原標(biāo)題：5G網(wǎng)絡(luò)變革的推手——SDN的前世今生

雷鋒網(wǎng)按：本文來自英特爾中國研究院。

自從被MIT Review評選為2009年的10大科技進(jìn)展以來，SDN一直保持著相當(dāng)?shù)臒岫取�從字面上看，SDN是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking）的縮寫，其本質(zhì)是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的分離實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。那么“軟件”又是如何定義“網(wǎng)絡(luò)”的呢，對“5G網(wǎng)絡(luò)”又有什么影響呢？今天，我們就來聊一聊SDN那些事兒。

SDN的起源：分布式還是集中式？

談到SDN，業(yè)內(nèi)人士必然會提及“轉(zhuǎn)發(fā)、控制分離”。實(shí)際上，SDN的本質(zhì)一語便可道破：SDN沒有另起爐灶，只是重構(gòu)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而已。

從互聯(lián)網(wǎng)的鼻祖APRANET開始，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)就采用了分布式架構(gòu)，通過一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳遞可達(dá)信息。一傳十，十傳百，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。這種結(jié)構(gòu)最顯著特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)發(fā)、控制合二為一：各節(jié)點(diǎn)決定自己的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則；一旦有節(jié)點(diǎn)損壞或有新的節(jié)點(diǎn)加入，各節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議重新學(xué)習(xí)、收斂，再次實(shí)現(xiàn)互通。

• ARP：地址解析協(xié)議，通過IP地址獲取主機(jī)MAC地址

• OSPF：開放式最短路徑優(yōu)先，用于一個(gè)自治域內(nèi)的一種基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議

• RIP：路由信息協(xié)議，用于一個(gè)自治域內(nèi)的一種基于距離矢量的路由協(xié)議

• BGP：邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于不同自治域間交換路由信息

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

這種“各自為政”的方式看似不錯(cuò)，既能抵御部分節(jié)點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，又具有一定的可擴(kuò)展性。但是，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，尤其是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸也逐漸顯現(xiàn)，比如：每個(gè)節(jié)點(diǎn)自主決定轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，缺乏整體觀念；制定新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議耗時(shí)過長等。

為應(yīng)對上述問題，一些公司從上世紀(jì)90年開始嘗試將轉(zhuǎn)發(fā)和控制進(jìn)行分離。SDN一詞的創(chuàng)立和風(fēng)靡則歸功于斯坦福大學(xué)的Nick McKeown教授，其推動的OpenFlow幾乎已成為實(shí)際的南向接口標(biāo)準(zhǔn)。

SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三層，從下至上分別是轉(zhuǎn)發(fā)面，控制面和應(yīng)用層�？刂泼嫦蛳碌慕涌跒槟舷蚪涌冢�負(fù)責(zé)配置、修改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，其主流標(biāo)準(zhǔn)就是前文提及的OpenFlow。控制面向上為北向接口，為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供API，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的定制化，目前尚沒有開放的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

SDN網(wǎng)絡(luò)

SDN的現(xiàn)狀：精耕細(xì)作還是遍地開花？

自從ONF （Open Networking Foundation，主要推進(jìn)SDN和OpenFlow的標(biāo)準(zhǔn)化）于2011年成立以來，SDN基本上朝著兩個(gè)維度發(fā)展：一個(gè)維度是SDN關(guān)鍵組件，包括轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面和南向接口的演進(jìn)；另一個(gè)則是向其它應(yīng)用領(lǐng)域的延伸。

轉(zhuǎn)發(fā)面

由于是對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)面的最初形態(tài)自然與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類似。隨著數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的興起，軟件作為一種新的轉(zhuǎn)發(fā)面開始出現(xiàn)，代表之一是開源社區(qū)的Open vSwitch。值得一提的是，與DPDK（由英特爾聯(lián)合第三方軟件開發(fā)公司推出的一款數(shù)據(jù)面開發(fā)套件）結(jié)合之后，Open vSwitch在某些應(yīng)用場合展示了優(yōu)異的線性交換能力，逼近硬件的性能，而軟件在可重配可擴(kuò)展方面的潛力卻是硬件無法比肩的，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

控制面

作為SDN的中樞大腦，控制面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商定義的策略配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜娃D(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。比較著名的控制器有OpenDayLight（目前成熟度最高的開源平臺）和ONOS（面向運(yùn)營商領(lǐng)域，在集群、可靠性和性能方面做了增強(qiáng)）。

南向接口

南向接口的發(fā)展基本上呈現(xiàn)OpenFlow一枝獨(dú)秀的局面。OpenFlow以流表作為配置對象，流表定義了對報(bào)文的基本處理，包括匹配（match）、計(jì)數(shù)（counter）和操作（action）等。高度抽象和易于實(shí)現(xiàn)是OpenFlow取得成功的關(guān)鍵 。 

應(yīng)用領(lǐng)域延展

在數(shù)據(jù)中心取得成功后，SDN開始被應(yīng)用到其它領(lǐng)域。被5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用是SDN發(fā)展史上的又一重要里程碑（雖然3GPP將會定義新的南向接口）。在4G/LTE設(shè)計(jì)之初，由于業(yè)務(wù)不豐富以及用戶的數(shù)據(jù)需求不高，分組核心網(wǎng)被設(shè)計(jì)成以下架構(gòu)。從接入網(wǎng)涌入的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯入服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（P-GW）。

4G/LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著VR/AR，無人駕駛，無人機(jī)集群等新應(yīng)用和新服務(wù)不斷涌現(xiàn)，用戶對數(shù)據(jù)獲取不僅在量（即帶寬）上要求更高，在質(zhì)（即時(shí)延）上也提出了明確的要求。LTE的這種架構(gòu)已經(jīng)明顯阻礙了新應(yīng)用和新服務(wù)被采用。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，3GPP遵循SDN“轉(zhuǎn)發(fā)、控制分離”這一基本原則，在設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)做出重大改變：數(shù)據(jù)面下沉+控制面集中。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在LTE時(shí)代，分組核心網(wǎng)關(guān)的數(shù)量屈指可數(shù)，而5G則會大量采用分布式網(wǎng)關(guān)（即上圖中的UPF）。我們在軟件交換機(jī)Open vSwitch的基礎(chǔ)上，增加了無線分組數(shù)據(jù)（主要是GTP-U隧道）的封裝、解封裝、轉(zhuǎn)發(fā)以及其它網(wǎng)關(guān)功能，完成了業(yè)界第一臺支持5G分布式網(wǎng)關(guān)的SDN軟件交換機(jī)，有望在流量導(dǎo)出與分流，移動邊緣計(jì)算，高可靠、低時(shí)延通信等業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。

SDN的未來：演進(jìn)還是重生？

“轉(zhuǎn)發(fā)、控制分離”這一金科玉律很難撼動，但在SDN的關(guān)鍵組件方面，變革似乎難以避免。以南向接口OpenFlow為例，1.0版本僅有12個(gè)匹配域，而最新的1.4版激增到41個(gè)。隨著新協(xié)議的加入，如果只做補(bǔ)丁式演進(jìn)，這一數(shù)字必定還會持續(xù)增加。

在轉(zhuǎn)發(fā)方面，以前文提到的支持5G分布式網(wǎng)關(guān)的SDN軟件交換機(jī)為例，為支持對無線分組數(shù)據(jù)的處理，我們曾對Open vSwitch進(jìn)行修改，涉及到20多個(gè)文件，共計(jì)300多處。功能升級所需付出的代價(jià)不小。

作為SDN的演進(jìn)方向之一，P4（Programming Protocol-Independent Packet Processors）在2016年ACM SIGCOMM成為了熱點(diǎn)之一，多篇關(guān)于硬件交換芯片，F(xiàn)PGA交換設(shè)備，軟件交換機(jī)的文章與之有關(guān)。P4帶給我們的變化是：不再拘泥于MAC/IP/TCP(UDP)，可以按需自行定義報(bào)文封裝格式，利用編譯器自動生成硬件或者軟件轉(zhuǎn)發(fā)面。

SDN是繼續(xù)1.x，還是直接跨入2.0？是演進(jìn)還是重生？讓我們拭目以待。