华为SDN概述1

 

SDN（Software Defined Networking）：软件定义网络

计算机时代的演进：

计算1.0时代：用于专用计算的大型机、小型机（主要厂家IBM）大型机的特点：专有的硬件、专有的操作系统、专有的应用，

计算2.0时代：用于通用计算的服务器，用户可以选择不同的底部硬件，选择不同类型的操作系统，根据需求部署不同的软件，将开源、开放、创新放在了另外一个高度。

 

由于计算产业的开放性，计算产业被解耦成了很多个层面，如下图所示，

从上面的图我们可以感受到，仅仅是通用硬件这一层面，就有很多厂家的芯片，内存、硬盘等，也就是说，由于生态的开放性，计算产业的内容变得十分的丰富，计算产业的变革引发了网络产业的思考，业界开始提出SDN（Software Defined Networking）的概念，并不断在其商用化进程上作出尝试。目的是希望网络变得更开放、灵活和简单，如下图所示，是网络产业的架构图

网络界的现状：经典IP组成的分布式网络

经典的 IP 网络是一个 分布式的、对等控制 的网络。

分布式 就体现在每台网络设备存在独立的数据平台、控制平面和管理平面。如下图所示， 转发平面 就负责转发和接收数据帧负责底层流量的高速转发； 控制平面 就负责协议的交互和生成的转发表项，生成转发表项之后，把具体的转发表下发到转发平面来执行转发； 管理平面 负责设备的监控、管理、运行和运维，甚至包括人机界面交互（如工程师登录到web页面去管理设备）。

对等控制 是指每台设备都有独立的转发、控制、管理平面，设备和设备之间通过交互协议来实现报文的传递和路由的转发。

经典IP网络的优势 在于设备与协议解耦，不同的厂家之间兼容性较好且故障场景下协议保证网络收敛，也就是说不同厂商之间的设备可以通过协议实现很好的数据沟通。

 

这样的IP网络有优势也有劣势，比如存在了一些关于网络容易拥塞、运维太困难、网络技术复杂、业务部署太慢等问题。

 

 1.网络易拥塞的问题：

如下图所示，是基于带宽固定选路的问题和解决思路

网络基于带宽计算转发路径。路由器C到路由器D的链路为最短转发路径。C-D的业务流量开始超过带宽出现丢包现象。虽然其他链路空闲，但是算法依然选择最短路径转发。如果可以全局考虑，此时最优的流量转发路径为C-A-D。

如下图所示，是基于固定顺序建立隧道的问题，

途中有A到H共8台路由器，现在有一个业务需求是需要从A到E之间建立一个隧道，如图所示就是我们的1隧道，现另有一需求需要A到G之间建立一个隧道，很顺利的就建好了2隧道，但是现在又有一个业务需求需要从C到H,可以发现这个业务需求满足不了，因为中间都有隧道被占用的问题。

解决思路：全局计算，最优调整隧道路径，

如果我们在建立所有隧道之前，就规划好每个隧道的路径，就不会发生上述问题，如下图所示。

 

2.网络技术太复杂

网络技术太复杂主要表现在两方面，一个是网络协议多：如果您准备成为一名网络技术专家， 您需要阅读网络设备相关RFC 2500篇。如果一天阅读一篇，需要长达6年时间， 而这只是整个RFC的 1/3，其数量还在持续增加；另外一个是网络配置难：如果您准备成为某个设备商设备的百事通，您需要掌握的命令行超过10000条，而其数量还在增加。

3.运维太困难

运维太困难表现在两方面，一个是故障发现难，传统运维网络故障依靠人工故障识别、人工定位和人工诊断。超过85%的网络故障业务投诉后才发现；无法有效主动识别、分析问题；另一个是故障定位难，传统运维仅监控设备指标，存在指标正常，但用户体验差的情况。缺少用户和网络的关联分析。数据中心网络统计，一个故障定位平均耗时76 min。

4.网络业务部署速度太慢

搭建一个新的网络环境，包括设备的发货、设备的上架、现场线缆的部署、设备的调测、各种网络策略的部署等等一系列过程，在这个过程中每一个环节的周期都比较长，导致的结果就是网络业务部署速度太慢的问题。

物理网络部署效率低：物理网络无零配置部署能力。

新业务部署周期长：新业务部署涉及端到端设备配置修改。

网络策略变更复杂、不灵活：网络策略无法细化到用户。策略变更复杂，无法灵活调整。

网络业务部署的愿景是：网络策略实现业务随行，与物理位置无关；新业务实现快速部署；物理网络支持零配置部署，设备即插即用。

SDN的起源

SDN（Software Defined Networking）即软件定义网络。是由斯坦福大学Clean Slate研究组提出的一种新型网络创新架构。 其核心理念通过将网络设备控制平面与数据平面分离，从而实现了网络控制平面的集中控制，为网络应用的创新提供了良好的支撑。SDN起源提出了三个特征， “转控分离”、“集中控制”和“开放可编程接口”。

如下图所示，

在传统的网络架构里面引入了OpenFlow的概念，在转发平面搭建多个OpenFlow交换机，这些OpenFlow交换机由OpenFlow控制器来控制。

OpenFlow基本概念

OpenFlow是控制器与交换机之间的一种南向接口协议。它定义了三种类型的消息，Controller-to-Switch、 Asynchronous 和 Symmetric。每一种消息又包含了更多的子类型，如下图所示。

消息类型	描述
Controller-to-Switch	该消息由Controller发送。用于管理Switch和查询Switch的相关信息。由控制器往下发。定义了交互的方向
Asynchronous	该消息由Switch发起。当Switch状态发生改变时，发送该消息告诉Controller状态变化。OpenFlow交换机往上发。定义的是交互的方向
Symmetric	该消息没有固定发起方，可由Switch或者Controller发起。例如Hello、Echo、Error等。应用于特殊的报文。

 

• Controller-to-Switch 子类型：

▫ Features 消息：在 SSL/TCP 会话建立后， Controller 给 Switch 发送 Features 请求 Switch 的相关信息。 Switch 必须应答自己支持的功能，包括接口名、接口 MAC 地址、接口支持的速率等等基本信息。

▫ Configuration 消息： Controller 可以设置或查询 Switch 的状态。

▫ Modify-State 消息： Controller 发送该消息给 Switch ，来管理 Switch 的状态，即增加 / 删除、更改流表，并设置 Switch 的端口属性。

▫ Read-State 消息： Controller 用该消息收集 Switch 上的统计信息。

▫ Send-Packet 消息： Controller 发送该消息到 Switch 的特定端口。

• Asynchronous 子类型：

▫ Packet-in 消息：当 Flow Table 中没有匹配的表项或者匹配“ send to Controller” ， Switch 将给 Controller 发送 packet-in 消息。

▫ Packet-out 消息：从控制器回复的消息。

▫ Flow-Removed 消息：当给 Switch 增加一条表项时，会设定超时周期。当时间超时后，该条目就会被删除。这时 Switch 就会给 Controller 发送 Flow-Removed 消息；当流表中有条目要删除时， Switch 也会给 Controller 发送该消息。

▫ Port-status 消息：当数据路径接口被添加、删除、修改的时候，此消息用于通知控制器。

• Symmetric 子类型：

▫ Hello 消息：当一个 OpenFlow 连接建立时， Controller 和 Switch 都会立刻向对端发送 OFPT_HELLO 消息，该消息中的 version 域填充发送方支持的 OpenFlow 协议最高的版本号；接收方收到该消息后，接收方会计算协议版本号，即在发送方和接收方的版本号中选择一个较小的；如果接收方支持该版本，则继续处理连接，连接成功；否则，接收者回复一个 OFPT_ERROR 消息，类型域中填充 ofp_error_type.OFPET_HELLO_FAILED

▫ Echo 消息： Switch 和 Controller 任何一方都可以发起 Echo request 消息，但收到的一方必须回应 Echo reply 消息。这个消息可以来测量 latency 、 Controller-Switch 之间的连接性，即心跳消息；

▫ Error 消息：当交换机需要通知控制器发生问题或错误时， Switch 给 Controller 发送 Error 消息。

OpenFlow协议仍在持续更新。更多更全的消息类型请参考ONF最新发布《OpenFlow Switch Specification》标准。 

 Flow Table简介

OpenFlow交换机基于流表（Flow Table）转发报文。

每个流表项由匹配字段、优先级、计数器、指令、超时、Cookie、Flags这七部分组成。其中关于转发的关键的两个内容是匹配字段和指令。匹配字段是匹配规则，支持自定义。指令是用来描述匹配后的处理方式。

匹配域：匹配到某种特征的流量才能进行相应的转发，比传统的数据转发更加灵活，可选项更多；

• Match Fields ：流表项匹配项（ OpenFlow 1.5.1 版本支持 45 个可选匹配项），可以匹配入接口、物理入接口，流表间数据，二层报文头，三层报文头，四层端口号等报文字段等。

• Priority ：流表项优先级，定义流表项之间的匹配顺序，优先级高的先匹配。

• Counters ：流表项统计计数，统计有多少个报文和字节匹配到该流表项。

• Instructions ：流表项动作指令集，定义匹配到该流表项的报文需要进行的处理。当报文匹配流表项时，每个流表项包含的指令集就会执行。这些指令会影响到报文、动作集以及管道流程。

• Timeouts ：流表项的超时时间，包括了 Idle Time 和 Hard Time 。

▫ Idle Time ：在 Idle Time 时间超时后如果没有报文匹配到该流表项，则此流表项被删除。

▫ Hard Time ：在 Hard Time 时间超时后，无论是否有报文匹配到该流表项，此流表项都会被删除。

• Cookie ： Controller 下发的流表项的标识。

• Flags ：该字段改变流条目的管理方式。

 转发方式对比

• 经典的网络转发方式是网络设备通过查询路由表指导流量转发。

• 路由表的条目由网络设备之间运行路由协议而计算生成。

• 路由表是定长的。路由表通过最长匹配原则执行报文转发。一台网络设备只有一张路由表。

 

• OpenFlow 是一个网络协议。运行 OpenFlow 的交换机通过查询流表指导流量转发。

• 流表一般是由 OF 控制器统一计算，然后下发到交换机。

• 流表是变长的，拥有丰富的匹配规则和转发规则。一台网络设备有多张流表。

有很多的优势，但是也有劣势：单点故障、数据不一致的问题，当前OpenFlow的主流应用是用于数据中心的软件交换机，例如OVS、CE1800V等，而不是实现硬件交换机的转控分离。

经典路由和OpenFlow之间可以进行流量转发，因为都是基于TCP/IP协议栈的，但是两者之间不能运行路由协议，因为OpenFlow Switch只支持OpenFlow

SDN是一个更为广泛的概念而不局限于OpenFlow。转控分离是实现SDN的一种方法而不是本质。

SDN的本质诉求

SDN的本质诉求是让网络更加开放、灵活和简单。它的实现方式是为网络构建一个集中的大脑，通过全局视图集中控制，实现或业务快速部署、或流量调优（适用于广域网网络）、或网络业务开放等目标。

SDN的价值是：集中管理，简化网络管理与运维；屏蔽技术细节，降低网络复杂度，降低运维成本；自动化调优，提高网络利用率；快速业务部署，缩短业务上线时间；网络开放，支撑开放可编程的第三方应用。

SDN带来了网络架构的变革。但是路由协议不会被淘汰，只会被更新的路由协议去替代。

SDN网络架构

SDN网络架构分为协同应用层、控制器层和设备层，如下图所示，底层是网络设备，网络设备之上依然会运行协议，新增加了一个控制器层，控制器曾的作用就是通过控制器管理好各种设备，变成一个集中的控制点，第三个层次是应用协同层，（可以是一个云平台，也可以是业务平台，）通过这个层次将客户的需求下发给网络控制器，控制器再将这个网络需求下发给设备层的设备来完成，不同层次之间通过开放接口连接。以控制器层为主要视角，区分面向设备层的南向接口和面向协同应用层的北向接口。OpenFlow属于南向接口协议的一种。

隐患：控制器不能坏，因为一旦通过OpenFlow实现转控分离，控制器又坏掉了，那么数据的转发就不能被控制了，

解决思路1，一旦控制器坏掉了，设备层的设备就恢复成原来的状态，转控一体化的状态，这样就有了控制层面；

解决思路2，实现控制器冗余，主备部署。

• 协同应用层：主要完成用户意图的各种上层应用，典型的协同层应用包括 OSS 、 OpenStack 等。 OSS 可以负责整网的业务协同， OpenStack 云平台一般用于数据中心负责网络、计算、存储的业务协同。还有其他的协同层应用，比如用户希望部署一个安全 APP ，这个安全 APP 不关心设备具体部署位置，只是调用了控制器的北向接口，例如 Block （ Source IP ， DestIP ），然后控制器会给各网络设备下发指令。这个指令根据南向协议不同而不同。

• 控制器层：控制器层的实体就是 SDN 控制器，是 SDN 网络架构下最核心的部分。控制层是 SDN 系统的大脑，其核心功能是实现网络业务编排。

• 设备层：网络设备接收控制器指令，执行设备转发。

• NBI 北向接口：北向接口为控制器对接协同应用层的接口，主要为 RESTful 。

• SBI 南向接口：南向接口为控制器与设备交互的协议，包括 NETCONF 、 SNMP 、 OpenFlow 、 OVSDB 等。