5G網路變革的推手——SDN的前世今生

雷鋒網按：本文來自英特爾中國研究院。

自從被MIT Review評選為2009年的10大科技進展以來，SDN一直保持著相當的熱度。從字面上看，SDN是

軟體定義網路

（software defined networking）的縮寫，其本質是通過網路設備控制面和轉發面的分離實現網路流量的靈活控制。那麼“軟體”又是如何定義“網路”的呢，對“5G網路”又有什麼影響呢？今天，我們就來聊一聊SDN那些事兒。

SDN的起源：分散式還是集中式？

談到SDN，業內人士必然會提及“

轉發、控制分離

”。實際上，SDN的本質一語便可道破：SDN沒有另起爐灶，只是重構了傳統網路而已。

從互聯網的鼻祖APRANET開始，傳統網路就採用了分散式架構，通過一系列網路通訊協定傳遞可達資訊。一傳十，十傳百，從而實現互聯互通。這種結構最顯著特點就是轉發、控制合二為一：各節點決定自己的轉發規則；一旦有節點損壞或有新的節點加入，各節點通過網路通訊協定重新學習、收斂，再次實現互通。

ARP：位址解析通訊協定，通過IP位址獲取主機MAC位址

OSPF：開放式最短路徑優先，用於一個自治域內的一種基於鏈路狀態的路由式通訊協定

RIP：路由資訊通訊協定，用於一個自治域內的一種基於距離向量的路由式通訊協定

BGP：邊界閘道協議，用於不同自治域間交換路由資訊

傳統網路

這種“各自為政”的方式看似不錯，既能抵禦部分節點失效的風險，又具有一定的可擴展性。但是，隨著互聯網的飛速發展，尤其是雲計算、大資料等新興技術的出現，傳統網路的瓶頸也逐漸顯現，比如：每個節點自主決定轉發規則，缺乏整體觀念；制定新的網路通訊協定耗時過長等。

為應對上述問題，一些公司從上世紀90年開始嘗試將轉發和控制進行分離。SDN一詞的創立和風靡則歸功於斯坦福大學的Nick McKeown教授，其推動的OpenFlow幾乎已成為實際的南向介面標準。

SDN的網路架構分為三層，從下至上分別是轉發面，控制面和應用層。控制面向下的介面為南向介面，負責配置、修改轉發規則，其主流標準就是前文提及的OpenFlow。控制面向上為北向介面，為網路應用提供API，實現網路的定制化，目前尚沒有開放的標準化介面。

SDN網路

SDN的現狀：精耕細作還是遍地開花？

自從ONF （Open Networking Foundation，主要推進SDN和OpenFlow的標準化）于2011年成立以來，SDN基本上朝著兩個維度發展：一個維度是SDN關鍵元件，包括轉發面、控制面和南向介面的演進；另一個則是向其它應用領域的延伸。

轉發面

由於是對傳統網路的重構，轉發面的最初形態自然與傳統網路設備類似。隨著資料中心和網路虛擬化的興起，軟體作為一種新的轉發面開始出現，代表之一是開源社區的Open vSwitch。值得一提的是，與DPDK（由英特爾聯合協力廠商軟體發展公司推出的一款資料面開發套件）結合之後，Open vSwitch在某些應用場合展示了優異的線性☆禁☆交換能力，逼近硬體的性能，而軟體在可重配可擴展方面的潛力卻是硬體無法比肩的，具有非常廣闊的應用前景。

控制面

作為SDN的中樞大腦，控制面根據網路運營商定義的策略配置網路拓撲和轉發規則。比較著名的控制器有OpenDayLight（目前成熟度最高的開源平臺）和ONOS（面向運營商領域，在集群、可靠性和性能方面做了增強）。

南向介面

南向介面的發展基本上呈現OpenFlow一枝獨秀的局面。OpenFlow以流表作為配置物件，流表定義了對報文的基本處理，包括匹配（match）、計數（counter）和操作（action）等。高度抽象和易於實現是OpenFlow取得成功的關鍵 。 

應用領域延展

在資料中心取得成功後，SDN開始被應用到其它領域。被5G網路架構採用是SDN發展史上的又一重要里程碑（雖然3GPP將會定義新的南向介面）。在4G/LTE設計之初，由於業務不豐富以及使用者的資料需求不高，分組核心網被設計成以下架構。從接入網湧入的資料統一匯入服務閘道（S-GW）和分組資料閘道（P-GW）。

4G/LTE網路架構

隨著VR/AR，無人駕駛，無人機集群等新應用和新服務不斷湧現，使用者對資料獲取不僅在量（即頻寬）上要求更高，在質（即時延）上也提出了明確的要求。LTE的這種架構已經明顯阻礙了新應用和新服務被採用。為了應對這些挑戰，3GPP遵循SDN“轉發、控制分離”這一基本原則，在設計5G網路架構時做出重大改變：資料面下沉+控制面集中。

5G網路架構

在LTE時代，分組核心閘道的數量屈指可數，而5G則會大量採用分散式閘道（即上圖中的UPF）。我們在軟體交換機Open vSwitch的基礎上，增加了無線分組資料（主要是GTP-U隧道）的封裝、解封裝、轉發以及其它閘道功能，完成了

業界第一台支援5G分散式閘道的SDN軟體交換機

，有望在流量匯出與分流，移動邊緣計算，高可靠、低時延通信等業務中得到廣泛應用。

SDN的未來：演進還是重生？

“

轉發、控制分離”這一金科玉律很難撼動，但在SDN的關鍵元件方面，變革似乎難以避免。以南向介面OpenFlow為例，1.0版本僅有12個匹配域，而最新的1.4版激增到41個。隨著新協議的加入，如果只做補丁式演進，這一數字必定還會持續增加。

在轉發方面，以前文提到的支持5G分散式閘道的SDN軟體交換機為例，為支援對無線分組資料的處理，我們曾對Open vSwitch進行修改，涉及到20多個檔，共計300多處。功能升級所需付出的代價不小。

作為SDN的演進方向之一，P4（Programming Protocol-Independent Packet Processors）在2016年ACM SIGCOMM成為了熱點之一，多篇關於硬體交換晶片，FPGA交換設備，軟體交換機的文章與之有關。P4帶給我們的變化是：不再拘泥於MAC/IP/TCP(UDP)，可以按需自行定義報文封裝格式，利用編譯器自動生成硬體或者軟體轉發面。

SDN是繼續1.x，還是直接跨入2.0？是演進還是重生？讓我們拭目以待。