前言
软件定义网络&＃xff08;Software-defined Networking&＃xff0c;简称SDN&＃xff09;技术是一种网络管理方法&＃xff0c;它支持动态可编程的网络配置&＃xff0c;提高了网络性能和管理效率&＃xff0c;使网络服务能够像云计算一样提供灵活的定制能力。SDN将网络设备的转发面与控制面解耦&＃xff0c;通过控制器负责网络设备的管理、网络业务的编排和业务流量的调度&＃xff0c;具有成本低、集中管理、灵活调度等优点。
01
为什么需要SDN
1.1 传统网络的局限
传统网络是一个分布式的网络&＃xff0c;在二层网络中&＃xff0c;设备通过广播的方式传递设备间的可达信息。在三层网络中&＃xff0c;设备间通过标准路由协议传递拓扑信息。这些模式要求每台设备必须使用相同的网络协议&＃xff0c;保证各厂商的设备可以实现相互通信。随着业务的飞速发展&＃xff0c;用户对网络的需求日新月异&＃xff0c;一旦原有的基础网络无法满足新需求&＃xff0c;就需要上升到协议制定与修改的层面&＃xff0c;这样就会导致网络设备升级十分缓慢。
传统网络为了适应不同的需求和场景&＃xff0c;发展也越来越复杂。部署一个传统网络往往需要使用到很多协议&＃xff0c;由于标准协议中往往存在一些未明确的地方&＃xff0c;导致各厂商的实现有差异。
传统网络以单台设备为单位&＃xff0c;以命令行的方式进行管理。网络管理和业务调度时效率低下&＃xff0c;运维成本高。
1.2 SDN的技术路线
为了解决传统网络发展滞后、运维成本高的问题&＃xff0c;服务提供商开始探索新的网络架构&＃xff0c;希望能够将控制面&＃xff08;操作系统和各种软件&＃xff09;与硬件解耦&＃xff0c;实现底层操作系统、基础软件协议以及增值业务软件的开源自研&＃xff0c;这就诞生了SDN技术。
在传统网络中&＃xff0c;网络设备可以分为管理面、控制面和转发面。管理面负责业务的编排和策略的制定&＃xff0c;控制面负责操作系统的运行以及各种算法的运算&＃xff0c;转发面负责数据包的转发和接收。SDN的理念是将网络设备的控制和转发功能解耦&＃xff0c;使网络设备的控制面可直接编程&＃xff0c;将网络服务从底层硬件设备中抽象出来。SDN架构与传统网络架构的对比如下图所示。
传统网络架构与SDN架构对比
经典的SDN技术路线强调控制面的剥离&＃xff0c;希望能够将网络设备变为白盒设备&＃xff0c;实现网络功能的自定义。
但在SDN的发展过程中&＃xff0c;由于底层协议的复杂性、软件开发投入等多方面原因&＃xff0c;厂商逐渐转向了以自动化运维为主要目标&＃xff0c;弱化控制面剥离的SDN技术路线。厂商们主张将操作系统以及大部分的软件仍放在硬件设备上进行&＃xff0c;保留原有的网络设备形态&＃xff0c;通过控制器实现与硬件设备、与网络配置管理工具的对接&＃xff0c;由控制器在管理面的维度完成对硬件设备的统一管理和业务编排。下图为两种SDN技术路线的对比&＃xff0c;经典的SDN技术路线又可以称为软件SDN&＃xff0c;而弱化控制面剥离的SDN技术路线可以称为硬件SDN。
软件SDN与硬件SDN对比
02
SDN架构
SDN架构可分为基础设施层、控制层和应用层。
基础设施层&＃xff1a;主要为转发设备&＃xff0c;实现转发功能&＃xff0c;例如数据中心交换机。
控制层&＃xff1a;由SDN控制软件组成&＃xff0c;可通过标准化协议与转发设备进行通信&＃xff0c;实现对基础设施层的控制。
应用层&＃xff1a;常见的有基于OpenStack架构的云平台。另外&＃xff0c;也可以基于OpenStack构建用户自己的云管理平台。
SDN使用北向和南向应用程序接口&＃xff08;API&＃xff09;来进行层与层之间的通信&＃xff0c;分为北向API和南向API。北向API负责应用层和控制层之间的通信&＃xff0c;南向API负责基础设施层和控制层之间的通信。
SDN架构
03
SDN的优点
在当前主流的SDN架构中&＃xff0c;保留了传统硬件设备上的操作系统和基础的协议功能&＃xff0c;通过控制器收集整个网络中的设备信息&＃xff0c;具有如下优点&＃xff1a;
网络可编程
网络设备提供应用编程接口&＃xff08;API&＃xff09;&＃xff0c;使得开发和管理人员能够通过编程语言向网络设备发送指令。网络工程师可以使用脚本自动化创建和分配任务&＃xff0c;收集网络统计信息。将基于CLI与SNMP的封装脚本变为实实在在的可编程对象&＃xff0c;提供了更丰富的功能。
网络抽象化
控制器作为中间层&＃xff0c;通过南北向API接口与网络设备和应用程序进行交互&＃xff0c;将底层的硬件设备抽象为虚拟化的资源池&＃xff0c;应用和服务不再与硬件紧密耦合。
降低成本
保留了原有的网络设备&＃xff0c;硬件设备仍然具备管理、控制、转发的全部功能&＃xff0c;方便进行整网的改造&＃xff0c;无需进行大规模的搬迁。控制器的引入将人工配置转变为机器配置&＃xff0c;提升运维效率&＃xff0c;降低运维成本。
业务灵活调度
传统的硬件设备在网络中无法进行灵活的负载分担&＃xff0c;最优路由上往往承担着最重的转发任务&＃xff0c;即使QoS、流控等功能缓解了这一问题&＃xff0c;但流量的调度仍然强依赖于管理员对单台设备的配置&＃xff0c;因此我们可以将传统的硬件设备看作是一种孤岛式的、分布式的管理模式。SDN在没有改变硬件设备整体逻辑的基础上&＃xff0c;通过增加开放的南北向接口&＃xff0c;实现了将计算机语言到配置命令行的翻译&＃xff0c;使界面式的管理、集中管理变成了可能&＃xff0c;解决了传统网络业务调度不灵活的问题。
集中管理
传统网络设备的管理是分布式的&＃xff0c;单台网络设备不感知整个网络的状态。网络管理员使用控制器来管理底层硬件设备&＃xff0c;编排网络业务&＃xff0c;分配网络资源和调整流量优先级。管理员可以直接感知整个网络的状态&＃xff0c;及时调整带宽和优化策略&＃xff0c;便于进行整网的管理。
开放性
SDN架构支持供应商开发自己的生态系统&＃xff0c;开放的API支持云编排、OSS/BSS、SaaS等多种应用程序&＃xff0c;同时也可以通过Openflow控制多个供应商的硬件。
04
SDN与NFV有什么区别
NFV也是一种网络架构&＃xff0c;它将传统物理设备的网络功能封装成独立的模块化软件&＃xff0c;通过在硬件设备上运行不同的模块化软件&＃xff0c;在单一硬件设备上实现多样化的网络功能。
SDN和NFV的相似之处主要体现在如下方面&＃xff1a;
SDN和NFV的不同之处参见下图。
NFV与SDN有什么不同
SDN抽象物理网络资源&＃xff08;交换机、路由器等&＃xff09;&＃xff0c;并将决策转移到虚拟网络控制平面。控制平面决定将流量发送到哪里&＃xff0c;而硬件继续引导和处理流量&＃xff0c;无需依赖标准的硬件设备。NFV的目标是将所有物理网络资源进行虚拟化&＃xff0c;允许网络在不添加更多设备的情况下增长&＃xff0c;这依赖于标准的硬件设备。
其实经典SDN架构也将硬件与软件解耦作为目标&＃xff0c;但在实现过程中由于软件研发成本、设备替换等原因的影响&＃xff0c;现行的SDN方案弱化了控制面的分离&＃xff0c;仅以网络自动化运维为目标。
05
SDN的未来与挑战
在数据中心领域&＃xff0c;大多数大规模数据中心已经采用扁平化架构&＃xff0c;这给网络设备的管理带来了极大的挑战。SDN带来的自动化运维、集中管理在数据中心的自动化调配以及扩容中有极大的应用空间。
在视频领域&＃xff0c;由于SDN支持数据流的实时调配&＃xff0c;使得网络能够承载更多的流量。
在机器学习和人工智能领域&＃xff0c;SDN也会受到运营需求和软件创新的影响&＃xff0c;提供更丰富、更新潮的网络体验。
在未来的网络自动驾驶&＃xff08;ADN&＃xff09;中&＃xff0c;SDN架构也能够发挥重要作用。
SDN并非没有缺点&＃xff0c;与其他IT产品一样&＃xff0c;SDN存在安全、扩展以及缺乏广泛合作、缺乏生态的问题。
集中管理的安全风险
虽然集中管理十分方便&＃xff0c;但这也是一种安全风险。集中管理的单节点被攻击&＃xff0c;整个网络可能都会受到影响。
SDN控制器的瓶颈
对于软件完全从硬件上分离的SDN思路来说&＃xff0c;控制器的软件开发难度、控制器的计算压力都是巨大的挑战。
北向API缺乏统一标准
缺乏标准的北向API导致供应商提供的接口不统一&＃xff0c;应用程序开发困难上升&＃xff0c;同一组开发人员必须同时开发与不同控制器的相互操作。
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