李淑玲 尚萍

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出現(xiàn)了許多難以解決的難題，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以修改，網(wǎng)絡(luò)中的問題不能及時(shí)處理;核心設(shè)備內(nèi)置的協(xié)議不但數(shù)量多并且復(fù)雜，業(yè)務(wù)承載量不斷增加，設(shè)備性能消耗嚴(yán)重，這些都是促進(jìn)SDN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的催化劑。本論文主要對SDN技術(shù)進(jìn)行研究，對比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN網(wǎng)絡(luò)，了解SDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，給出SDN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：SDN;技術(shù)化;OpenFlow;網(wǎng)絡(luò)框架

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0044-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1背景

自20世紀(jì)60年代互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出后，發(fā)展至今規(guī)模日益擴(kuò)大，尤其近十年來隨著社會的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)量經(jīng)歷了爆炸性增長，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)融入人們的生活，人們現(xiàn)在已經(jīng)越來越離不開網(wǎng)絡(luò)。但是隨著互聯(lián)網(wǎng)的膨脹和應(yīng)用類型的不斷豐富，互聯(lián)網(wǎng)的缺陷逐漸顯現(xiàn)出來。

眾所周知，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的分層式結(jié)構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)取得成功的關(guān)鍵，每一層的功能都有明確的定義，但是跟著網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量的不斷增多，網(wǎng)絡(luò)核心路由器內(nèi)部擴(kuò)充了多種協(xié)議，業(yè)務(wù)承載量不斷增加，協(xié)議所提供的功能不斷增多，造成目前網(wǎng)絡(luò)控制平臺復(fù)雜的原因，同時(shí)還增加了運(yùn)營商制定優(yōu)化管理網(wǎng)絡(luò)的難度，研究人員想要在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中對新協(xié)議進(jìn)行測試和部署都難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)流量快速增加，用戶對流量的需求不斷增大，各種新型的服務(wù)不斷出現(xiàn)，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）繞過實(shí)體網(wǎng)絡(luò)裝置的限制并且讓企業(yè)組織可以動(dòng)態(tài)地管理其網(wǎng)絡(luò)。SDN使用軟件抽象層來動(dòng)態(tài)地管理網(wǎng)絡(luò)，能夠大力降低設(shè)備的性能消耗，幫助運(yùn)營商更加精準(zhǔn)的管理底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，讓運(yùn)營商減少在網(wǎng)絡(luò)上的資金投入，同時(shí)為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中出現(xiàn)的新技術(shù)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等的研究提供好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由此得出，對SDN相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)的研究和推進(jìn)，在未來的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中可以為開發(fā)人員提供新的解決問題的角度和想法，為開發(fā)人員提供有力的基礎(chǔ)。

2 SDN研究現(xiàn)狀

SDN是一種最新提出的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在短短的幾年內(nèi)就已經(jīng)在業(yè)界內(nèi)聲名顯赫，然而由于當(dāng)前的技術(shù)和成本問題，SDN目前尚在理論階段，其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程也正處于發(fā)展階段尚未成熟，如果想要將該技術(shù)在目前的生產(chǎn)環(huán)境中大量使用還有較長的一段路要走。美國斯坦福大學(xué)研究過一個(gè)課題，課題名稱為Clean Slate，它是美國GENI項(xiàng)目投入的資金和人力物力財(cái)力等，而SDN技術(shù)就是在該項(xiàng)目的探究過程中衍生出來的。一個(gè)項(xiàng)目自然有一部分核心研究人員，而Clean Slate項(xiàng)目的核心研究人員是Nick McKeown教授團(tuán)隊(duì)，他們對該項(xiàng)目進(jìn)行不斷地深層次挖掘。2009年，在麻省理工評論的"未來十大突破性技術(shù)"當(dāng)中，SDN技術(shù)成功的占有一席之地，之后對該技術(shù)關(guān)注的人越來越多，SDN技術(shù)的人氣越來越高。隨著SDN技術(shù)的形成，現(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并逐步加深對該技術(shù)的研究，不斷深度挖掘和嘗試希望能對該技術(shù)在商業(yè)方面的使用進(jìn)行推廣，現(xiàn)階段SDN技術(shù)除了應(yīng)用于局域網(wǎng)組網(wǎng)之外，在數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)方面也有很大的占比。

3 SDN核心技術(shù)

3.1 基本理論

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）繞過實(shí)體網(wǎng)絡(luò)裝置的限制并且讓企業(yè)組織可以動(dòng)態(tài)地管理其網(wǎng)絡(luò)。SDN 使用軟件抽象層來動(dòng)態(tài)地管理網(wǎng)絡(luò)。能夠大力降低設(shè)備的性能消耗，幫助運(yùn)營商更加精準(zhǔn)的管理底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，讓運(yùn)營商減少在網(wǎng)絡(luò)上的資金投入，同時(shí)為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中出現(xiàn)的新技術(shù)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等的研究提供好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，由此得出，對SDN相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)的研究和推進(jìn)，在未來的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中可以為開發(fā)人員提供新的解決思路和方法。

SDN技術(shù)是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新整合，整合為三層的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這三層分別分為應(yīng)用層、控制層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層。再利用SDN的核心思想，控制器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開，最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)層次劃分的目的，實(shí)現(xiàn)集中管理。如圖1所示，為SDN體系框架。

在SDN架構(gòu)下，控制層與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層被分開，下層基礎(chǔ)設(shè)備只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不需要通過各種算法的計(jì)算。下層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備只需要查找本地轉(zhuǎn)發(fā)表，如果有記錄則直接轉(zhuǎn)發(fā)，若沒有記錄，則只需要向上層控制器詢問數(shù)據(jù)處理方法。這樣底層也可采用相對廉價(jià)的設(shè)備構(gòu)建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，減少了成本。

3.2 SDN核心技術(shù)

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，我們需要有一項(xiàng)技術(shù)來將控制器和轉(zhuǎn)發(fā)層連接起來，而這就需要一種通用的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行合理的管控，OpenFlow就可以解決這個(gè)問題，完成標(biāo)準(zhǔn)的定義工作。該技術(shù)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，由控制器向OpenFlow交換機(jī)發(fā)送流表信息，用這樣的方式來控制一組數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的流通路徑。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)由OpenFlow交換機(jī)和控制器通過OpenFlow通道組成。

3.2.1 交換機(jī)

SDN網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，分別是OpenFlow交換機(jī)和控制器，，而OpenFlow交換機(jī)則是由流表（flow table）、安全通道（secure channel）和 OpenFlow 協(xié)議構(gòu)成，它代替了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等。

OpenFlow交換機(jī)基本具有普通交換機(jī)的所有功能，它還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能設(shè)備的統(tǒng)一。對于SDN網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)而言，可以根據(jù)不同的場景需要，，采用軟件或者硬件設(shè)備來完成交換機(jī)的交換功能。而OpenFlow交換機(jī)有它相較于傳統(tǒng)交換機(jī)的特點(diǎn)，它支持OpenFlow協(xié)議，，它能夠通過OpenFlow協(xié)議將控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層耦合起來，當(dāng)管理員在控制器上輸入流表后，就可以下發(fā)相應(yīng)規(guī)則到這臺OpenFlow交換機(jī)上，當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過該OpenFlow交換機(jī)時(shí)，則對比流表規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)。在SDN網(wǎng)絡(luò)中的OpenFlow交換機(jī)除了上述的特點(diǎn)之外，它還不參與轉(zhuǎn)發(fā)策略的制定，經(jīng)過設(shè)備的數(shù)據(jù)走向有控制器下發(fā)，交換機(jī)只對數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.2 OpenFlow

OpenFlow協(xié)議主要是通過對不同類型的數(shù)據(jù)消息進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)控制器和交換機(jī)兩者的路由管控，SDN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層的OpenFlow交換機(jī)的組成部件和功能上的需求是通過該協(xié)議來規(guī)范的，控制器對交換機(jī)長距離管控時(shí)也用到了OpenFlow協(xié)議。交換機(jī)整體框架如圖2所示。

控制器和OpenFlow交換機(jī)之間通過安全的OpenFlow協(xié)議相互通信，在這個(gè)過程當(dāng)中，兩者之間的數(shù)據(jù)通過SSL機(jī)制進(jìn)行加密。OpenFlow交換機(jī)由三部分組成，其中流表和安全通道是OpenFlow交換機(jī)的核心。OpenFlow交換機(jī)對比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有一定的相通點(diǎn)，OpenFlow交換機(jī)在發(fā)生數(shù)據(jù)交換時(shí)，過程與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用于匹配信息的路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表的過程基本一致，數(shù)據(jù)進(jìn)入交換機(jī)后與流表項(xiàng)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.3 控制層

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，控制層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。一方面，控制層對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行全局把控，生成統(tǒng)一的全局資源視圖，并進(jìn)行維護(hù)和管理;另一方面，為應(yīng)用層提供可編程的接口，執(zhí)行對網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的操作指令?？刂茖游挥赟DN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的中間位置，向下通過南向接口對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)控制和設(shè)備管理，通過北向接口與應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并執(zhí)行應(yīng)用層向下的操作命令。

4某大型醫(yī)院SDN技術(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.1 項(xiàng)目背景

現(xiàn)有某大型醫(yī)院在全國范圍內(nèi)開設(shè)了一家總部和三家分部，眾所周知，醫(yī)院的科室類型繁雜，每個(gè)科室都有不同的醫(yī)療設(shè)備及不同的上網(wǎng)需求，所以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備之間的交互性差。由于網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備眾多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管理過程中設(shè)備配置復(fù)雜，管理難度加大。為了提高內(nèi)外部人員的上網(wǎng)體驗(yàn)，讓管理層面趨于簡單化和便捷化，現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

醫(yī)院總部與分支的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成基本一致，總部網(wǎng)絡(luò)相較于分部更加復(fù)雜，其某一分部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

4.3 SDN技術(shù)設(shè)計(jì)方案

該醫(yī)院目前的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)非常龐大，其中分部數(shù)據(jù)還需要匯總到總部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，這對核心網(wǎng)絡(luò)的要求非常高，根據(jù)這一現(xiàn)狀，我們可以利用SDN技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層與控制層實(shí)現(xiàn)分開。底層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠考慮使用相對成本較低的設(shè)備搭建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，在控制層對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，根據(jù)查看到的設(shè)備鏈路信息進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)整和改進(jìn)。同時(shí)，使用SDN網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)OpenFlow進(jìn)行基本組網(wǎng)，組網(wǎng)方式具體如圖4所示。

利用SDN技術(shù)的思想，將底層的數(shù)據(jù)交換與上層的控制層面進(jìn)行分離，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過多域、多控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為4個(gè)域，分離的4個(gè)區(qū)域整體包括了所有的用戶，為所有用戶提供基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而在劃分的幾個(gè)區(qū)域當(dāng)中，每個(gè)區(qū)域分散多臺OpenFlow交換機(jī)，而在出口處有一臺控制器進(jìn)行統(tǒng)一的管理。幾個(gè)區(qū)域的控制器統(tǒng)一到一起，組成一個(gè)分布式的控制平臺，便于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和管理人員管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。具體設(shè)計(jì)SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整體如圖5所示。

5總結(jié)

SDN技術(shù)是目前正在迅速崛起的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀入手，尋求一種可以解決目前網(wǎng)絡(luò)問題的解決方案，而SDN技術(shù)就是現(xiàn)階段人們正在研究的技術(shù)。本文主要深入探討了SDN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，詳細(xì)講解了數(shù)據(jù)在進(jìn)入設(shè)備后的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，由控制器統(tǒng)一管理交換機(jī)流表，對SDN技術(shù)的理論基礎(chǔ)做了整體的討論，并以SDN核心技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一套在大型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中適用的SDN技術(shù)化解決方案。利用Mininet和虛擬機(jī)等模擬工具對SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行了模擬，這對后續(xù)深入挖掘該技術(shù)提供了良好的基礎(chǔ)。在論文完善這個(gè)過程中，解決方案的設(shè)計(jì)與模擬環(huán)境的搭建基本達(dá)到預(yù)期，將解決方案套入到大型醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，但是在論文完善過程當(dāng)中仍有許多不足，解決方案的設(shè)備選型等沒有深入研究，后期再學(xué)習(xí)過程中對SDN技術(shù)的研究和探索還有待加強(qiáng)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)業(yè)是一個(gè)相對封閉的產(chǎn)業(yè)，整個(gè)行業(yè)被一些巨頭所把持，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新?lián)Q代也只是在性能上的提高并沒有根本上的變化，而同期的服務(wù)器市場卻經(jīng)歷了服務(wù)器硬件與操作系統(tǒng)的分離、虛擬技術(shù)的普及兩個(gè)階段。SDN的出現(xiàn)打破了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟硬一體化的開發(fā)模式，將網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)打造為開放的三層結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)打造為開放的三層結(jié)構(gòu)，其體現(xiàn)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、等特點(diǎn)都將是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向?；蛟S距離SDN時(shí)代的到來還有一定困難，但隨著技術(shù)周期演變的加速，SDN已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】