，北向介面負責與應用平面進行通信，東西向介面負責多控制器之間的通信，採用主流 的OpenFlow 協定進行通訊。
OpenFlow 協定最基本的特點是基於流（ Flow ）的概念來匹配轉發規則，每個交換器都維護一個流表（ Flow Table ），依據流表中的轉發規則進行轉發，而流表的建立、維護和 下發都是由控制器完成的。 針對北向接口，應用程式透過北向接口編程來呼叫所需的各種網路資源，實現對網路的快速配置和部署。 東西向介面使控制器具有可擴展性，為負載平衡和效能提升提供了技術保障。 SDN 作為目前網路領域最炙手可熱且最具發展前景的技術之一，主要有以下優勢：
解耦控制與轉發
由於傳統網路設備，如交換器、路由器的韌體一般都是由設備製造商鎖定和控制，透過SDN 的控制與轉送分離機制，可以輕鬆的分離開網路控制與實體網絡，從而擺脫硬體廠商對網路架構的 限制。 同時管理員可以像升級、安裝軟體一樣對網路架構進行修改，滿足企業對整個網路架構進行調整、擴充或升級的需求。 至於底層的交換器、路由器等硬體則不需替換，提升了整體網路的相容性。
安全加固
利用 SDN ，可以獲得快速限制以及從中心視角查看網路內部的能力，網路管理人員可以根據網路中的安全事件快速有效的做出變更。 例如，分公司的網路中由於某個伺服器中毒，產生大量的惡意流量。 那麼網路人員可以透過 SDN 和 OpenFlow 迅速從集中控制平面尋找、定位和阻止惡意流量，來限制擴散，而不需要存取多個路由器或交換器進行排查。
智慧調整
網路管理員可以根據網路目前的實際營運情況進行智慧化的流量轉送與整合，實現流量的自動化、智慧化調整。 例如，針對集團級的視訊會議，利用預先制定的智慧策略，可以對頻寬進行智慧保障，確保視訊會議流暢。
圖 1-SDN 體系架構圖
軟體定義網路場景應用
了解了軟體定義網路的概念和特點，不難看出 SDN 未來的應用物件將主要集中在電信級營運商、企業客戶、資料中心供應商、網路公司及政府單位。 應用場景主要集中在資料中心網路、資料中心的互聯、政企網路、電信營運商網路以及網路公司業務部署，以下逐一的介紹不同場景的應用。
場景化解決方案
資料中心網路的構建
資料中心網路部署 SDN 的需求主要表現在大量的租戶、多路徑轉送、 VM( 虛擬機器 ) 的智慧部署和遷移、網路集中自動化管理、綠色節能、資料中心能力開放等幾個面向。
SDN 控制邏輯集中的特性可充分滿足網路集中自動化管理、多路徑轉送、綠色節能等方面的要求。 同時， SDN 網路能力開放化和虛擬化也可充分滿足資料中心能力開放、 VM 的智慧部署和遷移、大量虛擬租戶的需求。 資料中心的建置和維護一般統一由資料中心營運商或 ICP/ISP 維護，具有相對的封閉性，可統一規劃、部署和升級改造， SDN 在其中部署的可行性高。 資料中心網路是 SDN 目前最明確的應用場景之一，也是最有前景的應用場景之一。
資料中心互聯網構建
資料中心之間互聯的網路具有流量大、突發性強、週期性強等特點，需要網路具備多路徑轉送與負載平衡、網路頻寬按需提供、綠色節能、集中管理和控制的能力。 引入 SDN 的網路可透過部署統一的控制器來收集各資料中心之間的流量需求，進而進行統一的運算和調度、實施頻寬的靈活按需分配、最大程度優化網路、提升資源利用率。
政企網路建構
政府及企業網路的業務類型豐富，網路設備功能複雜、類型多，對網路的安全性要求高，需要集中的管理控制，需要網路的彈性高，且能滿足客製化需求。 SDN 轉送與控制分離的架構，可使得網路設備通用化、簡化。 SDN 將複雜的業務功能剝離，由上層應用伺服器實現，不僅可以降低設備硬體成本，更可使得企業網路更加簡化，層次更加清晰。 同時， SDN 控制的邏輯集中，可實現企業網路的集中管理與控制，企業的安全策略集中部署與管理，更能在控制器或上層應用靈活客製化網路功能，更能滿足企業網路的需求。
由於企業網路一般由企業自己的資訊化部門負責建置、管理和維護，具有封閉性，可統一規劃、部署和升級改造， SDN 部署的可行性較高。
電信營運商網路建構
電信業者網路包括了寬頻存取層、城域層、骨幹層等層面。 特定的網絡也可分為有線網絡和無線網絡，網絡存在多種方式，如傳輸網、數據網、交換網等。 總的來說，電信業者網路具有覆蓋範圍大、網路複雜、網路安全可靠性要求高、涉及的網路製式多、多廠商共存等特性。
SDN 的轉送與控制分離特性可有效實現設備的逐步融合，降低設備硬體成本。 SDN 的控制邏輯集中特徵可逐步實現網路的集中化管理和全局最佳化，有效提升營運效率，提供端到端的網路服務;SDN 的網路能力虛擬化和開放化，也有利於電信業者網路向智慧化 ，開放化發展，發展更豐富的網路服務，增加收入。
據報道， NTT 和德國電信都開始試驗部署SDN ，其中NTT 搭建了橫跨日本和美國的試驗環境，實現網絡虛擬化，並建立跨數據中心的WAN 網絡，而德國電信已在雲端資料中心、無線 、固定等接取環境使用SDN 。
互聯網公司業務部署中的應用
網路的終極意義在於為上層應用提供網路服務，承載上層應用。 網際網路公司業務基於 SDN 架構部署，將是 SDN 的重要應用場景。
SDN 具有網路能力開放的特點，透過 SDN 控制器的北向接口，向上層應用提供標準化、規範化的網路能力接口，為上層應用提供網路能力服務。 ICP/ISP 可依需求取得對應的網路服務，有效提升最終用戶的業務體驗。
國內企業如騰訊、百度等都在加快 SDN 的實驗室部署，例如，騰訊正利用 SDN 實現差異化的路徑運算、流量控制和服務，為使用者提供更好體驗。
面臨的挑戰
SDN 技術目前尚不夠成熟，標準化程度也不夠高。 大範圍、大量網路設備的管理問題，超大規模 SDN 控制器的安全性和穩定性問題，多廠商的協同和互通問題，不同網路層次 / 制式的協同和對接問題等均需要盡快解決。 目前 SDN 技術在電信業者網路大規模應用上仍難以實現，但可在局部網路或特定應用場景逐步使用，如行動回傳網路場景、分組與光網路的協同場景等。
軟體定義網路發展趨勢
軟體定義網路自問世那天，就一直被業界所關注，功能也在不斷的完善，為當前網路領域帶來了一場巨大的變革，其先進的思想有效的幫助企業擺脫了由於業務擴展、轉型所 帶來的網路結構複雜冗餘的架構限制。 透過控制與轉送分離，將網路中交換設備的控制邏輯集中到一個或多個運算設備上，為提升網路管理配置能力帶來新的思路。
SDN 的本質特徵是控制平面和資料平面的分離以及開放可程式性。 透過分離控制平面和資料平面以及開放的通訊協議，打破傳統網路設備的封閉性。 此外，南北向和東西向的開放介面及可程式性，也使得網路管理變得更加扁平化、動態和靈活。
隨著各種新技術的迸發，對於網路架構的要求也越來越高，現如今，軟體定義網路在IP 網路、無線網路、資料中心網等方面都取得了不錯的應用效果，有效的支撐了 大平台、大應用程式的部署。 如雲端運算內的網路虛擬化的支撐，實現東西向流量管控，資料中心利用二層網路性質完成流量監控，提升虛擬機間的資料傳輸速度。 雖然， SDN 已經能夠彌補傳統網路技術的不足，但是其在實際應用的過程中仍存在一定的問題，例如控制器介面不規範、運算任務相對繁重、安全性得不到保障、整體穩定性較差 等等。 要在日後發展中獲得良好的口碑，應盡快解決以上問題，拓展其發展空間，減少市場的阻礙空間。 隨著工業 4.0 帶動企業的數位轉型， SDN 的發展道路會越寬廣，企業對其的依賴程度會逐漸提升。
結束語
透過本文的閱讀與學習，可以協助網路人員初步了解什麼是軟體定義網路（ SDN ），它的架構有哪些特點，本身俱備哪些優勢。 在日後的工作和規劃中，可以初步了解哪些場景可以利用 SDN 的特點，哪些場景不適用。 還是那句話， SDN 是一種相對開放、相對較新的網路技術，因此，對於一家要採用這些技術的公司，首先必須具備這種技能和經驗的專業人員，記得，記得。
