SDN网络构架及发展历史

SDN的特点之一就是控制平面与数据平面分离，其主张通过集中式的控制器平台实现网络的控制。在SDN架构中，控制平面是逻辑集中的，通过某种协议将控制信息下发至底层的数据平面去执行。所以，控制平面被称为SDN的大脑，指挥整个数据网络的运行。

得益于集中控制的优势，控制平面的存在使得网络的部署和配置更加智能和简化。支持编程的SDN控制平面使得网络更加智能，更加灵活和易于拓展。控制器通过SDN的南向协议的API可以对数据层面的网元设备下发指令，完成控制平面与数据平面的控制传输。目前，在SDN领域中，OpenFlow协议是最流行的南向协议之一。2008年，SDN和OpenFlow一起诞生于斯坦福大学。

SDN出现初期，控制平面的表现形式更多的是以单实例的控制器出现。实现SDN的协议也是以OpenFlow为主，所以在SDN发展初期，SDN控制器更多指的是OpenFlow控制器。SDN出现之后，ONF[1]成立。ONF(Open Network Foundation),中文名为“开放网络基金会” ，是致力于推进SDN标准化的一个用户驱动的组织。在ONF的白皮书中，提出了SDN的架构标准，SDN架构1.0版本和1.1版本分别如图1和 图2所示。

 

 

图1 SDN网络架构1.0版本

 

 

图2 SDN网络架构1.1版本

第一款SDN控制器是NOX，目前NOX的社区状态已经不再活跃。在早期的SDN论文中，NOX作为唯一的控制器，发挥了重要的作用。NOX给后来的控制器开发提供了很好的范例，高层级的编程架构。然而，由于其使用C语言编写，给开发SDN应用带来了许多困难，逐渐在控制器竞争中失去优势。在NOX出现不久之后，其兄弟版本POX面世。POX的内部机制和NOX一样，但是采用Python语言开发。在SDN发展初期，POX也扮演了相当重要的角色，许多SDN学习者都接触过POX。POX因其简单，易入门而得到广泛的关注和使用，成为SDN入门，学习SDN控制器的很好选择。然而，随着技术的发展，更多优秀的控制器，如2012年采用Python语言开发的控制器代表Ryu，2013年采用Java语言开发的控制器代表FloodLight等纷纷涌现。他们具有更加成熟的架构，更加优秀的性能，相比之下，POX不具有优势，慢慢在控制器的竞争中处于下风。目前POX的开源社区还是活跃状态，由Murphy McCauley继续运营社区。

Ryu是日本NTT公司开发的模块化的控制器。Ryu因其架构清晰，支持OpenFlow全部版本，有社区的Plug-in集成到OpenStack，性能良好和文档齐全等优点获得了许多SDN研究者的关注。同样，在Beacon上改进而来的FloodLight，以其企业级别的优秀性能，开发效率更高的Java语言，模块化的设计等优点得到了喜欢Java语言的SDN研究者的青睐。此时的SDN控制器侧重于提升单例性能，支持的南向协议也是以OpenFlow为主。笔者认为可以称之为OpenFlow式SDN的控制器发展中期。然而这个时期非常短。

SDN经过几年的发展，成为趋势的势头逐渐浮出水面。SDN控制器的发展也因一个重要的SDN“控制器”而展开新的篇章。2013年，由Linux Foundation和多家网络巨头如Cisco、Juniper和Broadcom等公司一起创立的开源项目OpenDaylight。其赞助商、发起者多为设备厂商而非运营商等消费者，其目的在于推出一个通用的SDN控制平台。OpenDaylight不仅仅是一个SDN控制器，它更是一个庞大的开源项目，其中包含许多子项目，而Controller只是其中的一个子项目。OpenDaylight支持多种南向协议，包括OpenFlow(支持1.0和1.3版本）、Netconf和OVSDB等，是一个广义的SDN控制平台，而不是OpenFlow系的狭义SDN控制器。

OpenDaylight的诞生意味着SDN进入一个崭新的时期。此时SDN的概念发生了改变。SDN控制器应支持多南向协议，而不仅仅局限于OpenFlow，当然这给我们带来了很多想象空间，会被巨头引导走向不够开放的另一端吗？SDN控制器应该支持分布式集群，即单实例的控制器变成了分布式的控制平台。分布式的控制平台不仅可以管理更大的网络，性能更好，还可以相互容灾备份，提升系统的可靠性。在分布式系统盛行的今天，SDN控制器虽逻辑集中但也需要架构上分布。

OpenDaylight的社区的会员很多，早期的会员多为设备商。各个厂商均竭尽所能得把自己的思想，产品放到OpenDaylight项目中，如Cisco的OpFlex。虽然多家厂商参与社区的维护和OpenDaylight的开发，但是大多数项目还是Cisco在主导开发。在角力的过程中，有的企业就会有其他的打算，如Big Switch Networks推出OpenDaylight, Juniper将经历转向了自己的Open Contrial。 OpenContrial是Juniper的商业控制器Contrial的开源版本，其使用C++语言编写，支持OpenFlow协议和Netconf等南向协议。不过相比之下也有跟进的企业，如HP，就增加了对OpenDaylight的投入，将自己升级到了铂金会员。Huawei则兵分多路，一部分人开发OpenDaylight，另一部分人则参与了新生代的控制平台ONOS的开发，还有其他很大一部分人在进行华为敏捷智能网络控制器SNC的开发。虽然OpenDaylight社区势力众多，各自想法也不一样，但是这并不影响OpenDaylight的性能和在SDN研究者心目中的地位，OpenDaylight依然凭借自己社区强大的技术，在SDN控制器的竞争中成为最具有影响力的控制器之一。许多企业在自己的产品中或者网络中使用到了OpenDaylight, 比如Brocade一直推基于OpenDaylight的商业控制器Vyatta。腾讯也在最新的技术分享中提到使用了OpenDaylight管理自己的数据中心网络。

从2013年底到2014年底这段时间内，OpenDaylight可谓风光无限，提到SDN几乎都会提到OpenDaylight，仿佛OpenDaylight就是SDN控制器的最终形态和最终归属。这一局面，在2014年12月5日被打破了。由On.Lab开发的ONOS面世了。ONOS(Open Network Operating System)是一款同样采用Java语言编写，采用OSGi架构，同样分布式的控制平台产品。其目标是打造一个开放的SDN网络操作系统，市场定位在运行商级别网络市场。ONOS底层模块直接借用FloodLight优秀的模块如Switch模块，不使用YANG语言建模，最新版本使用Raft作为分布式框架。突然之间，OpenDaylight遇到了竞争对手。虽然截至2015年之前，并没有使用ONOS的案例，但是在未来，凭借自身的优秀性能，ONOS可以取得一部分市场。

SDN开源控制器除了这些比较出名的之外，也有其他用户比较少的控制器，如Trame,FlowER, LOOM等。笔者参考SDxCentral最新的SDN控制器的数据，将目前SDN开源控制器是否活跃情况列举如下表，先后顺序无关。

 

 

然而目前最神秘，最出名的控制应该不是以上提到的任何一个控制器，而是Google的分布式控制器ONIX，ONIX目前没有开源，相关资料非常少。目前由Nicira、NTT和Google共同开发。2013年，Google在SIGCOMM上发表了论文《B4: Experience with a Globally-Deployed Software Defined WAN》[3]，论文介绍了Google的WAN加速SDN方案，其中使用的控制器就是ONIX。论文发布时，B4已经运行了3年，除了发生过Datapath_id相同导致的错误以外，基本正常运行。该方案将带宽利用率提升到了接近100%的恐怖利用率。也即2010年Google已经开发出了整套方案，然后上线运行，很明显，Google和整个技术发展不在一个时期，这个案例也是SDN支持者心中的最有力的论据。

除了ONIX之外，还有许多闭源的商业控制器，如HP的VAN(Virtual Applications Networks)控制器，武汉绿网的GNflush等，更多商业控制器的内容可参考SDxCentral的SDN-Controller-Report 2015B[4]。

影响SDN控制器发展的因素除了技术因素以外，还有重要的非技术因素，如行业企业对技术的态度等。企业在制定SDN战略时都是从自身的利益出发的，这些战略很大程度上影响着SDN的发展。在一项技术的发展过程中，行业巨头等企业的战略等非技术因素会对技术的发展曲线，发展方向产生非常大的影响。

自SDN发展以来，业界声音不一。支持者声称这将改变传统网络，打破目前固化的网络架构，带来更灵活，更智能的网络；而反对者则认为这并没有良好的发展前途，因为分布式的优点足以支撑目前的网络运行，而SDN所提倡的集中式虽有优点，但劣势多于优势。这些声音代表了不同利益阵营，所以处于不同利益阵营的企业对SDN的态度也不一而足。如传统巨头Cisco，态度就很微妙。对于Cisco而言，如果不支持SDN，那么万一SDN真成为下一个潮流，那么市场损失过大，影响行业地位。如果完全支持，那么在SDN这个崭新的战场，市场重新布局，门槛降低，更多竞争者进入，且追赶者Huawei等企业也会趁机大力发展SDN，最终SDN格局还无法明朗。所以Cisco一方面投入研发精力研究SDN，另一方面，剑走偏锋，推出自己的ACI（Application Centric Infrustructure），企图另辟蹊径占领SDN市场。ACI也是一种广义上的SDN。其控制器为APIC( Application Policy Infrastructure Controller)，但他区别于我们所理解的之前提到的控制器，他并不负责指挥数据层面如何转发流量，所以在ACI中，底层设备Nexus9000才是重点，而非控制器。其使用的南向协议也避开了OpenFlow，而使用了私有协议OpFlex。如此一来，成功避开了SDN白牌交换机的冲击，成功将战场引到了拥有技术壁垒的数据层面产品上。

对于传统网络行业巨头而言，目前稳定市场布局对自己有利，自然不希望新技术打破这一平衡，所以他们对于SDN的态度往往是不够积极。但是为了防止新技术的冲击，他们一定会跟进，也一定会想办法推出兼容产品或者竞争产品，力图在新技术市场上占据有利地位。除了投入研发精力跟进外，还会对有希望的创业公司进行技术收购。若创业公司成长壮大，那么收购是成功的，如果创业公司失败，那也没有太大关系，这笔投资对于巨头而言并不是大事。技术收购的策略在技术发展过程经常被使用，所以近些年关于SDN创业公司被收购的新闻屡见不鲜，相信在SDN发展的道路上，技术收购还会继续发生。

对于第二阵营或者新技术公司而言，必然大力支持SDN的发展。如Huawei大力投入研发精力研发SDN相关产品。不仅在开源项目方面参与OpenDaylight项目，还参与ONOS项目，一方面，跟进OpenDaylight项目不落后，另一方面，企图通过ONOS项目来争取更多的市场。此外，Huawei也大力发展SNC控制器等SDN产品。和Huawei类似的，HP也在投入精力发展SDN，不仅推出了自己的SDN控制器产品，也推出了SDN交换机等数据平面产品。新技术公司方面，国内的盛科，国外的PICA8等交换机厂家已经抓住SDN发展的机会，推出了许多数据平面产品，占据了一定的SDN市场。配套的数据平面产品的推出必将推动SDN控制平面的发展及落地。

SDN的发展也给更多的其他领域的竞争者入足的机会，虚拟化产品巨头VMware就是一个很好的例子。瞄准SDN的市场之后，VMware收购了创业公司Nicira，在其Network Virtualization Platform (NVP) 的基础之上，结合自己的vCloud Networking and Security (vCNS) 推出了NSX，从而占据了数据中心网络虚拟化的一部分市场，加入了SDN市场的竞争。新的SDN产品的推出，也给业界推动SDN发展的信心，从而促进SDN控制平面的发展。

笔者认为，随着技术的发展，网络规模的扩大，SDN控制器将出现分级分域的概念，多控制器之间将出现协同工作的功能。即管理不同网络的控制器运行对应的应用，而不同控制器之间通过东西向接口进行信息同步，从而完成全网的管理。目前在OpenDaylight中实现的SDNi协议即是一种SDN东西向协议的实现方法。未来的SDN控制平面应该是局域集群，全局分级的架构。此外，未来的SDN控制平台会成为网络操作系统形式的存在，目前ONOS就是网络操作系统的示范。除此之外，SDN控制平台将和OpenStack等云管理平台整合运作，这也是当下控制器的一个趋势之一。虽然开发者可以在SDN控制平面上开发部署很多应用，但是未来的SDN控制器将面对特定的网络运行特定的应用，而不会运行全部的应用，甚至于根据不同场景，出现不同的版本的控制平台。

SDN控制器的竞争最终会优胜劣汰，剩下几款经典的控制器分别占领不同的市场，正如当下的计算机操作系统一般。即不会有任何一款控制器垄断整个市场，不同的控制器将会相互竞争相互促进。此外，短期之内OpenFlow不会失去竞争力，但最终同样会存在多种南向协议相互竞争，竞争是常态，是技术发展的源泉。