sdn未来网络图文

软件定义网络--未来网络

SoftwareDefinedNetworking

AFutrueNetwork报告人：刘涛2024/1/231SDNSDN目录SDN背景及开展根底SDN当前应用SDN未来开展SDN引言12SDN体系架构3452024/1/232SDN引言2024/1/233戴尔SDN愿景：软件定义企业2021.5引言2024/1/234SDN引言看电视，用的是云电视；传照片，用的是云存储；办公电脑桌面登陆的是云桌面；你可以听云音乐，使用云端Office，甚至是做云笔记，，，12024/1/235SDN引言12024/1/236是什么支撑了云如此之大的功能？SDN引言数据12024/1/237SDN引言什么是数据中心？12024/1/238SDN引言数据中心，不就是一堆堆硬盘效劳器一层层堆叠，那就太out了12024/1/239SDN引言12024/1/23102024/1/2311要有一个好的调度系统SDN引言12024/1/2312SDN引言12024/1/2313SDN引言12024/1/2314SDN引言12024/1/2315整体上分为数据层、控制层和应用层三层架构网络流量的灵活控制，使网络管道更加智能通过Openflow将网络设备控制面与数据面别离开来一种新型网络创新架构网络虚拟化的实现方式SDN软件定义网络〔SoftwareDefinedNetworking，简称SDN〕SDN引言12024/1/2316System_1System_3System_2System软件定义网络〔SoftwareDefinedNetworking，简称SDN〕SDN引言2024/1/2317123网络系统

SDNSDN应用层部署SDN引言SDN背景及开展根底SDN目录SDN当前应用SDN未来开展SDN12SDN体系架构3452024/1/2318SDN背景及开展根底2.1SDN开展背景2.2SDN开展根底22024/1/2319SDN背景2.1SDN开展背景——?大记事2SIGCOMM

OpenFlowONF+NDDISDNConceptOpenDaylight+B420062021202120212021Stanford

Clean-Slate

2024/1/2320SDN背景2.1SDN开展背景——?2006年

22024/1/2321SDN起源GENI〔GlobalEnvironmentNetworkingInnovations〕Clean—Slate(Clean—SlateDesignfortheInternet)MartinCasadoSDN背景2.1SDN开展背景——?2006年

22024/1/2322MartinCasado Martin在2007年的SIGCOMM会议上，发表了一篇论文——?Ethane：TakingControloftheEnterprise?。在Ethane的系统框架中，控制与转发完全解耦，可以说Ethane包含了SDN早期的思想。

SDN背景及开展根底2.1SDN开展背景——?2021年 基于Ethane，NickMcKeown教授等人提出了OpenFlow的概念，并于当年在ACMSIGCOMM发表了题为?OpenFlow:EnablingInnovationinCampusNetworks?的论文，首次详细地介绍了OpenFlow的概念。22024/1/2323NickMcKeownSDN背景及开展根底2.1SDN开展背景——?2021年 该篇论文除了阐述OpenFlow的工作原理外，还列举了OpenFlow几大应用场景。1)校园网络中对实验性通讯协议的支持；2)网络管理和访问控制；3)网络隔离和VLAN；4)基于WiFi的移动网络；5)非IP网络；6)基于网络包的处理。22024/1/2324SDN背景及开展根底2NickMcKeown 个人主页(:///~nickm/)，现任Standford的教授，跟业界关系十分紧密，PhD(哲学博士学位)毕业两年就创办了公司，还参与了Cisco的工程，后来新公司卖给Cisco〕。给人感觉是十分的humorous且energetic的。Mckeown教授在推OpenFlow的时候明显十分重视跟业界结合，根本上是一边做，一边拉生产商的支持，很重视做demo，很早就在stanford的校园网中部署了OpenFlow，做的差不多了再提标准，再做宣传就事半功倍了。2024/1/2325SDN背景2.1SDN开展背景——?2021年 Mckeown教授正式提出了SDN概念。 OpenFlow标准发布了具有里程碑意义的可用于商业化的1.0版本。22024/1/2326ONFNDDIONFNDDISDN背景2.1SDN开展背景——?2021年

22024/1/2327OpenNetworkingFoundation开放网络基金会NetworkDevelopmentandDeploymentInitiative网络开发与部署行动方案一个机构一个方案SDN背景2.1SDN开展背景——?2021年

22024/1/2328ONFSDN背景2.1SDN开展背景——?2021年

22024/1/2329ONFSDN背景2.1SDN开展背景——?2021年

22024/1/2330ONFSDN背景2.1SDN开展背景——?2021年22024/1/2331NDDI

Internet2斯坦福CleanSlate方案工作组印第安纳大学123Internet3NDDI提供一项名为“开放科学、学问与效劳交流〔OpenScience，ScholarshipandServicesExchange，OS3E〕〞的Internet3效劳，并且通过与加拿大的CANARIE、欧洲的GEANT、日本的JGN-X以及巴西的RNP等国际合作伙伴的试验平台协作，实现了北美、欧洲、亚洲以及南美洲的互联。SDN背景22024/1/2332SDN背景22024/1/2333备注：B4是谷歌的私有WAN网络用来连接位于全球的数据中心SDN背景2.1SDN开展背景——?2021年 2021年SDN大事记22024/1/2334SDN背景2.1SDN开展背景——?2021年

2

2024/1/2335SDN背景2.1SDN开展背景——?市场规模倍增趋势不可阻挡 市场研究公司IHSInfonetics调查表示，2021年企业和数据中心SDN市场增长了192%，而到了2021年其市场规模有望到达180亿美元。22024/1/2336SDN开展根底2.2SDN开展根底22.2.44D架构可编程网络的研究

2.2.5网络抽象概念化

2.2.3主动网络传统网络问题

众多权威标准化组织、运营商、硬件生产厂商的大力支持2024/1/2337SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.1传统互联网问题

1.网络配置复杂度高 2.运营商维护网络难度越来越大 3.科研人员研究难度大〔真实环境中规模部署新协议〕 4.用户对流量需求越来越大 互联网流量增长迅速，预计到2021年,全球流量将到达1.6×1021字节 【Cisco.CiscoVisualNetworkingIndex:ForecastandMethodology,2021-2021.2021.】22024/1/2338SDN开展根底22024/1/2339SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.2可编程网络的研究

可编程网络〔ProgrammableNetwork〕主要利用在网络节点中提供标准的网络应用编程接口向用户和网络业务供给者提供一个“开放〞的网络控制机制，与传统Internet的区别就在于Internet是无状态的，而可编程网络是有状态的并且可以由用户控制和改变的。22024/1/2340SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.3主动网络

一是被称为ANN(ActiveNodeNetwork)的网络中间节点，不仅完成存储转发等网络功能，而且可以对包含数据和代码的所谓主动包和普通包进行计算； 二是用户根据网络应用和效劳的要求可以对网络进行编程以完成这些计算。

22024/1/2341SDN开展根底 4D架构〔4D

Architecture〕研究就是这样一个采用“白板设计〞方式的研究工程。该工程继承了D.

Clark等关于“知识平面〞的设想，提出了一种新型的互联网控制管理架构。 4D架构将可编程的决策平面(即控制层)从数据平面别离,使控制平面逻辑中心化与自动化,其设计思想产生SDN控制器的雏形。22024/1/23422.2SDN开展根底——?2.2.34D架构SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.5网络抽象概念化

借鉴计算机系统的抽象结构，未来的网络结构将存在转发抽象、分布状态抽象和配置抽象这3类虚拟化概念。

22024/1/2343SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.6众多权威标准化组织、运营商、硬件 生产厂商的大力支持

标准化组织： 1.开放网络基金会〔OpenNetworkingFoundation，简称ONF〕 2.互联网工程任务组〔InternetEngineeringTaskForce，简称IETF〕的ForCES工作组 3.国际电信联盟远程通信标准化组织〔ITUTelecommunicationStandardizationSector，简称ITU-T〕的多个工作组

22024/1/2344SDN开展根底2.2SDN开展根底——?2.2.6众多权威标准化组织、运营商、硬件 生产厂商的大力支持

运营商、硬件生产厂商： 思科、IBM、微软、BigSwitch、博科、思杰、戴尔、爱立信、富士通、英特尔、瞻博网络、NEC、惠普、红帽、VMware、Google、Facebook、Yahoo...

22024/1/2345SDN引言SDN体系架构SDN目录SDN背景及开展根底SDN当前应用SDN未来开展SDN123452024/1/2346SDN体系架构2024/1/23473SDN体系架构3.1体系架构 3.1.1SDN架构 3.1.2NFV架构 3.1.3OpenDaylight 3.1.4SDN/NFV/OpenDaylight比照总结

32024/1/2348SDN体系架构3.1体系架构32024/1/2349SDNSoftwareDefined-Networking,软件定义网络最先由ONF组织提出主要针对校园网、企业和数据中心NFVNetworkFunctionVirtualization,网络功能虚拟化由ETSI提出，该体系结构主要针对运营商网络OpenDaylight是由各大设备厂商和软件公司共同提出，目的是为了具体实现SDN架构，以便用于实际部署。主要针对未来网络SDN体系架构3.1体系架构——?SDN根本架构——?三个平面32024/1/2350SDN体系架构3.1体系架构——?3.1.1SDN架构 ONF组织最初在白皮书中提到SDN体系结构，并于2021年底发布最新版本。

32024/1/2351SDN体系架构3.1体系结构——?3.1.1SDN架构——?数据—控制—应用32024/1/2352SDN体系架构3.1体系架构——?3.1.1SDN架构 SDN由下到上(或称由南向北)分为数据平面、控制平面和应用平面。数据平面与控制平面之间利用SDN控制数据平面接口(control-data-planeinterface,简称CDPI)进行通信，CDPI具有统一的通信标准，目前主要采用OpenFlow协议。控制平面与应用平面之间由SDN北向接口(northboundinterface，简称NBI)负责通信，NBI允许用户按实际需求定制开发。

32024/1/23533.1体系架构——?3.1.2NFV架构——?传统网络与NFV比照SDN体系架构32024/1/23543.1体系架构——?3.1.2NFV架构 针对上述问题，NFV采用了资源虚拟化的方式，在硬件设备中建立一个网络虚拟层，负责将硬件资源虚拟化，形成虚拟计算资源、虚拟存储资源和虚拟网络资源等，运营商通过软件来管理这些虚拟资源。SDN体系架构32024/1/23553.1体系架构——?3.1.2NFV架构SDN体系架构32024/1/2356OSS/BSS运营支撑层CVNF虚拟网络层BNFVI根底设施层A业务网络域

A管理编排域

BSDN体系架构33.1体系架构——?3.1.2NFV架构

2024/1/2357SDN体系架构33.1体系架构——?3.1.2NFV架构——?NFV与SDN关系

2024/1/2358系统集成问题SDN体系架构32024/1/2359IOT和兼容性问题NFV标准成熟度问题3.1体系架构——?3.1.3OpenDaylight OpenDaylight是一套以社区为主导的开源框架，旨在推动创新实施以及软件定义网络〔简称SDN〕透明化。面对SDN型网络，大家需要适宜的工具帮助自己管理根底设施，这正是OpenDaylight的专长。作为工程核心，OpenDaylight拥有一套模块化、可插拔且极为灵活的控制器，这使其能够被部署在任何支持Java的平台之上。这款控制器中还包含一套模块合集，能够执行需要快速完成的网络任务SDN体系架构32024/1/23603.1体系架构——?3.1.3OpenDaylight——?组织成员

SDN体系架构32024/1/23613.1体系架构——?OpenDaylight氦版本架构

SDN体系架构32024/1/23623.1体系架构——?3.1.3OpenDaylight 与ONF的SDN架构最大的不同在于：OpenDaylight控制器的南向接口除了支持OpenFlow协议之外，还支持NETCONF等配置协议和BGP等路由协议，并支持生产厂商的专有协议(如思科的OnePK协议)。为了能够处理不同的标准协议，OpenDaylight增加了效劳抽象层SAL，它负责将不同的底层协议标准转换成OpenDaylight控制层所理解的请求效劳，保持了底层协议的透明性，并提高了整体架构的可扩展性。SDN体系架构32024/1/23633.1体系架构——?3.1.4SDN\NFV\OpenDaylight比照总结 无论是ONF提出的SDN，还是NFV，亦或是OpenDaylight，都是SDN架构的一种，他们的特性虽然略有差异，但是目的是一致的。 目的：SDN使得数据控制相别离的网络具有开放性和可编程性，科研人员及运营商可以通过PC机、、Web网页或未来可能出现的各种途径进行网络部署，而部署工作也仅是应用软件的简单开发或配置。SDN体系架构32024/1/2364SDN体系架构32024/1/2365SDN体系架构33.2接口——?SDN架构缩略图 2024/1/2366SDN体系架构3.2接口 3.2.1南向接口〔SouthboundInterface,SDN-S〕 3.2.2北向接口〔NorthboundInterface，SDN-N〕 3.2.3东西向接口32024/1/2367SDN体系架构32024/1/2368SDN体系架构3.2接口——?3.2.1南向接口——?南向接口协议 ONF提出的OF-CONFIG协议采用XML配置交换机环境，填补了OpenFlow在配置方面的缺失。 ForCES对网络设备内部结构重新定义，将FE(forwardingelement,转发元素)和CE(controlelement,控制元素)别离，形成两个独立的逻辑实体，两个逻辑实体之间依靠ForCES协议通信。 OnePK是思科公司针对SDN产品专门开发的接口协议，该协议可以运行在思科所研发的专属平台上,并支持开发者用C或Java编写的程序。32024/1/2369 OpenFlow由斯坦福大学和加州大学伯克利分校领导的大学联盟所发起，他们的初衷是让研究人员可将企业级以太网交换机作为定制构件用于大学的网络实验。 OpenFlow的核心思想很简单，就是将原本完全由交换机/路由器控制的数据包转发过程，转化为由OpenFlow交换机〔OpenFlowSwitch〕和控制效劳器〔Controller〕分别完成的独立过程。SDN体系架构33.2接口——?3.2.1南向接口——?OpenFlow2024/1/2370OpenFlow概念架构Controller对网络进行集中控制，实现控制层的功能FlowVisor对网络进行虚拟化；OpenFlow交换机进行数据层的转发；3.2接口——?3.2.1南向接口——?OpenFlow网络结构SDN体系架构32024/1/2371OpenFlow1.0.0版本规定流表头为12元组(如源/目的IP地址、源/目的MAC地址等)缺点：版本还不完善，支持的规那么和动作过少、仅支持单表、无关联动作的组合容易造成组合爆炸等问题OpenFlow1.2.0版本OpenFlow增加了对IPv6源/目的地址的支持缺点：但是依然存在网络拥塞OpenFlow1.3.0版本开始支持流控机制OpenFlow1.4.0版本增加了流表删除和复制机制,并考虑了流表一致性问题为了便于设备生产厂商开发支持OpenFlow的设备，ONF最先提供OpenFlow协议标准。总的来说,OpenFlow支持的功能越来越全,机制也在不断地更新完善。然而，随着OpenFlow支持的功能不断增加，流表将容易产生负载过重的问题。如何支持不同。粒度、任意组合的功能,是OpenFlow下一步开展的关键所在。LOREMIPSUMDOLOR3.2接口——?3.2.1南向接口——?OpenFlowSDN体系架构2024/1/23723SDN体系架构3.2接口——?3.2.2北向接口(NBI) 北向接口负责控制层与各种业务应用之间的通信。 应用层各项业务通过编程方式调用所需网络抽象资源，掌握全网信息，方便用户对网络配置和应用部署等业务的快速推进。 由于应用业务具有多样性，使得北向接口亦呈现多样性，开发难度较大。 实现统一的北向接口标准?32024/1/2373SDN体系架构32024/1/2374SDN体系架构32024/1/2375SDN体系架构3速度快、本钱低、功耗小等优点。转发代表：交换机芯片Hardware灵活性极强转发代表：CPU、NP(networkprocessor，网络处理器)Software2024/1/2376SDN体系架构3Hardware实现一个可重新配置的匹配表，允许在流水线阶段支持任意宽度和深度的流表RMT模型

交换机分层的方式来实现高效、灵活的多表流水线业务FlowAdapter交换机2024/1/2377SDN体系架构3RMT模型

2024/1/2378SDN体系架构3RMT模型

2024/1/2379SDN体系架构3FlowAdapter交换机3层结构：-最上层是可以通过更新来支持任何新协议的软件数据平面-位于中部的FlowAdapter层负责软件数据平面和硬件数据平面之间的通信-底层是相对固定但转发效率高的硬件数据平面

2024/1/2380SDN体系架构3Software交换机CUP处理转发规那么NP的处理转发规那么2024/1/2381SDN体系架构3 由于CPU处理数据包的能力变得越来越强，商用交换机很自然地也会采用这种更强的CPU。这样，在软件处理转发速度与硬件差异变小的同时，灵活处理转发规那么的能力得到提升。

交换机CUP处理转发规那么2024/1/2382SDN体系架构3 NP器件内部通常由假设干个微码处理器和假设干硬件协处理器组成。 多个微码处理器在网络处理器内部并行处理，通过预先编制的微码来控制处理流程。而对于一些复杂的标准操作(如内存操作、路由表查找算法、QoS的拥塞控制算法、流量调度算法等)那么采用硬件协处理器来进一步提高处理性能，从而实现了业务灵活性和高性能的有机结合。 由于NP专门用来处理网络的各种任务,如数据包转发、路由查找和协议分析等，因此在网络处理方面，NP比CPU具有更高效的处理能力。

NP〔网络处理器〕的处理转发规那么2024/1/2383SDN体系架构3小结2024/1/2384SDN体系架构32024/1/2385SDN体系架构32024/1/2386SDN体系架构3典型控制器一览表

使用Python时开发效率较高,执行效率较低；而使用C++时执行效率很高，开发效率却很低。2024/1/2387正如计算机操作系统本身并不实现复杂的各种软件功能，NOX本身并不完成对网络管理任务，而是通过在其上运行的各种“应用〞〔Application〕来实现具体的管理任务。 管理者和开发者可以利用高级语言来专注到这些应用的开发上，而无需花费时间在对底层细节的分析上。为了实现这一目的，NOX需要提供尽可能通用〔General〕的接口，来满足各种不同的管理需求。SDN体系架构32024/1/2388SDN体系架构3NOX控制器 提供一系列根本接口，户通过NOX可以对全局网络信息进行获取、控制与管理，并利用这些接口编写定制的网络应用。 但其是单一控制器，处理能力受到限制，扩展困难。2024/1/2389SDN体系架构3NOX-MT控制器Meastro控制器 并行控制器，充分发挥了高性能效劳器的多核并行处理能力，使其在网络规模较大情况下的性能明显优于NOX。2024/1/2390SDN体系架构32024/1/2391SDN体系架构32024/1/2392SDN体系架构32024/1/2393SDN体系架构3 集中控制存在不一致问题

集中控制是SDN区别于其他网络架构的核心优势之一，通过集中控制，用户可以获取全局网络视图，并根据全网信息对网络进行统一设计与部署，理论上保证了网络配置的一致性问题。但是，分布式控制器仍然具有潜在的不一致性问题。2024/1/2394SDN体系架构3 一致性问题由于不同控制器的设计对网络一致性要求不同，严格保证分布式状态全局统一的控制器，将无法保证网络性能；如果控制器能够快速响应请求，下发策略，那么无法保证全局状态一致性。性能无明显影响的情况下，保证状态一致性成为了SDN设计中的关键问题。2024/1/2395SDN体系架构3 一致性问题解决方案可由控制层将策略形成规那么，并按两阶段提交方式解决。为了防止数据层过多的参与，控制层可直接通过并发策略组合的方式来解决，并可利用细粒度锁(fine-grainedlocking)确保组合策略无冲突。HFT〔HierarchicalFlowTables,分层流表〕采用了层次策略方案，它将并发策略分解，组织成树的形式，树的每个节点都可独立形成转发规那么。HFT首先对每个节点进行自定义冲突处理操作，这样，整个冲突处理过程就转化成利用自定义冲突处理规那么逆向搜索树的过程，从而解决了并发策略一致性问题。2024/1/2396SDN体系架构3 可用性一问题描述：控制器作为SDN的核心处理节点，需要处理来自交换机的大量请求，而过重的负载会影响SDN的可用性。问题方案： 1.利用分布式控制器可以平衡负载,提升SDN的整体性能。 2.对于层次控制器来说，利用局部控制器承担交换机的多数请求， 全局控制器那么可以更好地为用户提供效劳。2024/1/2397SDN体系架构3 可用性二分布式控制器架构也存在可用性问题。问题描述：由于每个控制器需要处理不同的交换机，网络流量分布不均匀，导致某些控制器可用性降低。问题方案：ElastiCon周期性地检查负载窗口，当负载窗口的总负荷发生改变时，将动态扩充或压缩控制器池，以适应当前实际需求。如果负载超过控制器池大值时，那么需要另外增加新的控制器，以保证网络的可用性。减少交换机的请求次数，可以提升控制层的可用性。备注：ElastiCon采用负载窗口的方式来动态 调整各控制器间的流量。2024/1/2398SDN体系架构3 可用性三问题描述：数据平面转发规那么粒度过细和集中控制依赖的问题.问题方案： 1.DIFANE架构可以解决转发规那么过细的问题。 2.DevoFlow〔DevolveFlow〕采用的策略可以大程度降低控制器负载， 提升控制器的可用性。备注： 1.DIFANE一种可扩展的高效的解决方案。 2.DevoFlow需要芯片的强有力的支持。

2024/1/2399SDN体系架构3 容错性

与传统的互联网类似，SDN同样面临着网络节点或链路失效的问题。然而，SDN控制器可以通过全网信息快速恢复失效节点，具有较强的容错能力。2024/1/23100SDN体系架构3 容错性——?网络节点恢复收敛过程2024/1/23101①当某台交换机失效时，其他交换机觉察出变化；②交换机将变化情况通知控制器；③控制器根据所掌握的信息，计算出需要恢复的规那么；④将更新发送给数据平面中受到影响的网络元素；⑤数据平面中受影响的元素分别更新流表信息。SDN体系架构3 容错性——?交控失效在SDN架构中，失效信息一般不是通过洪泛方式通知全网，而是直接发送给控制层，并由控制器来做恢复决策，因而不易出现路由振荡的现象。如果是交换机和控制器之间的链接失效，导致无法通信，那么收敛过程相对困难。可以采用传统网络的IGP(如OSPF协议)通信，并通过洪泛方式恢复，也可以采用故障转移(failover)方式，同样能够缓解链路失效收敛时间问题。通过在交换机上安装用于验证拓扑连接性的静态转发规那么，可以更好地实现网络故障的快速收敛。2024/1/23102SDN体系架构3 容错性——?FatTire为了防止由于手动配置导致节点失效，控制层提供了一种高级网络容错语言FatTire。用户可以通过FatTire语言指定网络当前的容错度，并根据网络状况自主指定流路径。FatTire语言编译器具有网内快速恢复机制，可以将用户错误的网络配置迅速恢复回来，提升了控制层的容错性。2024/1/23103LOREMIPSUMDOLOR01控制转发别离支持第三方控制面设备通过OpenFlow等开放式的协议远程控制通用硬件的交换/路由功能02控制平面集中化提高路由管理灵活性，加快业务开通速度，简化运维03转发平面通用化多种交换、路由功能共享通用硬件设备04控制器软件可编程可通过软件编程方式满足客户化定制需求SDN体系架构3.4SDN特性总结2024/1/231043SDN引言SDN当前应用SDN目录SDN背景及开展根底SDN体系架构SDN未来开展SDN123452024/1/23105SDN当前应用随着SDN的快速开展，SDN已应用到各个网络场景中，从小型的企业网和校园网扩展到数据中心与广域网，从有线网扩展到无线网。无论应用在任何场景中，大多数应用都采用了SDN控制层与数据层别离的方式获取全局视图来管理自己的网络。32024/1/231064SDN当前应用4.1戴尔开拓“软件定义的企业〞时代4.2锐捷SDN家属区SOHO无限路由器接入解决方案4.3华为数据中心网络SDN解决方案4.4H3CNFV方案价值4.5云杉网络SDN与云环境下的WEB平安防护4.6云杉网络SDN与云环境下的全局流分析2024/1/231074SDN当前应用4.1戴尔开拓“软件定义的企业〞时代

32024/1/231084SDN当前应用4.2锐捷SDN