SDN架构与解析：深度开放与融合

ZDNET网络频道 04月08日 综合消息：长期以来，网络技术总是以被动方式进行演变，并且大量的技术革新都落地在网络设备本身，如带宽不断提升，从千兆到万兆、再到40G和100G;设备 体系架构变化，也是为了性能地不断提升，从交换能力几十Gbps提升到T级别以致100T级别;组网变化，网络设备的N:1集群性质的虚拟化，在一定范围 内和一定规模上优化了网络架构，简化了网络设计;大二层网络技术，通过消除环路因素，支持了虚拟化条件下的虚机大范围二层扩散性计算。

新的技术商用，总会引起设备的升级换代，并且随着流量的巨大变化，网络的部署与变更技术上越来越复杂，网络在应对流量变化上很难有良好的预期性，在当前方式下，一旦完成业务部署，服务器通过网线连入网络，应用流量吞吐对网络的影响就难以控制、网络的调整也就变得相当滞后。

软件定义网络——SDN(Software Defined Network)的出现和理念演进，开始改变网络被动性的现状，使网络具备较大灵活程度的“定义”能力;这种可定义性，是网络主动“处理”流量而不仅仅是 被动“承载”流量，并使得网络与计算之间的关系不仅仅是“对接”，而是“交互”。

SDN的思想集中体现在控制面与实体数据转发层面之间分离，这对网络交换机的工作方式产生了深远的影响。高端用户原本就不满足于使用网络预先设定好 的功能，而是希望在自己的业务功能不断丰富变化的过程中，能够按照自身需求快速进行调整。而在控制层面分离出来后，或者说控制层面可以开放出来，更能实现 虚拟化的灵活性，使得用户能够进行程序编制，那么基于应用与流量变化的快速响应，便不需要完全依赖于设备供应商的长周期软硬件升级来完成。

SDN的思想是将更多的控制权交给网络使用者，除了设计部署、配置变更，还可以进行网络软件的重构，使得新的技术验证可以先于商业化。这种网络能够以抽象化的方式解决网络的复杂性问题，解除了用户收支网络功能和特性的紧约束，能够在更高层面研究和满足项业务需求。

1 当前主流SDN的概念探讨

最经典的SDN架构描述是来自ONF(Open Network Foundation)的SDN体系架构图(如图1所示)。

图1 SDN体系架构

图1表达了SDN的分层解耦合概念，包括通用的基础硬件层、硬件抽象层、网络操作系统、上层应用。其中基础硬件与硬件抽象两层组成物理网络设备，也 就是SDN架构中的数据转发层面;网络操作系统与上层应用组成了控制层面。数据转发层面与控制层面之间以一种标准化的交互协议来解耦合，此协议当前为 OpenFlow。这种去耦合的架构，表明网络操作系统及网络应用(如路由控制协议等)不必运行在物理设备上，而可以运行在外部系统(如X86架构的服务 器)内，从而实现网络控制的灵活可编程性。

除了解耦合控制层面与数据转发层面，SDN还引入了集中控制的概念(如图2所示)。对于传统的设备，因为不同的硬件、供应商私有的软件，使得网络本 身相对封闭，只能通过标准的互通协议与计算设备配合运行。网络中所有设备的自身系统都是相对孤立和分散的，网络控制分布在所有设备中，网络变更复杂、工作 量大，并且因为设备异构，管理上兼容性很差，不同设备的功能与配置差异极大;同时网络功能的修改或演进，会涉及到全网的升级与更新。而在SDN的开放架构 下，一定范围内的网络(或称SDN域)，由集中统一的控制逻辑单元来实施管理，由此解决了网络中大量设备分散独立运行管理的问题，使得网络的设计、部署、 运维、管理在一个控制点完成，而底层网络差异性也因为解耦合的架构得到了消除。集中控制在网络中引入了SDN区别于传统网络架构的角色——SDN Controller，也就是运行SDN网络操作系统并控制所有网络节点的控制单元。SDN能够提供网络应用的接口，在此基础上按照业务需求进行软件设计 与编程，并且是在SDN Controller上加载，从而使得全网迅速升级新的网络功能，而不必再对每个网元节点进行独立操作。

图2 封闭式网络与开放网络

分层解耦合架构中采用了OpenFlow的协议来分离网络的控制与转发层，图3是来自斯坦福的一张图表明OpenFlow的解耦模型。

图3 OpenFlow协议工作模式

网络设备(图3中OpenFlowSwitch)由标准的网络硬件和支持OpenFlow代理的软件构成。OpenFlow定义的网络硬件，不是传 统的交换模式，而是以一种流表的方式来进行数据的转发处理，非常类似于当前交换机使用的TCAM对数据流的分类与控制行为，每一个网络中的流均由流表中的 规则来控制处理，可以达到极精细的粒度。OpenFlow协议定义了一种通用的数据平面描述语言，设备上的OpenFlow代理软件通过与 OpenFlow Controller建立安全加密(如SSL通信机制)通信隧道来接受对设备的控制转发指令。所有的流表指令均被定义成标准规范，通过 Controller与代理之间的加密协议可靠传递。Controller上运行的各种网络应用，均被转换成OpenFlow“指令集”下发，从而易于实 现标准化的模式，这使得OpenFlow成为SDN架构下的重要技术。

OpenFlow以一种比较理想的形式定义了网络设备的供应方式，但这种定义使得网络不是一个平滑升级和演进，而是一个颠覆性的更新，现有网络不能 通过OpenFlow来升级，而是需要被完全替换。同时，OpenFlow设备是一种流表转发，也需要新的体系架构来设计网络芯片，虽然现有TCAM技术 能支持OpenFlow的特性，但是功能不完备、大TCAM表项设备极其昂贵。因此，当前的OpenFlow设备，基本是在传统网络基础上支持 OpenFlow协议，规格受限的初期产品。

OpenFlow的设计思路体现了SDN架构，但是，这种思路只体现了集中控制的优势，对于网络的运维管理并没有深入考虑，管理通信如何采用 OpenFlow并与正常业务流的分离，是否覆盖替代还是与传统SNMP/NETCONF的管理方式，集中的OpenFlow Controller与分散的OpenFlow网络设备之间采取一种如何的管理方式更优，还需要OpenFlow本身的技术不断实践来印证。

OpenFlow在协议定义上还不完善，针对已有网络特性的定义还在补充变化，内容变更会不断持续，并逐步形成不同的技术版本，这使得软件和硬件在配套兼容上存在较大的问题，这也是OpenFlow作为SDN协议的在网络应用覆盖不全方面的严重不足。

2 H3C SDN体系架构：开放与融合

2.1 H3C SDN总体架构与策略

H3C在基于全网端到端的总体网络架构上，将会交付一个逐步发展丰富的SDN产品与解决方案集。(如图4所示)H3C SDN当前提供三大方案集：基于Controller/Agent的SDN全套网络交付、基于Open API的网络平台开放接口、基于OAA的自定义网络平台。在这三大方案集成基础上，构建一个标准化深度开放、用户应用可融合的NPaaS(Network Platform as a Service)网络平台即服务的SDN体系，既具备H3C已有的优势网络技术方案，又能在各种层次融合与扩展用户自制化网络应用。

图4 H3C SDN总体架构

2.2 基于Controller/Agent的SDN全套网络交付

在上述SDN基本体系架构定义的框架下，H3C提供与此一致的方案架构。如图5所示，H3C将在同一SDN的架构下，除了支持标准化的OpenFlow协议，并提供基于H3C自身成熟技术的自有协议RIPCRIPC(Remote IPC)。

图5 Controller/Agent的SDN网络

H3C将提供标准化的系列化Controller部件，能够以OpenFlow协议进行OpenFlow设备的集中控制，对上层提供灵活的开放接 口，以满足各种网络应用的调用需求。在当前网络产品逐步集成OpenFlow特性，满足初始OpenFlow网络部署需求，并逐步丰富OpenFlow的 产品组成，如图6左图构建了整体OpenFlow的SDN网络。

针对H3C优势技术IRF的进一步强化，基于Controller/Agent架构，以H3C RIPCRIPC的协议实现了VCF的技术，如图6右图所示，使用多台S5820V2组成的IRF结构体工作为网络的Controller角色，下联多台S5120HI。

图6 H3C SDN网络的两种实现

VCF采用SDN架构的N:1网络虚拟化，不仅将多台同一网络层面的设备整合，也将另一层次的设备整合，整个网络运行如同一台大型框式设备，运行管 理各种操作均被虚拟化在一台大型设备内。所有的控制、设备管理均在S5820V2的IRF组上，其它的S5120HI运行为线卡模式。在这种SDN架构 下，H3C的RIPC协议消除了OpenFlow协议在效率与管理上的不足，并有效继承了H3C Comware平台的原有IRF优势。

2.3 基于Open API的网络平台

SDN最重要的网络需求是可编程性，即用户可以在自身业务变化的情况下，根据需要自行软件开发，这种需求的核心是网络要有灵活开放的接口提供给用户的编程实现。H3C实现了多层化的Open API方案(如图7所示)。

基础设备层面可以提供深度的SDK级标准化VCC网络应用(VCC: Virtual Computing Container 虚拟计算容器)，并提供高级XML的访问操作NETCONF标准接口体系，OpenFlow也是设备层面提供的一种标准接口模式;

设备控制层面(SDN Controller)，作为网络操作系统，标准化的接口依据Controller的不同实现，对外可提供VCC、REST/SOAP、NETCONF、OpenFlow等。

Open API与H3C系统(Comware/iMC)内部集成(Integrated)API(如RIPC)相辅相成，构建差别的SDN架构，并在不同层次形成自有系统及对外开放与标准化，使得不同用户的可编程与应用变化性需求得以满足。

图7 H3C多层化的Open API

在Open API接口中，REST/SOAP是常规的高层协议编程接口，NETCONF是网络设备上新兴的XML语言编程接口，OpenFlow是SDN的一种协 议，以上均是通用化的技术实现，VCC则是H3C在长期网络软件技术积累过程中形成的一种更为底层的标准化实现。

ComwareV7是基于Linux内核实现的新一代云计算网络操作系统，当前的架构，基于类POSIX的Linux接口及扩展形成一套开放的 SDK，H3C提供了含SDK的接口描述、调用库、编译环境等完备的编程环境，使得用户可以使用C/C++以几乎完全等同于Linux系统下的环境进行自 己的网络应用程序软件开发，而ComwareV7则为用户的软件运行提供了一个完整的系统环境，如图8所示。

图8 VCC运行

在VCC环境中，用户程序包可独立加载到设备上运行，软件可以不间断业务升级。Comware V7提供接口给用户，软件设计可以一定程度上访问底层硬件，对路由、MAC等硬件表项进行操作，或者设备的配置变更及相应状态监控等，同时还可以利用 Comware V7现有的特性来辅助实现用户业务，从而实现用户软件定义网络的真正需求。

2.4 基于OAA的自定义网络平台

早期，H3C提出了开放应用架构(Open Application Architecture)的网络模型，即在H3C的网络设备中提供具有计算能力的线卡，用户可以在其上开发自己的特殊应用，并通过H3C的OAA关联协议与网络进行数据交互。

基于SDN的架构思路，H3C演绎了更灵活的用户化网络设计，实现的OAA新的业务模式，可以方便用户灵活实现自定义的网络功能。在OAA基础上，提出了两种开放式的接口模型，如图9所示。

图9左图，显示了一种全松耦合的OAA架构。针对用户任意形态运行的网络业务，可能是在服务器上的计算业务(如流量监控分析、数据旁路挖掘)，也可 能是专用的业务设备(如防火墙、IPS、加密机、数据压缩机)，用户设备可以支持标准的OpenFlow协议，即可与H3C网络进行通信，在 OpenFlow协议中传输业务指令，对需要处理的网络流量进行镜像、牵引、封装、定向等操作，将清晰定义的数据流以合适的方式导引到用户的计算设备进行 自定义处理。这种方案的本质是，借助SDN的模型，将用户的数据处理设备运行为SDN Controller方式，而对特定业务流进行处理。

图9右图，显示了一种紧耦合的OAA架构，其中分两种模式：模式一，用户自设计提供高性能计算单元子卡，H3C提供OAA的线卡底板，两者以开放的 标准化电气接口连接器相连，用户计算单元与网络之间依然通过标准的OpenFlow方式进行网络流量的引流操作，而软件、硬件均由用户自身根据业务需求来 设计;模式二，H3C提供了整体的OAA线卡，用户基于H3C的硬件来开发自己的软件，在协议上仍然采用OpenFlow的方式进行特定数据处理。

图9 基于OAA的自定义网络平台

3 结束语

SDN是一个宽泛的网络体系架构，需要通过灵活开放的结构来实现用户需求，H3C的技术模式，是在不同的网络层面、不同的体系架构上均可提供用户需要的接口与业务环境，同时H3C本身也提供基于SDN的用户网络应用。