互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界上覆蓋范圍最廣、規(guī)模最大、信息資源豐富的社會和經(jīng)濟高度依賴的全球信息基礎設施，對社會進步、經(jīng)濟發(fā)展和國家安全具有重大戰(zhàn)略意義。隨著互聯(lián)網(wǎng)使用目標、覆蓋范圍、應用類型的不斷擴大，互聯(lián)網(wǎng)面臨著許多重大技術挑戰(zhàn)，如服務質量無法有效保證，網(wǎng)絡安全難以根本解決，網(wǎng)絡管理手段匾乏，新協(xié)議/新功能難以部署等。這些問題的本質原因主要是由當前互聯(lián)網(wǎng)自身體系結構所決定的，所以，設計全新的未來網(wǎng)絡體系結構以解決當前網(wǎng)絡所存在的問題已經(jīng)成為學術界、產(chǎn)業(yè)界和運營商的迫切需要。
世界上許多國家都十分重視未來網(wǎng)絡體系結構和創(chuàng)新環(huán)境的研究和建設。20世紀90年代開始，美國和歐盟相繼提出了FIND、GENI、FIRE、4WARD等未來互聯(lián)網(wǎng)體系結構和創(chuàng)新環(huán)境研究項目；2006年，日本啟動新一代網(wǎng)絡架構設計AKARI項目；美國NFS基金會2010年又設立未來互聯(lián)網(wǎng)體系結構(FIA )計劃重點資助NDN項目、MobilityFirst項目、NEBULA項目、XIA項目。這些項目有些旨在設計全新的網(wǎng)絡體系結構，有些旨在為新網(wǎng)絡體系結構/新協(xié)議提供試驗環(huán)境和試驗平臺，最終促進替代當前互聯(lián)網(wǎng)體系結構的新型網(wǎng)絡體系結構的誕生。
用戶/業(yè)務對網(wǎng)絡的需求是無止境的，同時未來社會對網(wǎng)絡的需求也是無法預知的，因此如果一個新型網(wǎng)絡體系結構是封閉和僵化的，則網(wǎng)絡中待改進的問題只能通過不斷修補的方式來解決，同時新功能和新協(xié)議很難在網(wǎng)絡中得到部署和應用，勢必將加劇網(wǎng)絡的復雜度及管控難度，必將會重蹈當前互聯(lián)網(wǎng)的覆轍。為了促進互聯(lián)網(wǎng)體系結構的開放和易于創(chuàng)新，軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的思想應運而生。
SDN的思想是通過將網(wǎng)絡控制與網(wǎng)絡轉發(fā)解藕合，對網(wǎng)絡進行抽象以屏蔽底層復雜度，為上層提供簡單、高效的配置與管理。OpenFlow技術作為SDN轉發(fā)抽象的實現(xiàn)技術之一，已經(jīng)受到學術界和工業(yè)界普遍關注和廣泛研究。OFELIA于2010年開始采用具有標準化接口的OpenFlow技術來搭建統(tǒng)一新一代網(wǎng)絡實驗平臺。GENI和FIRE在2011年提出將采用OpenFlow技術來構建下一代網(wǎng)體系結構的創(chuàng)新環(huán)境。
2011年開放網(wǎng)絡基金會(ONF)成立，致力于OpenFlow的發(fā)展和標準化。國際互聯(lián)網(wǎng)研究的頂級學術會議SIGCOMM于2012年8月成立Hot SDN Workshop專門會議，并于2013年將SDN納人SIGCOMM主會的征稿議題。此外，互聯(lián)網(wǎng)標準化研究組織IETF/IRTF于2012年10月成立SDNRG研究組。2012年10月權威機構Gartne；發(fā)布未來十大關鍵性技術趨勢，SDN排名第二。因此，SDN已成為網(wǎng)絡學術界和工業(yè)界最為關注的熱點之一。
把握未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的機遇期，實現(xiàn)具有中國自主知識產(chǎn)權的軟件定義網(wǎng)絡技術，建立中國自己的軟件定義網(wǎng)絡以支持未來網(wǎng)絡的技術創(chuàng)新和體系演進，并進一步探索新的網(wǎng)絡運行模式、經(jīng)濟模式和演進模式十分必要。
1.軟件定義網(wǎng)絡概述
1.1軟件定義網(wǎng)絡的提出
軟件定義網(wǎng)絡一詞最早出現(xiàn)在2009年的Technology Review (MIT)的一篇介紹OpenFlow的文章中，該詞用于描述OpenFlow技術所帶給網(wǎng)絡的變革的作用。
在2011年成立的開放網(wǎng)絡聯(lián)盟對SDN技術應該具有的2個原則進行了定義:軟件定義的轉發(fā)和全局的管理抽象。軟件定義的轉發(fā)是指轉發(fā)功能能夠利用開放的接口被外部的程序所控制，全局的管理抽象是指網(wǎng)絡應該支持全局管理抽象的基本集。
在第一屆開放網(wǎng)絡研討會(Open Networking Submit 2011)中，ScottShenker等專家所做的“The Future of Networking，and the Past of Protocols”報告被認為是比較完整的提出了軟件定義網(wǎng)絡的抽象思想。ScottShenke：認為軟件定義網(wǎng)絡應該根據(jù)計算機抽象的原理來降低網(wǎng)絡的復雜性。他將網(wǎng)絡抽象分為轉發(fā)抽象、狀態(tài)的抽象和特定功能的抽象。
在第二屆開放網(wǎng)絡研討會(Open Networking Submit 2012)中，ONF發(fā)布了軟件定義網(wǎng)絡的白皮書給出了軟件定義網(wǎng)絡的初步定義和架構。軟件定義網(wǎng)絡是網(wǎng)絡控制功能從網(wǎng)絡轉發(fā)功能中解禍出來，并且能夠直接被編程。該定義從網(wǎng)絡控制的角度描述了網(wǎng)絡控制功能的位置變化:從網(wǎng)絡設備內遷移到網(wǎng)絡設備外，從而實現(xiàn)控制功能與轉發(fā)功能的獨立演進。
1.2軟件定義網(wǎng)絡與3層抽象
Scott Shenke:等專家認為，網(wǎng)絡控制與管理已越來越復雜，不應無限制地縱容網(wǎng)絡復雜度的增加，應該通過類似計算機領域的抽象技術對網(wǎng)絡的管控進行簡化，以屏蔽網(wǎng)絡底層復雜度，為上層應用提供簡單、高效的配置與管理。為此，SDN提出網(wǎng)絡控制需要3個層次的抽象，以實現(xiàn)網(wǎng)絡簡單、高效、靈活的控制和管理。
(1)轉發(fā)抽象
所謂轉發(fā)抽象首先將網(wǎng)絡控制功能從網(wǎng)絡轉發(fā)功能中解禍出來，實現(xiàn)數(shù)控分離，同時通過定義標準化的轉發(fā)抽象接口使數(shù)據(jù)轉發(fā)與具體硬件實現(xiàn)無關，如同根據(jù)統(tǒng)一的網(wǎng)卡接口標準，各網(wǎng)卡生產(chǎn)廠家可以獨立生產(chǎn)自己的網(wǎng)卡，同時計算機可以接入不同廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡。
(2)分布式狀態(tài)抽象
SDN認為應該引人全局網(wǎng)絡視圖抽象，以為上層應用屏蔽各種分布式狀態(tài)信息，為上層應用提供便于管控的全局網(wǎng)絡視圖。為此，SDN引人網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NOS)，負責統(tǒng)一管理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)設備及分布式狀態(tài)信息，并為上層應用提供基于全局網(wǎng)絡視圖的服務。類似于計算機操作系統(tǒng)，NOS為用戶提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡資源管理等。
在網(wǎng)絡中引人以上2個層次的抽象，已基本達到“屏蔽底層、服務上層”的目的，具備了SDN的基本特性，因此稱之為SDN v1。SDN v1對網(wǎng)絡的抽象如圖1所示。圖1中存在個主體和2層接口。3主體由下向上分別是:物理網(wǎng)絡(包含網(wǎng)絡設備及其連接)、NOS、建在NOS之上的上層控制程序。3個主體由2層接口連接。物理網(wǎng)絡和NOS之間是第1層接口:轉發(fā)接口，對應第1層的轉發(fā)抽象。這層接口屏蔽了底層轉發(fā)的細節(jié)。NOS和上層控制程序之間是第2層接口:全局網(wǎng)絡視圖接口，對應第2層的分布式狀態(tài)抽象。這層接口屏蔽了網(wǎng)絡分布式狀態(tài)的細節(jié)。
圖1 SDN的轉發(fā)抽象和分布式狀態(tài)抽象
(3)特定視圖抽象
分布式狀態(tài)抽象已把分布式的網(wǎng)絡狀態(tài)抽象為一個全局的網(wǎng)絡視圖，供上層控制程序使用，如圖2所示。但是僅全局網(wǎng)絡視圖往往不能很好地滿足控制程序的需求，例如某些情況下控制程序根據(jù)自己的應用需求需要某種特定視角的網(wǎng)絡視圖，如有些應用僅關心所有的邊緣接入網(wǎng)。因此，軟件定義網(wǎng)絡又引人第3層抽象—特定視圖抽象。
圖2 SDN的特定視圖抽象
特定視圖抽象的一個具體的例子如下:對于訪問控制之類的網(wǎng)絡應用來說，它們可能只對一個網(wǎng)絡的邊緣接人報文、邊界網(wǎng)絡設備、接人接口感興趣，而對于網(wǎng)絡內部細節(jié)則不關心。因此SDN在全局視圖(圖2中左部)的基礎上，進一步為特定上層應用抽象它所需的網(wǎng)絡視圖，如只包含邊界接人鏈路、內部是不透明黑盒的一個抽象網(wǎng)絡(即圖2右部，一個抽象網(wǎng)絡，中心是不透明實體，周邊是上層應用關心的邊緣鏈路連接，橙色粗線)，以簡化上層應用對下層的控制和提高控制效率。
在SDN v1的基礎上再引人特定視圖抽象，形成SDN v2，如圖3所示。SDN v2在SDN v1為上層控制應用提供全局視圖的基礎上，進一步為上層應用/管控提供滿足應用需求的特定視圖抽象，將更加簡化上層應用對下層網(wǎng)絡的使用和控制，有利于促進上層應用的創(chuàng)新。
圖3 SDN的3層抽象結構
1.3存在的問題與不足
盡管SDN成為目前網(wǎng)絡界的研究熱點之一，但仍然存在問題與不足:一方面，OpenFlow在靈活性、可擴展性和大規(guī)模應用等方面存在不足；另一方面，SDN目前還處于發(fā)展的初期階段，在體系結構設計、接口抽象、控制平面擴展以及虛擬化管理方面還需進一步研究，原型系統(tǒng)研制、實驗平臺構建、新型網(wǎng)絡體系結構和業(yè)務支持驗證等方面尚不成熟。
2.未來網(wǎng)絡體系結構創(chuàng)新環(huán)境
為真正實踐SDN思想，我們提出了基于軟件定義網(wǎng)絡思路的網(wǎng)絡體系結構—未來網(wǎng)絡體系結構創(chuàng)新環(huán)境(FINE)。FINE體現(xiàn)從傳統(tǒng)的網(wǎng)絡體系設計方法向易于創(chuàng)新的網(wǎng)絡體系設計方法的革命性轉變，如圖4所示。該結構具有4個顯著的網(wǎng)絡開放性，第一，通過將網(wǎng)絡設備的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，在設備外部實現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)域操作系統(tǒng)，提供全局物理視圖和網(wǎng)絡控制應用編程接口(API)，新體系和新協(xié)議能夠利用全局物理視圖和控制API接口簡單、靈活地實現(xiàn)；第二，在網(wǎng)域操作系統(tǒng)之上，可以部署和運行多種網(wǎng)絡體系結構和新協(xié)議，實現(xiàn)新網(wǎng)絡體系結構和新協(xié)議的共存，通過共存部署和運行，多種體系和新協(xié)議能夠充分驗證并進行競爭，實現(xiàn)網(wǎng)絡體系和網(wǎng)絡協(xié)議的優(yōu)勝劣汰；第三，為了滿足不同新體系和新協(xié)議對網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡拓撲的不同需求，提出了基于云服務的虛擬化平臺，為應用(APP)提供特定邏輯視圖和工具集；第四，在數(shù)據(jù)平面開發(fā)多種數(shù)據(jù)平面，并利用網(wǎng)域操作系統(tǒng)，兼容多種開放、可編程設備的數(shù)據(jù)平面抽象技術和設備，為不同網(wǎng)絡協(xié)議對數(shù)據(jù)平面可編程能力的不同需求提供支持。
圖4 FINE體現(xiàn)的革命性轉變
2.1 FINE的設計方法
在系統(tǒng)設計上，F(xiàn)INE創(chuàng)新環(huán)境利用抽象設計的思想，建立數(shù)據(jù)平面抽象、控制平面抽象、網(wǎng)絡資源抽象的3層抽象。通過數(shù)據(jù)平面抽象不僅能夠在網(wǎng)絡設備層面兼容各種開放的轉發(fā)技術，實現(xiàn)了既兼顧了試驗網(wǎng)建設和部署成本，又能夠提供支持網(wǎng)絡創(chuàng)新的各類轉發(fā)能力。通過控制-面抽象，屏蔽了下層多種數(shù)據(jù)平面抽象的異構性，為上層應用提供了統(tǒng)一的控制接口和統(tǒng)一的網(wǎng)絡視圖，為新體系和新協(xié)議的靈活、高效實現(xiàn)提供了支持。通過網(wǎng)絡資源抽象，建立多個特定的邏輯視圖，為多個體系和多個業(yè)務同時運行提供了平臺支撐。
在試驗流程上，F(xiàn)INE創(chuàng)新環(huán)境將軟件開發(fā)、調試和運行的軟件工程思想運用于未來網(wǎng)絡體系結構創(chuàng)新環(huán)境。在體系設計和開發(fā)階段，提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡視圖、控制接口和公共模塊，通過模塊化的設計簡化了體系和協(xié)議設計和開發(fā)的工作量。在新體系和新協(xié)議的測試階段，引人了“沙盤技術”，使得新體系和新協(xié)議能夠在網(wǎng)域操作系統(tǒng)層以上就可以調試狀態(tài)運行新體系和新協(xié)議，及時發(fā)現(xiàn)功能缺陷和設計時錯誤，而無需在實際設備上運行。在新體系和新協(xié)議運行時，利用“虛擬化”技術，提供多個網(wǎng)絡切片，支持多體系和多業(yè)務同時運行，保證了在實際運行當中，互不影響的進行功能試驗和性能測試。
2.2 FINE的分層結構
根據(jù)FINE創(chuàng)新環(huán)境的設計方法，參考軟件定義網(wǎng)絡的思想，F(xiàn)INE的總體架構如圖5所示。圖5包括4個層次，即開放設備、網(wǎng)域操作系統(tǒng)、虛擬化平臺、上層業(yè)務，該架構可更加靈活、方便地支持各種新型網(wǎng)絡體系結構和新網(wǎng)絡業(yè)務。
圖5 FINE總體架構
在FINE總體架構的最下層是開放網(wǎng)絡設備，該層通過轉發(fā)抽象(FA)，提供了多種轉發(fā)抽象技術，實現(xiàn)了設備本地視圖的API接口，從而能夠以多種能力支持新體系和新協(xié)議的創(chuàng)新實現(xiàn)。在開放網(wǎng)絡設備之上，將網(wǎng)絡的控制平面與轉發(fā)平面分離，形成一個統(tǒng)一的控制平面，該控制平面以網(wǎng)域操作系統(tǒng)的形式實現(xiàn)，屏蔽下層轉發(fā)平面的多樣性和異構性，并為上層應用提供統(tǒng)一網(wǎng)絡視圖和統(tǒng)一控制接口。在網(wǎng)域操作系統(tǒng)層之上是虛擬平臺層，該層提供網(wǎng)絡資源的虛擬化切片和管控測功能。在虛擬化平臺之上，是新體系和新協(xié)議層，新體系和新協(xié)議通過調用控制接口，請求試驗的虛擬網(wǎng)絡和相應的網(wǎng)絡資源，并利用網(wǎng)域操作系統(tǒng)提供的控制接口能夠快速實現(xiàn)體系和協(xié)議功能。當有兩個不同管理域(管理域是指由不同網(wǎng)域操作系統(tǒng)控制和管理的網(wǎng)絡)存在時，在管理域間通過跨域協(xié)商抽象(IDNA)接口，實現(xiàn)對鄰居網(wǎng)絡的通信鏈路、路由、資源和服務質量的協(xié)商。
2.3 FINE的功能
FINE創(chuàng)新環(huán)境的功能構成可以從不同用戶的角度來定義FINE創(chuàng)新環(huán)境的功能構成，從新體系和新協(xié)議試驗者的角度，主要由新體系和新協(xié)議實現(xiàn)的支持功能、新體系和新協(xié)議試驗的調試功能、新體系和新協(xié)議運行的隔離功能。從FINE創(chuàng)新環(huán)境的管理者的角度，主要由多種數(shù)據(jù)平面的統(tǒng)一控制功能、網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理功能、網(wǎng)絡拓撲的統(tǒng)一維護功能、用戶角色的統(tǒng)一授權功能。
2.4 FINE的運行機制
FINE創(chuàng)新環(huán)境的運行機制將支持創(chuàng)新網(wǎng)絡體系結構的整個生命周期，為新的網(wǎng)絡體系結構和新的網(wǎng)絡業(yè)務提供了從開發(fā)一調試一運行一測試的完整的閉環(huán)流程，使得新體系和新協(xié)議能夠在FINE的創(chuàng)新環(huán)境中就可以實現(xiàn)螺旋式的演進。
3.“863”計劃“未來網(wǎng)絡體系結構和創(chuàng)新環(huán)境”項目
把握互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的機遇，實現(xiàn)具有中國自主知識產(chǎn)權的軟件定義網(wǎng)絡技術，建立中國自己的軟件定義網(wǎng)絡以支持未來網(wǎng)絡的技術創(chuàng)新和體系演進，并探索新的網(wǎng)絡運行模式、經(jīng)濟模式和演進模式十分重要。2013年，國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)啟動了“未來網(wǎng)絡體系結構和創(chuàng)新環(huán)境”項目。項目采用創(chuàng)新理念和技術路線，研究未來網(wǎng)絡創(chuàng)新體系結構，突破關鍵技術，研制新型網(wǎng)絡設備和軟件系統(tǒng)，建設未來網(wǎng)絡體系結構的創(chuàng)新試驗環(huán)境，研究內容中心網(wǎng)等各種新型網(wǎng)絡體系結構和新協(xié)議，并依托創(chuàng)新環(huán)境進行實驗驗證，將對中國未來網(wǎng)絡發(fā)展具有重要意義。
項目在未來網(wǎng)絡體系結構創(chuàng)新環(huán)境體系架構下，將主要研究：網(wǎng)絡的硬件設備、控制軟件、虛擬化平臺、管理測量和協(xié)議/應用示范。“863”計劃項目的總體結構及各課題關系如圖6所示。
圖6 “863”計劃項目的總體結構及關系
(1)數(shù)據(jù)平面
在數(shù)據(jù)平面，項目提出設計和實現(xiàn)多種的開放網(wǎng)絡設備。“虛擬化可編程路由器”作為項目的主要支撐設備，將能夠支持各類體系和新協(xié)議對數(shù)據(jù)平面的要求，同時提供資源隔離的協(xié)議運行的硬件環(huán)境。以內容為中心的網(wǎng)絡已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡體系的重要的典型應用，為此，項目將從內容分發(fā)和內容尋址兩個方面進行研究并實現(xiàn)“支持內容計算的新型網(wǎng)元設備”和“基于內容尋址的內容路由器原型設備”，構成面向內容應用的數(shù)據(jù)平面設備。為支持網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境的建設，兼顧網(wǎng)絡創(chuàng)新能力和環(huán)境建設成本的考慮，項目將研制3類開放網(wǎng)絡設備，用于構建中等規(guī)模的網(wǎng)絡創(chuàng)新平臺。以上多種網(wǎng)絡設備共同構成了開放網(wǎng)絡體系的多元的數(shù)據(jù)平面，并通過數(shù)據(jù)平面抽象技術實現(xiàn)開放的控制接口，為不同網(wǎng)絡體系在數(shù)據(jù)平面的實現(xiàn)提供了有效的支撐。
(2)控制平面
在項目中，網(wǎng)絡的控制平面主要由網(wǎng)域操作系統(tǒng)TUNOS和虛擬化云服務平臺組成。“網(wǎng)域操作系統(tǒng)”通過數(shù)據(jù)平面抽象接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)平面多種開放網(wǎng)絡設備進行控制，同時為新體系和新協(xié)議提供易于使用的控制平面抽象接口和統(tǒng)一的控制機制，從而實現(xiàn)整合多樣的數(shù)據(jù)平面抽象、降低新體系和新協(xié)議設計與試驗的復雜度，從普通網(wǎng)絡操作系統(tǒng)向網(wǎng)域操作系統(tǒng)轉變。“虛擬化云服務平臺”基于網(wǎng)域操作系統(tǒng)為新體系和新協(xié)議提供設計、運行和驗證的共存環(huán)境，具有有效資源隔離、簡化協(xié)議實現(xiàn)的特點，同時，能夠在云平臺上實現(xiàn)新體系和新協(xié)議的整個生命周期:推演階段一試驗階段一運行階段。
(3)協(xié)議/應用
在項目中，將對以內容為中心的2類應用“基于內容聚類與興趣適配的內容分發(fā)系統(tǒng)”和“內容尋址協(xié)議”進行試驗和驗證。另外，為驗證網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境的普適性，項目還將對其他新體系和IP新協(xié)議進行示范和驗證，如網(wǎng)絡安全的新協(xié)議—IPv6域內源地址驗證、IPv6域間源地址驗證，支持泛在移動的新協(xié)議—ILNP，創(chuàng)新路由轉發(fā)技術—二維路由，適用于廣電網(wǎng)絡的新技術—IP視頻新協(xié)議等。
(4)管理平面
網(wǎng)絡管理和測量是網(wǎng)絡體系的重要組成部分。項目將主要針對未來網(wǎng)絡的虛擬化、動態(tài)性等特點，實現(xiàn)面向未來網(wǎng)絡的管理和測量技術研究。通過未來網(wǎng)絡管理和測量技術研究，實現(xiàn)信息感知、信息測量、資源調度和跨網(wǎng)協(xié)商等管理和測量能力，為未來網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境的高效、可靠運行提供保障。
4.結束語
目前SDN目前還處于發(fā)展的初期階段，為真正實踐SDN思想并發(fā)展SDN技術，我們提出了基于軟件定義網(wǎng)絡思想的網(wǎng)絡體系結構—FINE。在FINE體系架構下，研究多種新型轉發(fā)抽象技術及開放網(wǎng)絡設備，構建支持多域互聯(lián)的網(wǎng)域操作系統(tǒng)、構建全網(wǎng)級虛擬化云平臺，實現(xiàn)多元開放設備的統(tǒng)一管理和控制，進行新型網(wǎng)絡體系結構和新型IP協(xié)議的研究試驗，對于實現(xiàn)SDN思想真正走向實際應用具有重要意義。
核心關注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務領域、行業(yè)應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務領域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關注ERP管理系統(tǒng)的核心領域，是眾多中小企業(yè)信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.lukmueng.com/
本文標題：軟件定義網(wǎng)絡與FINE
本文網(wǎng)址：http://www.lukmueng.com/html/support/11121511750.html
相關文章
