软件定义网络架构和应用分析

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摘要：软件定义网络（SDN）是当前网络发展的方向之一，其目标是将网络控制与物理网络拓扑分离，从而创造一种从中央管理控制器向所有交换机和路由器发送流量的环境。该文主要探讨软件定义网络的基本架构，并就软件定义网络的应用方向作具体分析。

关键词：软件定义网络；架构；OpenFlow

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）13-3071-03

当前，网络已经成为支撑现代社会发展以及技术进步的重要基础设施，它深深地改变了人们的生产、生活和学习方式；然而，传统网络架构越来越不能满足用户的需求，网络创新复杂困难。近年来，逐渐兴起的软件定义网络（SDN） 正试图打破这种僵局，它最终可能将取代现在不灵活且以硬件为中心的高速高性能多核处理网络。一旦实现软件定义网络，网络设备将配备软件开发套件和开放API，从而实现全新的网络应用程序。

1 软件定义网络（SDN）的概念

软件定义网络，又称为可编程网络，就是将网络设备配置平面从嵌入式节点独立出来到软件平台、由软件驱动的中央控制节点自动化控制的网络架构。软件定义网络以开放软件模式替代传统的基于嵌入系统的、不够灵活的控制平面。软件定义网络是新的网络控制平面实现方法，它适应了降低网络复杂度、虚拟化和云计算的网络需求。它的发展对专有控制平面技术产生的破坏性创新，将对网络变革产生巨大影响。控制平面和转发平面分离，转发平面特性专注而简单，减少了设备硬件，降低了成本。

2 软件定义网络架构分析

2.1 SDN架构的特点

SDN 架构分为三层，包括应用层、控制层和基础设施层。SDN 控制层是基于软件的控制器，负责维护全局网络视图，并且向上层应用提供用于实现网络服务的可编程接口；应用层运行在控制层之上，通过控制层提供的全局网络视图，控制应用程序可以把整个网络定义成为一个逻辑的交换机，同时，利用控制器提供的应用编程接口，网络人员能够灵活地编写多种网络应用，如路由、多播、安全、接入控制等；基础设施层位于控制层之下，通过控制数据平面接口与控制层相连，主要提供网络设备硬件。

同时，SDN在进行路径选择时更为灵活，从而为互联网业务的部署及网络优化创造了有利条件。传统路由协议能在一定程度上实现网络流量的负载均衡，因为这类路由协议在选择网络路径时，总是会尽量选择比较空闲的链路而避开拥堵的链路。这类协议的好处是能提高链路的利用率，其缺点是不易对互联网业务进行优先级管理。而SDN可以通过为业务流指派链路来方便地实现不同业务的优先级管理。

2.2 OpenFlow架构分析

这种控制和转发分离的架构对于L2交换设备而言，意味着MAC地址的学习由控制机来实现，V-LAN和基本的L3路由配置也由控制机下发给交换机。对于L3设备，各类IGP/EGP路由运行在控制机之上，控制机根据需要下发给相应的路由器。流表的下发可以是主动的，也可以是被动的，主动模式下，控制机将自己收集的流表信息主动下发给网络设备，随后网络设备可以直接根据流表进行转发；被动模式是指网络设备收到一个报文没有匹配的流查找表记录时，将该报文转发给控制机，由后者进行决策该如何转发，并下发相应的流表。被动模式的好处是网络设备无需维护全部的流表，只有当实际的流量产生时才向控制机获取流表记录并存储，当老化定时器超时后可以删除相应的流表，故可以大大节省空间。当一个控制机同时控制多个交换机/路由器设备时，它们看起来就像一个大的逻辑交换机，各个交换机/路由器硬件就如同这个逻辑网络设备的远程线卡。

3 软件定义网络应用分析

SDN 能够应用于多种网络环境，包括数据中心、企业网络、云计算等。

首先，在云计算时代，在数据中心网络环境中使用SDN，实现高弹性数据中心、优化物理资源利用率，让用户能整合各种计算、存储和网络资源，在数据中心内部，利用SDN 的优势，可以有效地进行数据中心的路径优化和负载均衡，提高数据中心资源利用率以及降低数据中心的能量消耗。另一方面，在多个数据中心之间利用SDN 网络虚拟化技术以及逻辑上集中式的控制技术，可以轻松地实现应用到虚拟专用网（VPN）的映射以及虚拟机的迁移，快速建立和运营虚拟数据中心。

其次，软件定义网络能简化大型企业网络的管理。在企业网络中利用SDN 技术，能够极大地减轻网络管理的复杂度，企业网络管理人员只需要通过定义整网的管理策略就能够直接对企业网络进行控制，而不需要进行逐个设备的配置，提高了企业网络的可靠性。

最后，软件定义网络能大大促进云计算的发展，因为软件定义网络技术大大简化了虚拟环境的资源分配。基于控制器的负载均衡应用程序能够利用控制器中关于各个网络设备的大量容量信息，自动地在虚拟机之间迁移工作负载。基于控制器的应用程序与部署在虚拟机上的虚拟网络服务设备很相似，但是与使用物理设备的常规模型相比，它们具有更高的可扩展性、灵活性、效率和可管理性。

4 结论

通过控制与转发的分离，软件定义网络能够降低网络管控的复杂度，提高网络的可靠性及安全性，提供多种粒度的网络控制。未来网络将越来越依赖于软件，软件定义网络这种新颖的、动态的网络架构将得到更广泛的应用，进而促进网络技术的不断创新应用。

参考文献：

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