SDN原理解析-转控分离的SDN架构—学习笔记一

前言

就像导航软件对于交通的知道决策一样，导航软件把拥堵信息通告给驾驶员, 由驾驶员自行决定如何绕开拥堵时, 而大部分驾驶员会选择推荐的最短的不拥堵路径行进, 而这种分布式路径决策很可能会导致新的拥堵，这不是我们所期望的，通信网络也几乎面临相同的问题：

1．IP分组网络，基本原理就是全分布式路径决策；

2．分布式自主选路过程（每个网络设备通过一些路由协议收集网络拓扑，自主选择最短路径转发报文）；

3．网络架构有极强的生存能力，网络本身能够全自治完成业务，但网络可控性受到限制；

4．多家厂商设备共同组网的通信网络，要满足设备间协议互通，导致网络支持新业务时间漫长，

5．部署新业务时，网络需要对数量众多的现网设备进行软件升级，对网络运维人员挑战巨大；

6．部署业务要逐个操作网络设备，并保持网络设备配置的一致性，以能协同完成网络业务，部署人员必须学习大量分布式控制协议的技术细节，增加了网络运维的难度，增加了运维成本。

SDN（Software Defined Network）

1．集中控制的网络，网络进行软件化，更好支持网络业务的自动化和自治，

2．简化网络的复杂度，向运维人员屏蔽了技术细节，降低了运维成本；

3．支持业务快速创新，满足快速部署业务的需求，提升业务创新发展速度；

4．集中控制，网络结构得到极大简化，调整网络行为时，不再需要去修改网络本身，只调整SDN内部的软件即可；

第一章 SDN概述

1   传统网络

l  分布式控制架构，IP地址编址；

l  自治系统内，依据路由表信息，IP报文逐跳转发

l  手工配置静态路由（小型网络），动态路由协议学习路由信息，域内路由协议IGP（有OSPF和ISIS协议）学习网络拓扑，计算两点间最短路径，生成路由信息；

l  IGP在每台设备上运行，分布式计算路由信息；

分布式控制过程：

网络拓扑发生变化或网络中任何路由器发生故障时，路由协议会自动学习网络拓扑，并且路由器之间通过IGP路由协议交互拓扑信息，并分别独立计算出转发报文所需的路由表数据，过程是完全分布式计算的，没有集中点，任何节点出现故障都会重新计算路由，保障了网络的最大通信能力。这种在路由计算和拓扑变化后全分布式地重新进行路由计算的过程，称为分布式控制过程。

l  网络区域化分，区域内自治，内部运行IGP，域间采用域间路由协议BGP传递和扩散路由信息

BGP：路由自动扩散和学习，解决网络故障和收敛问题，分布式控制

l  IGP和BGP两种核心分布式路由协议构建了全球互联网，大量IP标准协议（MPLS、组播、IPv6等）均采用分布式控制架构

故，传统网络是一种全分布式控制的网络。

a) 网络的管理面、控制面、数据面

管理面：可离线

网元网管EMS：网元设备管理、网元业务配置

网络业务管理OSS（Operation Support System，运营支撑系统）：策略管理、业务管理

控制平面：实时性，可靠性要求高

网络控制，网络状态发生变化时，对网络进行实时的反馈、调整网络的各种数据和行为，使网络保持在正常工作和提供承诺服务的状态

数据平面：

即用户平面，用户业务的转发和处理

1.3 传统网络的局限性

1． 流量路径的灵活调整能力不足

为避免形成回路，采用统一算法规则，则会造成最短路径拥塞（如采用了最短路径算法，流量只能走在最短路径上，即便最短路径已经拥塞，系统却没有办法进行自动调节，而其他路径空闲的情况发生，却无能为力）

传统网络为解决此类问题，也定义了MPLS流量工程，但其采用RSVP，复杂且扩展性不好，只能用于预先规划流量路径的方式进行部署，不能解决实时流量动态调整的问题，还会因为流量工程的分布式计算因为时序问题导致一些网络业务无法部署的新的问题。如：

2. 传统网络协议复杂，运行维护复杂

庞大的协议体系，不同厂商提供设备的差异，网络维护复杂，提高了网络维护人员的技能要求，增加网络运行维护成本

3. 传统网络的新业务创新速度太慢

新业务部署周期长

2   SDN的诞生

2.1 SDN是集中控制的网络架构

SDN诞生于美国斯坦福大学研究团队，提出基于OpenFlow技术实现网络的可编程能力。

SDN网络架构的核心引入SDN控制器，实现转控分离和集中控制，把原来的分布式控制平面集中到一个SDN控制器上

l  控制平面集中到SDN控制器，不再需要大量的分布式控制协议，

l  集中在控制器的算法软件替代了传统的各种域内的路由协议，减少网络中各种协议的部署，简化网络架构，易于维护

l  通过修改或替换控制器控制程序或增加新的软件程序实现新业务，大大缩短新业务部署周期；

l  使用转控分离协议用于控制器和转发器之间的控制信息交互，如：OpenFlow、PCEP、BGP、Netconf等

2.2 SDN控制器不是网管，也不是规划工具

l  网管不能实现转控分离和集中控制，不是SDN；

l  改进OSS实时性，不能改变其管理面的事实，但如果实现了网络的集中控制则可算是一种SDN；

l  规划工具不是SDN，网络扩容时，决定如何增加节点、增加链路及位置、数量约束条件的规划工具不能实现控制器对网络的实时控制反馈，以使网络能持续提供正常服务的能力，未来SDN可以消除规划和实际运行网络系统间的隔阂问题；

3   SDN网络价值

3.1 从技术角度看SDN网络的价值

1.  网络业务快速创新

SDN的可编程性和开放性，实现业务的快速上线和下线

2.  简化网络

网络集中控制可转控分离简化了网络，消除了很多协议使用

3.  网络设备白牌化

硬件转发设备和软件控制器产品的供应分离的趋势，但受产业链牵制，白牌化产品很可能起始于小的初创企业，出现于中低端设备

4.  业务自动化

控制器屏蔽了网络内部细节，提供网络业务自动化能力

5.  网络路径优化和流量调优

解决最短路径算法可能造成的拥塞和传统分布式的流量工程计划可能出现的业务次序依赖问题，且流量工程协议RSVP的软状态机制，导致的无法大规模部署。SDN架构可以集中业务路径计算，直接建立隧道，可解决实时流量动态路径调整的问题，提高网络吞吐量，同时解决业务次序依赖问题。

3.2 从客户角度看SDN网络的价值

1. 网络业务自动化

2. 网络流量调整简单化

3. 业务快速创新

3.3 SDN的价值成因

集中控制带来的更强的网络可编程能力

实现一个MPLS TE（流量工程）对比举例：

POF（Protocol ObliviousForwarding）协议无关转发是华为研究的新技术，通过增强OpenFlow的转发面，提高更近一步的网络编程能力。

4   SDN是对电信网络的一次重构

本质通过SDN控制器的网络软件化过程提升网络可编程能力，把网络控制功能软件化，并能够把转发、控制、APP应用分层解耦，使得各层独立发展，促进产业的水平整合。

4.1 SDN将改变现存的WAN网络、传送网络、数据中心网络架构

传统的传送网络不具备分布式控制能力，尽管模仿IP的分布式控制技术出现的类似的ASON自动交换光网络，却又落入IP的分布式控制面的复杂性里，增加了SDN控制器的SDN网络架构同样应用于传送网络，使传送网络具备根据网络状态实时反馈控制的能力，同时解决业务创新速度慢的问题，能够提升传送网络的可靠性和灵活性。

互联网快速发展产生的数据中心多租户业务同样依赖于SDN技术基于服务器构建的虚拟网络的解决方案，以满足快速租用服务、完成计算和存储资源调度，以及实现租户间虚拟网络隔离的需求，而数据中心网络也是SDN应用最快最迫切的领域。

4.2 SDN将改变通信网络的产业链

SDN网络架构的出现，可能把通信产业的垂直结构转变成有多个厂商提供部件、集成厂商提供集成的水平结构，这种变革使得分工可能导致充分竞争，市场产生白牌化产品，运营商会降低成本，设备供应商则面临挑战。华为积极投入SDN网络架构的研究和开发，CISCO也提出了多种SDN解决方案，，HP和IBM发起创建的ODL(Open Day Light)开源控制器项目，同时还有大量初创公司的涌入。部分芯片厂商积极开发标准OpenFlow芯片，控制器和控制平台也是很多初创公司和传统厂商的必争之地，SDN网络架构重构也对原来的OSS厂商带来冲击，所以IBM、HP也积极投入到SDN网络技术研究中。

未来如果通过OpenFlow作为转控分离协议，则支持OpenFlow协议的芯片就是各芯片厂商竞争的关键。芯片、转发设备和转发设备上的操作系统（如开源Linux上开发的Cumulus）共同组成了转发器，控制层主要完成网络上多个转发器的控制，实现网络控制业务（如VPN业务、基本IP转发业务等），应用层如Openstack，主要实现面向用户的的各种策略应用的处理。