中圖分類號：TN915.03； TP393.03 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2013） 05-0016-006

提出一種支持多樣化網(wǎng)絡業(yè)務融合的軟件定義網(wǎng)絡（SDN）基礎架構——SDNIMS。SDNIMS在數(shù)據(jù)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(xiàn)不同業(yè)務異質化的融合數(shù)據(jù)轉發(fā)；利用網(wǎng)絡虛擬化，為不同的業(yè)務網(wǎng)絡提供獨立且相互隔離管理控制平面；支持多種業(yè)務在統(tǒng)一的SDN網(wǎng)絡基礎設施中的部署。

軟件定義網(wǎng)絡；業(yè)務融合；網(wǎng)絡虛擬化

In this paper， we propose a software-defined network infrasturcture for multiple services （SDNIMS）. This infrastructure converges different networks and services. In SDNIMS data plane， highly flexible programmability allows software-defined data forwarding to be implemented for heterogeneous services. The network is also virtualized to provide separate control planes for different network services. The proposed infrasturcture allows diverse services to be deployed in a unified SDN.

software-defined networks； service convergence； network virtualization

軟件定義網(wǎng)絡（SDN）[1]是一種革新的網(wǎng)絡體系架構設計技術。由于其支持控制與轉發(fā)分離、開放的編程接口，以及軟件可定義的轉發(fā)控制，SDN極大地提高了實現(xiàn)網(wǎng)絡與業(yè)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(wǎng)絡架構設計中的應用仍存在大量問題，包括SDN對網(wǎng)絡/業(yè)務異構性支持、在大規(guī)模網(wǎng)絡中控制平面的可擴展性與安全性等。

網(wǎng)絡與業(yè)務融合是未來網(wǎng)絡發(fā)展的重要趨勢，網(wǎng)絡基礎設施應能支持不同業(yè)務融合高效地轉發(fā)。SDN技術為實現(xiàn)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(wǎng)絡架構設計中復雜的網(wǎng)絡管理與控制問題。

為使SDN網(wǎng)絡支持業(yè)務融合與服務異質化的網(wǎng)絡環(huán)境，首先需要在SDN轉發(fā)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(xié)議及數(shù)據(jù)處理方式；其次，需要在控制平面上對不同業(yè)務網(wǎng)絡進行區(qū)分和隔離。將SDN網(wǎng)絡資源映射到不同虛擬網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化是一種可行的隔離方案。

1 SDN相關工作

為使SDN網(wǎng)絡支持業(yè)務融合，文獻[2]提出了一種基于OpenFlow的自治SDN框架模型，支持多種業(yè)務部署在統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡上，并在控制平面中利用自治網(wǎng)絡技術提高網(wǎng)絡和業(yè)務的自管理能力。OpenFlow 1.3協(xié)議[3]在轉發(fā)平面中引入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(yè)務和網(wǎng)絡協(xié)議。歐盟FP7的SPARC[4]多個研究項目探索了如何擴展OpenFlow以滿足電信級網(wǎng)絡的需求，如支持標簽交換和多業(yè)務融合。

SDN網(wǎng)絡的虛擬化是多業(yè)務SDN網(wǎng)絡體系結構研究中的另一關鍵技術[5]。虛擬化需要通過抽象、分配、隔離等機制將SDN物理網(wǎng)絡映射為多個虛擬SDN網(wǎng)絡，且能夠在各虛擬SDN網(wǎng)絡上互不影響地部署不同的網(wǎng)絡架構和協(xié)議體系，支持不同的網(wǎng)絡業(yè)務，并可按需對虛擬網(wǎng)絡進行動態(tài)的資源配置。

現(xiàn)有的SDN網(wǎng)絡虛擬化方案可分為3類。一是基于交換機的虛擬化[6]，此類方案提供良好的隔離性，但不適于動態(tài)的擴展和調整。第二類包括ADVisor[7]、FlowVisor[8]等方案，在交換機與控制器間加入一個虛擬化層。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(tài)調整其資源配置。第三類方案在控制器上實現(xiàn)虛擬化，如SPARC、FlowN[9]等，將虛擬化管理作為網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（NOS）的一項基礎服務，支持虛擬化配置的動態(tài)調整。

文獻[10]探索了在OpenFlow網(wǎng)絡中部署內容中心網(wǎng)絡（ICN）的方法。研究表明，基于SDN進行創(chuàng)新網(wǎng)絡研究通常需擴展SDN功能。然而擴展現(xiàn)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(yè)務融合的SDN

基礎架構

2.1 目標與需求

業(yè)務融合要求在統(tǒng)一的SDN基礎設施上支持多樣化的業(yè)務和應用。不同種類的業(yè)務通常需要不同的傳輸模式、協(xié)議和網(wǎng)絡管理和控制方式。SDN控制與轉發(fā)分離的設計思想以及開放、靈活、可編程的特征，為實現(xiàn)多業(yè)務融合提供了一條新途徑。本文的目標是對SDN網(wǎng)絡架構進行擴展，提出一種面向多業(yè)務類型、具有高靈活性和可編程性的SDN網(wǎng)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(wǎng)絡業(yè)務的融合

SDNIMS架構支持業(yè)務運營者以軟件定義方式部署多種類型網(wǎng)絡業(yè)務。該架構應滿足不同特性業(yè)務的需求，包括實時話音、圖像和廣播電視業(yè)務，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)等，并支持創(chuàng)新網(wǎng)絡技術的研究；也可支持不同數(shù)據(jù)傳遞模式，在物理接口支持的情況下，實現(xiàn)基于電路交換、標簽交換或光交換的SDN。業(yè)務開發(fā)者能根據(jù)業(yè)務特性獨立地選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸模式、通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)處理方式，并在該架構中部署網(wǎng)絡業(yè)務或進行創(chuàng)新性研究。

（2）網(wǎng)絡的虛擬化與隔離

SNDIMS在轉發(fā)平面上支持多業(yè)務的融合；同時也支持不同業(yè)務具有各自獨立的控制邏輯。SDNIMS將物理網(wǎng)絡資源映射到不同虛擬SDN網(wǎng)中；同時，保證虛擬網(wǎng)之間相互隔離，包括網(wǎng)絡拓撲/資源的隔離、數(shù)據(jù)流隔離以及控制流的隔離。網(wǎng)絡虛擬化對于上層用戶透明，不同的業(yè)務提供者可在虛擬網(wǎng)中部署完全異質化的網(wǎng)絡架構（尋址/路由和網(wǎng)絡協(xié)議）、業(yè)務以及控制管理邏輯。

（3）物理網(wǎng)絡的高靈活可編程性

OpenFlow利用軟件定義的流表實現(xiàn)對轉發(fā)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(yè)務多樣化以及日趨復雜的網(wǎng)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(fā)/交換方式（如分組轉發(fā)、虛電路交換、標簽交換等）、可編程的網(wǎng)絡協(xié)議、可編程的數(shù)據(jù)流處理（轉發(fā)、過濾、QoS控制等）以及可編程的網(wǎng)絡管理控制（性能監(jiān)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(wǎng)絡層、SDN控制器層、業(yè)務管理與控制層。

物理網(wǎng)絡層（即數(shù)據(jù)轉發(fā)層）完成數(shù)據(jù)傳輸與轉發(fā)功能，是整個架構的底層基礎設施。物理網(wǎng)絡由一系列支持SDN的交換結點依據(jù)運營商規(guī)劃的拓撲互聯(lián)而成。SDN結點在上層控制器的控制下進行數(shù)據(jù)流處理（利用擴展的OpenFlow協(xié)議）。SDNIMS架構中的交換結點（及物理網(wǎng)絡）均支持多樣化、高靈活的可編程。在SDN控制器層的統(tǒng)一策略和編程控制下，物理網(wǎng)絡構成統(tǒng)一融合的多業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸平面，支持多種業(yè)務以不同接入方式、傳輸/交換模式和網(wǎng)絡協(xié)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(shù)據(jù)轉發(fā)層的行為進行統(tǒng)一控制和管理。在物理上，控制器層可由若干相互協(xié)作的控制器構成，或采用云計算平臺實現(xiàn)，以提高可靠性和可擴展性。對外，整個SDN控制器層表現(xiàn)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(wǎng)絡操作系統(tǒng)（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(xié)議，實現(xiàn)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(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸進行編程和控制。SDN網(wǎng)絡的虛擬化是SDNIMS控制器層的重要功能，實現(xiàn)底層物理網(wǎng)絡與虛擬SDN網(wǎng)絡之間的映射，并保證虛擬網(wǎng)絡之間相互隔離。

業(yè)務管理/控制層，實現(xiàn)各種業(yè)務網(wǎng)絡的控制和管理功能。SDNIMS支持基于虛擬網(wǎng)絡構建業(yè)務網(wǎng)絡，不同虛擬網(wǎng)分配給不同的業(yè)務提供者，獨立部署其業(yè)務及其管控邏輯。在用戶視角上虛擬SDN網(wǎng)絡與實際SDN網(wǎng)絡并無差異，均向用戶提供NOS、基本的SDN功能及開放的SDN API。業(yè)務提供者可在業(yè)務控制器上利用SDN的方法，在虛擬SDN網(wǎng)中部署其網(wǎng)絡業(yè)務和應用。

總體來看，SDNIMS允許不同業(yè)務網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流共享統(tǒng)一融合的數(shù)據(jù)轉發(fā)平面；同時通過網(wǎng)絡虛擬化，將不同業(yè)務網(wǎng)絡的控制平面的功能相互隔離，分別獨立由其各自業(yè)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(xié)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(wǎng)絡虛擬化與多業(yè)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(wǎng)絡的管理控制，業(yè)務管理控制層負責業(yè)務網(wǎng)絡（虛擬SDN網(wǎng)絡）的管理控制。

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(xiàn)數(shù)據(jù)流處理的可編程。該方式適合于互聯(lián)網(wǎng)的分組轉發(fā)，但難以滿足異構網(wǎng)絡協(xié)議和多業(yè)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(shù)據(jù)流的匹配項。這實際上是對IP協(xié)議進行了預先優(yōu)化，但無法靈活支持其他協(xié)議類型，包括用戶定義的新型協(xié)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(xiàn)對異構協(xié)議的支持。

（2）數(shù)據(jù)流操作與處理的可編程

現(xiàn)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(shù)據(jù)流處理能力，而這些能力往往是實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)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(yè)務開發(fā)者能夠按需擴展數(shù)據(jù)流的處理能力。

（3）網(wǎng)絡維護/管理處理與操作的可編程

交換機設計將性能監(jiān)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(wǎng)絡的維護管理功能。

SDN交換機設計結構分為控制通道與數(shù)據(jù)通道兩部分，如圖3所示。為支持異構網(wǎng)絡協(xié)議，數(shù)據(jù)通道中引入了可編程的協(xié)議解析組件，可根據(jù)協(xié)議描述模版，解析到達分組的協(xié)議格式，并提取指定字段作為流表匹配項。協(xié)議描述模版由上層控制器配置，使解析組件能識別任意協(xié)議格式。輸出的流表匹配項以TLV格式表示，在后續(xù)的數(shù)據(jù)流水線（Pipeline）中用于進行流表匹配。

數(shù)據(jù)流水線中使用并行化的多級流表。通過編程，可將不同業(yè)務/協(xié)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(shù)據(jù)流處理，如標簽交換、QoS操作、隧道封裝、安全性等。

系統(tǒng)支持以軟件定義的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡管理/維護功能。交換機還增加了與網(wǎng)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(xié)同完成網(wǎng)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(yōu)先級，實現(xiàn)網(wǎng)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(xié)議采用擴展的OpenFlow。協(xié)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(xié)議解析和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡實現(xiàn)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(wǎng)絡操作系統(tǒng)（NOS）以及一組SDN基礎功能組件。NOS及功能組件主要提供了數(shù)據(jù)流編程與控制、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡虛擬化等3類功能。

數(shù)據(jù)流編程/控制功能用于定義交換機上與數(shù)據(jù)流處理相關的行為和配置，如接口配置、協(xié)議描述模板、流表及流表的操作等。網(wǎng)絡管理組件提供網(wǎng)絡維護管理相關的功能，如拓撲發(fā)現(xiàn)和管理、路由，以及網(wǎng)絡資源管理和性能監(jiān)測等。

為支持多業(yè)務融合，控制器層實現(xiàn)了SDN網(wǎng)絡的虛擬化。不同網(wǎng)絡業(yè)務分別在隔離的虛擬網(wǎng)中開發(fā)和部署。虛擬網(wǎng)管理組件的結構如圖4所示。圖4實現(xiàn)物理網(wǎng)絡與虛擬網(wǎng)之間的拓撲與資源的映射、網(wǎng)絡事件的映射與分發(fā)以及資源分配與隔離等功能。虛擬網(wǎng)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(tǒng)從兩個方面實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡之間的隔離。一方面通過統(tǒng)一控制的資源及網(wǎng)絡事件映射，將不同虛擬網(wǎng)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面也實現(xiàn)了相互隔離。

轉發(fā)平面為支持多業(yè)務虛擬網(wǎng)，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(wǎng)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(wǎng)形成一條獨立流表流水線，并為每條數(shù)據(jù)流水線配置獨立的數(shù)據(jù)轉發(fā)隊列。為區(qū)分不同虛擬網(wǎng)的數(shù)據(jù)流，利用交換機對網(wǎng)絡協(xié)議和操作的可編程性，在邊緣交換機上對不同虛擬網(wǎng)的數(shù)據(jù)流添加虛擬網(wǎng)標識（VNID）標簽（在全網(wǎng)中標識其所屬虛擬網(wǎng)）。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(jù)VNID將分組引導到其對應虛擬網(wǎng)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(fā)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(xù)的處理。

SDNIMS允許不同的虛擬網(wǎng)采用不同的網(wǎng)絡體系和尋址路由架構。虛擬SDN控制器可根據(jù)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(wǎng)管理組件的映射，被編程和配置到物理網(wǎng)絡交換機中該虛擬網(wǎng)的流表流水線中。在圖5中，虛擬網(wǎng)1支持信息中心網(wǎng)絡（ICN）網(wǎng)絡架構，其流表中使用統(tǒng)一資源定位符（URL）進行匹配和數(shù)據(jù)轉發(fā)；虛擬網(wǎng)2支持標簽交換，在其流表中利用分組的多協(xié)議標簽交換（MPLS）標簽來進行轉發(fā)；采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議（TCP/IP）架構的虛擬網(wǎng)絡則在流表中采用傳統(tǒng)的k元組匹配方式處理分組。

2.3.3 業(yè)務網(wǎng)絡的管理與控制層

不同虛擬網(wǎng)絡用戶可獨立開發(fā)和部署其業(yè)務網(wǎng)絡的控制和管理功能。SDNIMS向虛擬網(wǎng)用戶提供標準SDN網(wǎng)絡編程API，用戶可使用虛擬網(wǎng)NOS、SDN組件及API，利用SDN設計方法和工具，在虛擬SDN網(wǎng)絡中開發(fā)和部署其網(wǎng)絡業(yè)務和應用。在SDNIMS中，業(yè)務管控系統(tǒng)的功能和設計結構是與其網(wǎng)絡業(yè)務特性高度相關的，取決于虛擬網(wǎng)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(xiàn)有的話音通信業(yè)務、廣播電視業(yè)務和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)部署在統(tǒng)一的SDN物理網(wǎng)絡上。不同的網(wǎng)絡業(yè)務具有不同的需求。話音業(yè)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(yè)務對于網(wǎng)絡帶寬需求較高，同時需要交換節(jié)點能夠支持廣播式轉發(fā)。

多業(yè)務部署時，首先為每種業(yè)務網(wǎng)絡定義所需的網(wǎng)絡拓撲及資源屬性（包括帶寬、流表、優(yōu)先級等），然后定義各業(yè)務網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面所采用的傳輸協(xié)議。SDNIMS交換機支持用戶自定義的傳輸協(xié)議，用戶可根據(jù)需要選擇高效的數(shù)據(jù)傳輸模式。例如，話音業(yè)務和廣電業(yè)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(yè)務管理與控制邏輯。

4 結束語

本文提出了一種支持多業(yè)務融合的SDN網(wǎng)絡基礎架構——SDNIMS。SDNIMS在數(shù)據(jù)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(xiàn)不同業(yè)務異質化數(shù)據(jù)的融合轉發(fā)；同時利用網(wǎng)絡虛擬化，為不同的業(yè)務網(wǎng)絡提供獨立且相互隔離管理控制平面，支持多樣化業(yè)務在統(tǒng)一的SDN基礎設施中的融合。

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