云计算时代催生下一代网络变革-软件定义的网络之基础介绍篇

■ 文/ 天云软件 任曙光

背景

在云计算改造传统IT的步伐下,传统的IT架构一一被颠覆重构,网络也不例外,传统网络设备必须单独一个个进行手动配置,对于云计算环境中快速变化的需求,极大地受软件配置、交付和管理方式的限制。同时传统模式的网络设备业态几乎被寡头垄断,但随着5G、IoT、云计算等新业务、新运营模式的兴起,互联网流量呈爆炸式增长,传统网络厂商的创新能力已严重不能满足当前日新月异的业务需求。SDN(Software Defined Network:软件定义的网络)应运而生,成为下一代计算机网络变革的主要推手。

什么是SDN?

开放网络基金组织(ONF)对SDN的定义为:”Thephysical separation of the network control plane from the forwarding plane, andwhere a control plane controls several devices.“

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Figure 1:SDN标准模型

SDN的历史背景

SDN的概念最初是由美国斯坦福大学的Clean Slate研究组提出的一种新型网络架构,其核心理念是通过OpenFlow技术框架将控制面与数据面进行分离解耦,从而使网络流量转发处理更加灵活、智能地控制。这个课题组走出了数位SDN界的骨灰级领军人物,其中包含课题组组长Nick McKeown教授,提出并起草了OpenFlow标准,推动开放网络基金会ONF的成立,MartinCasado博士主导了OpenvSwitch的开发,创立了Nicira,后被VMware以12.6亿美金收购,Guido Appenzeller博士创立了Big Switch Network,David Erickson等4位博士创立Forward Network, Glen Gibb博士创立了Barefoot。

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Figure 2:斯坦福大学CleanSlate研究组合影

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Figure 3:SDN发展大事件

SDN的特点

SDN需要满足的四大原则:

  1. 控制平面与转发平面分离:网络的控制平面与转发平面解耦,进行独立部署。分离的目的:一是为了可以独立部署,二是为了分层解耦;
  2. 集中式控制:集中式的控制器能够对网络资源和状态有更加统一全局的视野,便于对网络的统筹规划、调度、配置、管理、运维等;
  3. 网络可编程:用户通过控制器的编程接口对网络功能进行定制化的开发,自动化地部署、配置和管控;
  4. 开放的接口:标准化的接口,来保证应用与网络结构,从而使业界通用的网络功能可以进行共享复用。

传统网络架构对比SDN架构

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Figure 4:控制平面和转发平面功能

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Figure 5:传统网络和SDN架构的对比

传统的网络架构将控制平面和数据平面紧耦合打包在一个盒子里,造成升级困难,管理复杂。而SDN网络架构将打破该种竖井式的架构,将控制平面和数据平面分离,各司其职,分开部署,分开研发。数据平面只负责报文的转发,而转发规则由控制平面来决策。这样打破了传统网络结构封闭的业态,众多有创新能力的厂商有机会参与其中,用通用设备替代商业专有设备。开放的API接口、丰富的应用生态是实现自动化智能化的基础,这样也极大地简化了IT运维的复杂度。因此只有控制和转发分离,才能实现集中式控制,集中式控制实现高效的管理和优化。

SDN vs. NFV

在运营商领域提到SDN,不得不提及NFV,那二者有何异同?

NFV是Network Function Virtualization的缩写,通过使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术,用软件来承载专有设备的功能。NFV技术主要由3个部分构成:VNF(虚拟网络层,Virtualized Network Function)、NFVI(网络功能虚拟化基础设施NFVI,NFV Infrastructure)和MANO(NFV管理与编排,Management and Orchestration)。坦白说,虽然二者发起者不同,但时至今日二者正有融合的趋势。因为从本质上二者有相通之处,SDN则是将复杂的控制平面与转发设备分离,打破数据网络设备的封闭业态,改变竞争格局;而NFV则是将复杂的电信网元功能放在x86进行虚拟化与摆脱电信一体式的设备的垄断也对快速变化业务的束缚。

不同之处:

  • 发起者不同:SDN的发起者是数据中心企业用户,而NFV的推动者则是运营商;
  • SDN与NFV的架构不同,NFV的覆盖面更广,标准的SDN主要作用于NFVI,但纯软件的SDN方案也有VNF的实现;
  • SDN改造目标是数据通信相关的功能,而NFV则是主要针对虚拟化电信网元的功能;
  • 为了简化NFV的虚拟网元VNF的自动化管理的灵活性,可扩展性,在NFV方案中通常也会引入SDN产品的支撑。

SDN的价值

SDN为什么可以引领下一代网络的一场革命?

  • 提高网络资源利用率:集中式的网络控制提供了统一全局的网络视图,对网络流量智能分析、动态科学规划,而可编程接口可以使网络报文优化控制、自定义转发选路。虚拟化技术使应用与底层服务器解耦将计算资源的利用率从10%左右提高到80%,SDN使应用与底层的网络设备解耦将带来网络资源高达95%以上的提升。
  • 打破对专属设备的依赖:转发平面只负责数据的转发,可以由廉价通用的设备构成(如所谓的白盒交换机),而提供网络处理功能的控制平面可以由ISV(独立软件厂商)提供,这样被解耦的设备降低了对封闭的专属设备提供商的依赖,为有能力的企业打破网络设备市场的现有格局打开了一扇窗,从而可以快速响应市场日新月异的多样化的新兴网络功能的个性化需求。
  • 降低网络的管理难度和成本:控制平面将底层的网络功能实现细节进行屏蔽和抽象,应用可以通过标准化的应用接口实现自动化部署、配置以及管理,敏捷地响应业务灵活多变的网络配置、变更需求,有效地降低了网络运维的难度和成本。
  • 提高了网络的灵活性和易扩展性:控制平面的分离式部署不再受限于设备的资源局限,可以在性能强大的x86服务器上进行部署,以适应密集的流量处理策略计算请求。而简单、通用、廉价的转发平面设备,不再需要过多考虑异构设备的兼容性问题,适业务需求可以灵活弹性伸缩。

SDN的市场

随着2012年Google公司的SDN B4网络的全面地大规模成功部署,标志者SDN技术应用商用的可行性。

各类企业积极尝试借助SDN解决网络运维、业务优化和新业务快速引入等问题:

  • 企业
  • 电信服务提供商
  • 云服务提供商

其中云计算领域将成为SDN市场中发展最快的部分,将支持企业降低操作费用和资本支出。

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Figure 6:SDN 应用企业类型

SDN解决方案:

  • SDN控制器
  • SDN交换机
  • 云配给和编排
  • 安全

云配给和编配掌握了全球SDN市场大部分分,其次是SDN交换机和SDN控制器。

SDN应用的地理分布:

  • 北美
  • 欧洲
  • 亚太
  • 其他(RoW)

北美由于其领先的技术优势,良好的网络管理条例和标准化服务的提升,在全球SDN市场是处于领先地位。而亚太地区预计将成为全球SDN市场份额增长最快的地区,预计年复合增长率超过45%

应用场景:

  • 数据中心内
  • 数据中心之间
  • IP+光协同
  • 骨干网
  • 移动承载
  • 接入网

SDN关键参与者:

国外:Cisco, AristaNetworks, Big Switch Networks, Comulus Network,VMware,Juniper Networks, HPE, Extreme,NEC, NOKIA,Ericsson,Intel, IBM, Google等;

国内:华为,中兴,新华三,烽火,联想,云杉网络,锐捷网络等。

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Figure 7:SDN 参与者

我们从Gartner 2017年发布的数据中心网络报告中魔力象限发现,在远见象限、领导者象限中除Cisco、DELL EMC之外都是SDN的新秀。

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Figure 8:数据中心网络魔力象限

美国著名研究机构GVR(GrandView Research)发布的调查报告显示:据估计未来五年SDN市场复合增长率将高达40%,到2024年全球SDN市场规模将超过704亿美元。

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Figure 9: SDN 市场增长率

SDN掀起了空前的一场新的技术革命,在整个企业界以及运营商市场引起了广泛关注和参与。SDN在应对云计算、移动服务、物联网应用所带来的海量数据访问方面具备独特的优势,它可以简化网络管理,降低运营成本,提高网络灵活度和可控度。

关于SDN的技术架构方面的知识,请继续关注后续的系列文章。

文中图片来源

图一:https://www.opennetworking.org/sdn-definition/

图二:http://network.51cto.com/art/201702/531663.htm

图三参考:http://network.51cto.com/art/201702/531663.htm

图五:https://opensourceforu.com/2017/10/primer-software-defined-networking-sdn-openflow-standard/

图六:https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/software-defined-networking-sdn-market-analysis(翻译原图)

图八:http://www.sohu.com/a/155361683_635109

图九:https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/software-defined-networking-sdn-market-analysis(翻译原图)

(其中图四、图七为作者制作)