軟件定義網絡(SDN) 是一種革新的網絡體系架構設計技術。由于其支持控制與轉發分離、開放的編程接口，以及軟件可定義的轉發控制，SDN極大地提高了實現網絡與業務的管理控制的靈活性。當前，SDN已在諸多領域成功應用，但SDN在核心網絡架構設計中的應用仍存在大量問題，包括SDN對網絡/業務異構性支持、在大規模網絡中控制平面的可擴展性與安全性等。
網絡與業務融合是未來網絡發展的重要趨勢，網絡基礎設施應能支持不同業務融合高效地轉發SDN技術為實現這一目標提供了一條嶄新途徑。利用SDN的可編程性，設計者能夠有效解決網絡架構設計中復雜的網絡管理與控制問題。
為使SDN網絡支持業務融合與服務異質化的網絡環境，一首先需要在SDN轉發平面上提供高靈活度的軟件可編程性，以支持多樣化的用戶需求、設備、通信協議及數據處理方式；其次，需要在控制平面上對不同業務網絡進行區分和隔離。將SDN網絡資源映射到不同虛擬網絡，實現網絡虛擬化是一種可行的隔離方案。
1.SDN相關工作
為使SDN網絡支持業務融合，文獻提出了一種基于OpenFlow的自治SDN框架模型，支持多種業務部署在統一的物理網絡上，并在控制平面中利用自治網絡技術提高網絡和業務的自管理能力。OpenFlow 1.3協議在轉發平面中引人了多級流表構成流水線，流表項的匹配采用類型/長度/值(TLV)格式。TLV格式易于擴展，適于支持多種不同的業務和網絡協議。歐盟FP7的SPARC多個研究項目探索了如何擴展OpenFlow以滿足電信級網絡的需求，如支持標簽交換和多業務融合。
SDN網絡的虛擬化是多業務SDN網絡體系結構研究中的另一關鍵技術。虛擬化需要通過抽象、分配、隔離等機制將SDN物理網絡映射為多個虛擬SDN網絡，且能夠在各虛擬SDN網絡上互不影響地部署不同的網絡架構和協議體系，支持不同的網絡業務，并可按需對虛擬網絡進行動態的資源配置。
現有的SDN網絡虛擬化方案可分為3類。一是基于交換機的虛擬化，此類方案提供良好的隔離性，但不適于動態的擴展和調整。第二類包括ADVisor、FlowVisor等方案，在交換機與控制器間加人一個虛擬化層。此方案簡單易部署，但其虛擬化層對用戶透明，用戶無法通過軟件編程方式來動態調整其資源配置。第三類方案在控制器上實現虛擬化，如SPARC Flow等，將虛擬化管理作為網絡操作系統(NOS)的一項基礎服務，支持虛擬化配置的動態調整。
文獻探索了在OpenFlow網絡中部署內容中心網絡(ICN)的方法。研究表明，基于SDN進行創新網絡研究通常需擴展SDN功能。然而擴展現有SDN的架構和功能，往往需要代碼重寫和升級，缺乏靈活性。理想方式是支持用戶直接對設備編程，定義新屬性和功能。
2.面向多業務融合的SDN基礎架構
2.1 目標與需求
業務融合要求在統一的SDN基礎設施上支持多樣化的業務和應用。不同種類的業務通常需要不同的傳輸模式、協議和網絡管理和控制方式。SDN控制與轉發分離的設計思想以及開放、靈活、可編程的特征，為實現多業務融合提供了一條新途徑。本文的目標是對SDN網絡架構進行擴展，提出一種面向多業務類型、具有高靈活性和可編程性的SDN網絡基礎架構—SDNIMS。在該架構設計中需解決以下問題：
(1)支持多樣化網絡業務的融合
SDNIMS架構支持業務運營者以軟件定義方式部署多種類型網絡業務。該架構應滿足不同特性業務的需求，包括實時話音、圖像和廣播電視業務，傳統互聯網等，并支持創新網絡技術的研究；也可支持不同數據傳遞模式，在物理接口支持的情況下，實現基于電路交換、標簽交換或光交換的SDN。業務開發者能根據業務特性獨立地選擇不同的數據傳輸模式、通信協議以及數據處理方式，并在該架構中部署網絡業務或進行創新性研究。
(2)網絡的虛擬化與隔離
SNDIMS在轉發平面上支持多業務的融合；同時也支持不同業務具有各自獨立的控制邏輯。SDNIMS將物理網絡資源映射到不同虛擬SDN網中；同時，保證虛擬網之間相互隔離，包括網絡拓撲/資源的隔離、數據流隔離以及控制流的隔離。網絡虛擬化對于上層用戶透明，不同的業務提供者可在虛擬網中部署完全異質化的網絡架構(尋址/路由和網絡協議)、業務以及控制管理邏輯。
(3)物理網絡的高靈活可編程性
OpenFlow利用軟件定義的流表實現對轉發行為的可編程。SDNIMS進一步擴展了用戶對物理設備的可編程能力除流表外，SDN交換機還具有多方面可編程性，用戶可對交換結點的多種行為進行細粒度編程，滿足業務多樣化以及日趨復雜的網絡管理控制的需求。交換結點的可編程性包括:可編程的傳輸轉發/交換方式(如分組轉發、虛電路交換、標簽交換等)、可編程的網絡協議、可編程的數據流處理(轉發、過濾、QoS控制等)以及可編程的網絡管理控制(性能監測、資源管理等)。
2.2 SDNIMS體系架構
SDNIMS的體系結構模型如圖1所示。圖1整體上分為3個層次：物理網絡層、SDN控制器層、業務管理與控制層。
圖1 SDNIMS的體系結構
物理網絡層(即數據轉發層)完成數據傳輸與轉發功能，是整個架構的底層基礎設施。物理網絡由一系列支持SDN的交換結點依據運營商規劃的拓撲互聯而成。SDN結點在上層控制器的控制下進行數據流處理(利用擴展的OpenFlow協議)。SDNIMS架構中的交換結點(及物理網絡)均支持多樣化、高靈活的可編程。在SDN控制器層的統一策略和編程控制下，物理網絡構成統一融合的多業務數據傳輸平面，支持多種業務以不同接入方式、傳輸/交換模式和網絡協議進行傳輸。
SDN控制器層在架構中承擔SDN控制器的角色，在邏輯上可看作是一個集中式控制器，對數據轉發層的行為進行統一控制和管理。在物理上，、控制器層可由若干相互協作的控制器構成，或采用云計算平臺實現，以提高可靠性和可擴展性。對外，整個SDN控制器層表現為一個集中式的邏輯控制器實體。
在功能結構上，控制器層由網絡操作系統(NOS)及若干基本功能組件(拓撲、資源管理等)構成。其南向接口采用擴展的OpenFlow協議，實現對物理設備的編程和控制；其北向提供SDN應用編程接口(API)，使高層軟件能對物理網絡中的數據傳輸進行編程和控制。SDN網絡的虛擬化是SDNIMS控制器層的重要功能，實現底層物理網絡與虛擬SDN網絡之間的映射，并保證虛擬網絡之間相互隔離。
業務管理/控制層，實現各種業務網絡的控制和管理功能。SDNIMS支持基于虛擬網絡構建業務網絡，不同虛擬網分配給不同的業務提供者，獨立部署其業務及其管控邏輯。在用戶視角上虛擬SDN網絡與實際SDN網絡并無差異，均向用戶提供NOS、基本的SDN功能及開放的SDNAPI。業務提供者可在業務控制器上利用SDN的方法，在虛擬SDN網中部署其網絡業務和應用。
總體來看，SDNIMS允許不同業務網絡的數據流共享統一融合的數據轉發平面；同時通過網絡虛擬化，將不同業務網絡的控制平面的功能相互隔離，分別獨立由其各自業務提供者來進行控制和管理。
2.3 SDNIMS功能模型與組件
SDNIMS架構的功能模型及其主要功能組件如圖2所示。架構的底層由高可編程的SDN交換機構成。通過擴展的OpenFlow協議，上層軟件可對交換機進行多種功能的軟件定義，以支持網絡虛擬化與多業務融合。SDNIMS的控制部分包括兩個層次：SDN控制器層負責全局SDN網絡的管理控制，業務管理控制層負責業務網絡(虛擬SDN網絡)的管理控制。
圖2 SDNIMS的功能結構
2.3.1 高靈活可編程SDN交換機
OpenFlow交換機僅支持通過流表實現數據流處理的可編程。該方式適合于互聯網的分組轉發，但難以滿足異構網絡協議和多業務融合的需求。新型SDN交換機需提供更多的可編程性，包括：
(1)流表匹配項的可編程
OpenFlow的流表使用分組中一組固定字段作為數據流的匹配項。這實際上是對IP協議進行了預先優化，但無法靈活支持其他協議類型，包括用戶定義的新型協議。新型交換機將允許用戶靈活定義流表匹配項的格式、位置和類型等屬性，實現對異構協議的支持。
(2)數據流操作與處理的可編程
現有OpenFlow流表無法支持諸如隧道封裝、標簽交換、服務質量(QoS)控制等復雜的數據流處理能力，而這些能力往往是實現網絡業務管理控制必需的。解決這一問題的方法是提供一種軟件定義的方式，使業務開發者能夠按需擴展數據流的處理能力。
(3)網絡維護/管理處理與操作的可編程
交換機設計將性能監測、資源/隊列管理等維護管理的底層操作行為標準化，并開放其編程接口。上層軟件能夠編程和配置這些底層操作，設計基于軟件定義的網絡的維護管理功能。
SDN交換機設計結構分為控制通道與數據通道兩部分，如圖3所示。為支持異構網絡協議，數據通道中引人了可編程的協議解析組件，可根據協議描述模版，解析到達分組的協議格式，并提取指定字段作為流表匹配項。協議描述模版由上層控制器配置，使解析組件能識別任意協議格式。輸出的流表匹配項以TLV格式表示，在后續的數據流水線( Pipeline)中用于進行流表匹配。
圖3 高靈活可編程的SDN交換機
數據流水線中使用并行化的多級流表。通過編程，可將不同業務/協議的流表相互獨立，配置成不同的流水線，進行并行處理。流表的操作集合是可擴展的，上層軟件可按需定義和添加新的操作方法，以支持復雜的數據流處理，如標簽交換、QoS操作、隧道封裝、安全性等。
系統支持以軟件定義的方式實現網絡管理/維護功能。交換機還增加了與網絡管理相關的操作和處理功能。通過對一些特殊流表的配置，上層軟件可利用這些操作協同完成網絡維護/管理功能。同樣，上層軟件可定義交換機上各隊列的屬性、調度策略、帶寬和優先級，實現網絡資源的精細化管控。
交換機的控制通道負責與上層控制器的交互，其協議采用擴展的OpenFlow。協議擴展用于支持交換機上新增的可編程屬性，包括可編程的協議解析和數據流操作，以及性能測量與隊列管理等。
2.3.2 SDN控制器層
SDN控制器層對整個物理網絡實現管理和控制，同時向上層提供編程接口。在邏輯上，控制器層是一個集中式實體，包括兩部分:網絡操作系統(NOS)以及一組SDN基礎功能組件。NOS及功能組件主要提供了數據流編程與控制、網絡管理、網絡虛擬化等3類功能。
數據流編程/控制功能用于定義交換機上與數據流處理相關的行為和配置，如接口配置、協議描述模板、流表及流表的操作等。網絡管理組件提供網絡維護管理相關的功能，如拓撲發現和管理、路由，以及網絡資源管理和性能監測等。
為支持多業務融合，控制器層實現了SDN網絡的虛擬化。不同網絡業務分別在隔離的虛擬網中開發和部署。虛擬網管理組件的結構如圖4所示。圖4實現物理網絡與虛擬網之間的拓撲與資源的映射、網絡事件的映射與分發以及資源分配與隔離等功能。虛擬網向上層軟件提供一個虛擬的NOS以及一組SDN服務組件及其API接口。系統從兩個方面實現虛擬網絡之間的隔離。一方面通過統一控制的資源及網絡事件映射，將不同虛擬網的管理控制平面相互隔離；另一方面，通過對底層交換機的編程(包括對流表、隊列的配置)，使不同虛擬網絡的數據平面也實現了相互隔離。
圖4 網絡虛擬化功能模型
轉發平面為支持多業務虛擬網，交換機中的多級流表和隊列將被編程配置成圖5所示的形式。利用多級流表的特性，交換機對不同虛擬網絡使用的流表進行了隔離。流表被進行邏輯劃分，分別為每個虛擬網形成一條獨立流表流水線，并為每條數據流水線配置獨立的數據轉發隊列。為區分不同虛擬網的數據流，利用交換機對網絡協議和操作的可編程性，在邊緣交換機上對不同虛擬網的數據流添加虛擬網標識(VNID)標簽(在全網中標識其所屬虛擬網)。交換機多級流表中的0號流表作為全局流表，用于匹配和識別到達分組的VNID，并根據VNID將分組引導到其對應虛擬網的流水線上。若到達分組無可匹配VNID，則控制器可向0號流表下發一條特殊流表項，為到達分組添加相應的VNID標簽，然后進行后續的處理。
SDNIMS允許不同的虛擬網采用不同的網絡體系和尋址路由架構。虛擬SDN控制器可根據各自的需要生成專用的流表，這些流表經控制器層的虛擬網管理組件的映射，被編程和配置到物理網絡交換機中該虛擬網的流表流水線中。在圖5中，虛擬網1支持信息中心網絡(ICN)網絡架構，其流表中使用統一資源定位符(URL)進行匹配和數據轉發；虛擬網2支持標簽交換，在其流表中利用分組的多協議標簽交換(MPLS)標簽來進行轉發；采用傳輸控制協議/網間協議(TCP/IP)架構的虛擬網絡則在流表中采用傳統的k元組匹配方式處理分組。
圖5 高靈活度可編程SDN交換機對虛擬網的支持
2.3.3 業務網絡的管理與控制層
不同虛擬網絡用戶可獨立開發和部署其業務網絡的控制和管理功能。SDNIMS向虛擬網用戶提供標準SDN網絡編程API，用戶可使用虛擬網NOS,SDN組件及API，利用SDN設計方法和工具，在虛擬SDN網絡中開發和部署其網絡業務和應用。在SDNIMS中，業務管控系統的功能和設計結構是與其網絡業務特性高度相關的，取決于虛擬網用戶的設計。
3.SDNIMS架構的應用場景實例
SDNIMS的一個應用場景如圖6所示。圖6將現有的話音通信業務、廣播電視業務和傳統互聯網部署在統一的SDN物理網絡上。不同的網絡業務具有不同的需求。話音業務實時性要求高，在管理控制上類似于電路交換的控制。廣播電視業務對于網絡帶寬需求較高，同時需要交換節點能夠支持廣播式轉發。
圖6 SDNIMS的應用場景實例
多業務部署時，首先為每種業務網絡定義所需的網絡拓撲及資源屬性(包括帶寬、流表、優先級等)，然后定義各業務網絡的數據平面所采用的傳輸協議。SDNIMS交換機支持用戶自定義的傳輸協議，用戶可根據需要選擇高效的數據傳輸模式。例如，話音業務和廣電業務均可采用標簽交換形式，從而避免繁瑣的TCP/IP封裝。在此基礎上，運營者可利用SDN API來設計和部署其業務管理與控制邏輯。
4.結束語
本文提出了一種支持多業務融合的SDN網絡基礎架構—SDNIMS。SDNIMS在數據平面上提供了高靈活度的可編程性，支持以軟件定義方式實現不同業務異質化數據的融合轉發；同時利用網絡虛擬化，為不同的業務網絡提供獨立且相互隔離管理控制平面，支持多樣化業務在統一的SDN基礎設施中的融合。
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