雲計算時代催生下一代網絡變革-軟體定義的網絡之基礎介紹篇

2021-02-07 天雲軟體

背景

在雲計算改造傳統IT的步伐下，傳統的IT架構一一被顛覆重構，網絡也不例外，傳統網絡設備必須單獨一個個進行手動配置，對於雲計算環境中快速變化的需求，極大地受軟體配置、交付和管理方式的限制。同時傳統模式的網絡設備業態幾乎被寡頭壟斷，但隨著5G、IoT、雲計算等新業務、新運營模式的興起，網際網路流量呈爆炸式增長，傳統網絡廠商的創新能力已嚴重不能滿足當前日新月異的業務需求。SDN（Software Defined Network：軟體定義的網絡）應運而生，成為下一代計算機網絡變革的主要推手。

什麼是SDN？

開放網絡基金組織（ONF）對SDN的定義為：」Thephysical separation of the network control plane from the forwarding plane, andwhere a control plane controls several devices.「

Figure 1：SDN標準模型

SDN的歷史背景

SDN的概念最初是由美國史丹福大學的Clean Slate研究組提出的一種新型網絡架構，其核心理念是通過OpenFlow技術框架將控制面與數據面進行分離解耦，從而使網絡流量轉發處理更加靈活、智能地控制。這個課題組走出了數位SDN界的骨灰級領軍人物，其中包含課題組組長Nick McKeown教授，提出並起草了OpenFlow標準，推動開放網絡基金會ONF的成立，MartinCasado博士主導了OpenvSwitch的開發，創立了Nicira，後被VMware以12.6億美金收購，Guido Appenzeller博士創立了Big Switch Network,David Erickson等4位博士創立Forward Network, Glen Gibb博士創立了Barefoot。

Figure 2：史丹福大學CleanSlate研究組合影

Figure 3：SDN發展大事件

SDN的特點

SDN需要滿足的四大原則：

控制平面與轉發平面分離：網絡的控制平面與轉發平面解耦，進行獨立部署。分離的目的：一是為了可以獨立部署，二是為了分層解耦；集中式控制：集中式的控制器能夠對網絡資源和狀態有更加統一全局的視野，便於對網絡的統籌規劃、調度、配置、管理、運維等；網絡可編程：用戶通過控制器的編程接口對網絡功能進行定製化的開發，自動化地部署、配置和管控；開放的接口：標準化的接口，來保證應用與網絡結構，從而使業界通用的網絡功能可以進行共享復用。

傳統網絡架構對比SDN架構

Figure 4：控制平面和轉發平面功能

Figure 5：傳統網絡和SDN架構的對比

傳統的網絡架構將控制平面和數據平面緊耦合打包在一個盒子裡，造成升級困難，管理複雜。而SDN網絡架構將打破該種豎井式的架構，將控制平面和數據平面分離，各司其職，分開部署，分開研發。數據平面只負責報文的轉發，而轉發規則由控制平面來決策。這樣打破了傳統網絡結構封閉的業態，眾多有創新能力的廠商有機會參與其中，用通用設備替代商業專有設備。開放的API接口、豐富的應用生態是實現自動化智能化的基礎，這樣也極大地簡化了IT運維的複雜度。因此只有控制和轉發分離，才能實現集中式控制，集中式控制實現高效的管理和優化。

SDN vs. NFV

在運營商領域提到SDN，不得不提及NFV，那二者有何異同？

NFV是Network Function Virtualization的縮寫，通過使用x86等通用性硬體以及虛擬化技術，用軟體來承載專有設備的功能。NFV技術主要由3個部分構成：VNF（虛擬網絡層，Virtualized Network Function）、NFVI（網絡功能虛擬化基礎設施NFVI，NFV Infrastructure)和MANO（NFV管理與編排，Management and Orchestration)。坦白說，雖然二者發起者不同，但時至今日二者正有融合的趨勢。因為從本質上二者有相通之處，SDN則是將複雜的控制平面與轉發設備分離，打破數據網絡設備的封閉業態，改變競爭格局；而NFV則是將複雜的電信網元功能放在x86進行虛擬化與擺脫電信一體式的設備的壟斷也對快速變化業務的束縛。

不同之處：

發起者不同：SDN的發起者是數據中心企業用戶，而NFV的推動者則是運營商；SDN與NFV的架構不同，NFV的覆蓋面更廣，標準的SDN主要作用於NFVI，但純軟體的SDN方案也有VNF的實現；SDN改造目標是數據通信相關的功能，而NFV則是主要針對虛擬化電信網元的功能；為了簡化NFV的虛擬網元VNF的自動化管理的靈活性，可擴展性，在NFV方案中通常也會引入SDN產品的支撐。

SDN的價值

SDN為什麼可以引領下一代網絡的一場革命？

提高網絡資源利用率：集中式的網絡控制提供了統一全局的網絡視圖，對網絡流量智能分析、動態科學規劃，而可編程接口可以使網絡報文優化控制、自定義轉發選路。虛擬化技術使應用與底層伺服器解耦將計算資源的利用率從10%左右提高到80%，SDN使應用與底層的網絡設備解耦將帶來網絡資源高達95%以上的提升。打破對專屬設備的依賴：轉發平面只負責數據的轉發，可以由廉價通用的設備構成（如所謂的白盒交換機），而提供網絡處理功能的控制平面可以由ISV（獨立軟體廠商）提供，這樣被解耦的設備降低了對封閉的專屬設備提供商的依賴，為有能力的企業打破網絡設備市場的現有格局打開了一扇窗，從而可以快速響應市場日新月異的多樣化的新興網絡功能的個性化需求。降低網絡的管理難度和成本：控制平面將底層的網絡功能實現細節進行屏蔽和抽象，應用可以通過標準化的應用接口實現自動化部署、配置以及管理，敏捷地響應業務靈活多變的網絡配置、變更需求，有效地降低了網絡運維的難度和成本。提高了網絡的靈活性和易擴展性：控制平面的分離式部署不再受限於設備的資源局限，可以在性能強大的x86伺服器上進行部署，以適應密集的流量處理策略計算請求。而簡單、通用、廉價的轉發平面設備，不再需要過多考慮異構設備的兼容性問題，適業務需求可以靈活彈性伸縮。

SDN的市場

隨著2012年Google公司的SDN B4網絡的全面地大規模成功部署，標誌者SDN技術應用商用的可行性。

各類企業積極嘗試藉助SDN解決網絡運維、業務優化和新業務快速引入等問題：

企業電信服務提供商雲服務提供商

其中雲計算領域將成為SDN市場中發展最快的部分，將支持企業降低操作費用和資本支出。

Figure 6：SDN 應用企業類型

SDN解決方案：

SDN控制器SDN交換機雲配給和編排安全

雲配給和編配掌握了全球SDN市場大部分分，其次是SDN交換機和SDN控制器。

SDN應用的地理分布：

北美歐洲亞太其他（RoW）

北美由於其領先的技術優勢，良好的網絡管理條例和標準化服務的提升，在全球SDN市場是處於領先地位。而亞太地區預計將成為全球SDN市場份額增長最快的地區，預計年複合增長率超過45%

應用場景：

數據中心內數據中心之間IP+光協同骨幹網移動承載接入網

SDN關鍵參與者：

國外：Cisco, AristaNetworks, Big Switch Networks, Comulus Network，VMware，Juniper Networks, HPE, Extreme，NEC, NOKIA，Ericsson，Intel, IBM, Google等；

國內：華為，中興，新華三，烽火，聯想，雲杉網絡，銳捷網絡等。

我們從Gartner 2017年發布的數據中心網絡報告中魔力象限發現，在遠見象限、領導者象限中除Cisco、DELL EMC之外都是SDN的新秀。

Figure 8：數據中心網絡魔力象限

美國著名研究機構GVR(GrandView Research)發布的調查報告顯示：據估計未來五年SDN市場複合增長率將高達40%，到2024年全球SDN市場規模將超過704億美元。

Figure 9: SDN 市場增長率

SDN掀起了空前的一場新的技術革命，在整個企業界以及運營商市場引起了廣泛關注和參與。SDN在應對雲計算、移動服務、物聯網應用所帶來的海量數據訪問方面具備獨特的優勢，它可以簡化網絡管理，降低運營成本，提高網絡靈活度和可控度。

關於SDN的技術架構方面的知識，請繼續關注後續的系列文章。

文中圖片來源

圖一：https://www.opennetworking.org/sdn-definition/

圖二：http://network.51cto.com/art/201702/531663.htm

圖三參考：http://network.51cto.com/art/201702/531663.htm

圖五：https://opensourceforu.com/2017/10/primer-software-defined-networking-sdn-openflow-standard/

圖六：https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/software-defined-networking-sdn-market-analysis（翻譯原圖）

圖八：http://www.sohu.com/a/155361683_635109

圖九：https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/software-defined-networking-sdn-market-analysis（翻譯原圖）

（其中圖四、圖七為作者製作）

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