软件定义网络（SDN）发展历程及应用分析
- 软件定义网络的发展历史
2008年，Nick McKeown 教授等人提出了OpenFlow 的概念，并于当年在ACM SIGCOMM 发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的论文，首次详细地介绍了OpenFlow 的概念。该篇论文除了阐述OpenFlow 的工作原理外，还列举了OpenFlow 几大应用场景。基于OpenFlow 为网络带来的可编程的特性，Nick McKeown教授和他的团队进一步提出了SDN（Software Defined Network，软件定义网络）的概念。2009年，SDN 概念入围Technology Review年度十大前沿技术，自此获得了学术界和工业界的广泛认可和大力支持。同年12月，OpenFlow规范发布了具有里程碑意义的可用于商业化产品的1.0版本。
2011年3月，在Nick Mckeown教授等人的推动下，开放网络基金会ONF成立，主要致力于推动SDN架构、技术的规范和发展工作。ONF成员96家，其中创建该组织的核心会员有7家，分别是Google、Facebook、NTT、Verizon、德国电信、微软、雅虎。也是从这一年开始，传统公司如Cisco、HP和IBM以及初创公司Nicira、Plumgrid、Contrail等纷纷开始投资SDN。
2012年，发生了两大SDN领域的收购，VMware以12亿美元收购额Nicira，Juniper以1.76亿美元收购Contrail。
2013年，思科收以8.63亿美元收购Insieme。这些收购表明了各大公司非常看好SDN的发展前景。
2014年，逐渐开始有公司声明在生产环境中应用了SDN。其中以Facebook最具有代表性，Facebook不仅公布了数据中心网络架构，还开源了FBOSS（交换机操作系统）和Wedge（TOR交换机）作为其主导的Open Compute Project的一部分。
2015年，Google确认在其Jupiter & Andromeda项目里面采用SDN来管理大规模环境。Google指出，其SDN基于三个元素：白盒交换机，SDN控制器和Clos架构设计。这与Facebook的架构类似，大规模网络架构中，似乎都倾向于采用这些SDN元素构建网络。并且，具有一定研发实力的公司都倾向于自研自建网络架构，而不是完全依赖网络设备商。
2017年，VMware 宣布其NSX 有2400+客户，带来10亿美元销售额。这是商用SDN领域披露的最大一笔销售额。
- 软件定义网络的基本原理
软件定义网络（Software Defined Network, 以下简称SDN ）是一种新型的网络架构，它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而通过集中的控制器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。在SDN网络中，网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件;而原来负责控制的操作系统将提炼为独立的网络操作系统，负责对不同业务特性进行适配，而且网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都可以通过编程实现。
SDN提供一个可编程的集中式网络，其中包含 SDN 控制器、南向 API 和北向 API三部分。SDN 控制器 是网络的核心，提供针对整个网络的集中视图。南向 API 可将信息转发至网络中的交换机和路由器。北向 API 用于实现应用通信和服务部署。
与传统网络相比，SDN的基本特征有三点：
- 控制与转发分离。转发平面由受控转发的设备组成，转发方式以及业务逻辑由运行在分离出去的控制面上的控制应用所控制。
- 控制平面与转发平面之间的开放接口。SDN 为控制平面提供开放可编程接口。通过这种方式，控制应用只需要关注自身逻辑，而不需要关注底层更多地实现细节。
- 逻辑上的集中控制。逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，也就是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制。
SDN是一种革命性的变革，它解决了传统网络中无法避免的一些问题，包括缺乏灵活性、对需求变化的响应速度缓慢、无法实现网络的虚拟化以及高昂的成本等问题。在当前的网络架构下，网络运营商和企业无法快速提供新的业务，原因在于他们必须等待设备提供商以及标准化组织同意，并将新的功能纳入到专有的运行环境中才能实现。很显然这是一个漫长地等待过程，或许等到现有网络真正具备这一新的功能时，市场已经发生了很大变化。
在上述这种情况下，SDN应运而生。SDN的本质是网络软件化，提升网络可编程能力，是一次网络架构的重构，而不是一种新特性、新功能。网络运营商和企业可以通过自己编写的软件轻松地决定网络功能。SDN可以让他们在灵活性、敏捷性以及虚拟化等方面更具主动性。通过OpenFlow的转发指令集将网络控制功能集中，网络可以被虚拟化，并被当成是一种逻辑上的资源，而非物理资源加以控制和管理。
长期以来，通过命令行接口进行人工配置，一直在阻碍网络向虚拟化迈进，并且它还导致了运营成本高昂、网络升级时间较长无法满足业务需求、容易发生错误等问题。SDN使得一般的编程人员在通用服务器的通用操作系统上，利用通用的软件就能定义网络功能，让网络可编程化。SDN带来巨大的市场机遇，因为它可以满足不同客户需求、提供高度定制化的解决方案。这就使网络运营建立在开放软件的基础上，不需要依靠设备提供商的特定硬件和软件才能增设新功能。
更为重要的是，某些网络功能的提供也变得异常简单，比如组播和负载均衡功能的实现等。另外，拓扑结构的限制也将消失。比如在传统数据中心中，由于树形拓扑导致的流量被限制等问题也将得到解决。
总的来说，SDN所能提供的五大优点如下：
- SDN为网络的使用、控制以及如何创收提供了更多的灵活性。
- SDN加快了新业务引入的速度。网络运营商可以通过可控的软件部署相关功能，再不必像以前那样等待某个设备提供商在其专有设备中加入相应方案。
- SDN降低了网络的运营费用，也降低了出错率，原因在于实现了网络的自动化部署和运维故障诊断，减少了网络的人工干预。
- SDN有助于实现网络的虚拟化，从而实现了网络的计算和存储资源的整合，最终使得只要通过一些简单的软件工具组合，就能实现对整个网络的控制和管理。
- SDN让网络乃至所有IT系统更好地以业务目标为导向。
- SDN的未来发展趋势
针对网络的主要参与实体进行梳理后，SDN未来的应用对象将主要集中在电信运营商、政府及企业客户、数据中心服务商以及互联网公司。应用场景主要聚焦于数据中心网络、数据中心的互联、政企网络、电信运营商网络以及互联网公司业务部署。
1、SDN在数据中心网络的应用
数据中心网络SDN化的需求主要表现在海量的虚拟租户、多路径转发、VM(虚拟机)的智能部署和迁移、网络集中自动化管理、绿色节能、数据中心能力开放等几个方面。SDN控制逻辑集中的特点可充分满足网络集中自动化管理、多路径转发、绿色节能等方面的要求;同时，SDN网络能力开放化和虚拟化也可充分满足数据中心能力开放、VM的智能部署和迁移、海量虚拟租户的需求。
数据中心的建设和维护一般统一由数据中心运营商或ICP/ISP维护，具有相对的封闭性，可统一规划、部署和升级改造，SDN在其中部署的可行性高。数据中心网络是SDN目前最为明确的应用场景之一，也是最有前景的应用场景之一。
2、SDN在数据中心互联的应用
数据中心之间互联的网络具有流量大、突发性强、周期性强等特点，需要网络具备多路径转发与负载均衡、网络带宽按需提供、绿色节能、集中管理和控制的能力。引入SDN的网络可通过部署统一的控制器来收集各数据中心之间的流量需求，进而进行统一的计算和调度、实施带宽的灵活按需分配、最大程度优化网络、提升资源利用率。
3、SDN在政企网络中的应用
政府及企业网络的业务类型丰富，网络设备功能复杂、类型多，对网络的安全性要求高，需要集中的管理和控制，需要网络的灵活性高，且能满足定制化需求。
SDN转发与控制分离的架构，可使得网络设备通用化、简单化。SDN将复杂的业务功能剥离，由上层应用服务器实现，不仅可以降低设备硬件成本，更可使得企业网络更加简化，层次更加清晰。同时，SDN控制的逻辑集中，可以实现企业网络的集中管理与控制，企业的安全策略集中部署和管理，更可以在控制器或上层应用灵活定制网络功能，更好满足企业网络的需求。
由于企业网络一般由企业自己的信息化部门负责建设、管理和维护，具有封闭性，可统一规划、部署和升级改造，SDN部署的可行性较高。
4、SDN在电信运营商网络的应用
电信运营商网络包括了宽带接入层、城域层、骨干层等层面。具体的网络还可分为有线网络和无线网络，网络存在多种方式，如传输网、数据网、交换网等。总的来说，电信运营商网络具有覆盖范围大、网络复杂、网络安全可靠性要求高、涉及的网络制式多、多厂商共存等特点。
SDN的转发与控制分离特点可有效实现设备的逐步融合，降低设备硬件成本。SDN的控制逻辑集中特点可逐步实现网络的集中化管理和全局优化，有效提升运营效率，提供端到端的网络服务;SDN的网络能力虚拟化和开放化，也有利于电信运营商网络向智能化，开放化发展，发展更丰富的网络服务，增加收入。
目前NTT和德国电信都开始试验部署SDN，其中NTT搭建了横跨日本和美国的试验环境，实现网络虚拟化，并建立跨数据中心的WAN网络;而德国电信已在云数据中心、无线、固定等接入环境使用SDN。
但是，SDN技术目前尚不够成熟，标准化程度也不够高。大范围、大量网络设备的管理问题，超大规模SDN控制器的安全性和稳定性问题，多厂商的协同和互通问题，不同网络层次/制式的协同和对接问题等均需要尽快得到解决。目前SDN技术在电信运营商网络大规模应用还难以实现，但可在局部网络或特定应用场景逐步使用，如移动回传网络场景、分组与光网络的协同场景等。
6、SDN在互联网公司业务部署中的应用
网络的终极意义在于为上层应用提供网络服务，承载上层应用。互联网公司业务基于SDN架构部署，将是SDN的重要应用场景。
SDN具有网络能力开放的特点，通过SDN控制器的北向接口，向上层应用提供标准化、规范化的网络能力接口，为上层应用提供网络能力服务。ICP/ISP可根据需要获得相应的网络服务，有效提升最终用户的业务体验。
国内企业如腾讯、百度等都在加快SDN的实验室部署，例如，腾讯正利用SDN实现差异化的路径计算、流量控制和服务，为用户提供更好体验。
- 总结
在SDN技术迅速发展过程中，以网络运营商与IT产业为主的ONF组织是主要的推动者，ONF不定期地发布技术报告与技术白皮书，制定相关的标准规范并进行组织测试。另一方面来自通讯设备商和通讯服务运营商的配合也不可或缺，设备厂商和运营商希望利用SDN获得API，让网络设备得以进行控制的特性，针对IDC和云端应用服务进行SDN网络的部署，同时也在寻找SDN在云端网络和通讯网路未来的应用发展方向，期望使用者得以获得最佳服务层级的存取行为。
SDN全新的概念将对传统网络造成冲击，现今网络设备并不兼容于OpenFlow功能，所以未来将采取渐进式部署具有OpenFlow功能的设备。网络设备商或芯片商未来也将采用具备网络虚拟化及云端运算平台能力的软件，后续SDN关键性的软件应用与硬体设备整合的技术，将成为商用化的核心价值。
- 参考文献
- SDN入门科普.http://network.51cto.com/network/content2013/SDNkepu/
- 李祥敬.软件定义网络SDN的现状以及发展趋势[EB/OL].http://net.yesky.com/enterprise/187/53255687.shtml，2015-03-17
- 软件定义网络.Cisco.https://www.cisco.com/c/zh_cn/solutions/software-defined-networking/overview.html?dtid=osscdc000357