SDN是近年來繼云計(jì)算后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最關(guān)注的熱點(diǎn)，被國(guó)際研究機(jī)構(gòu)Gartner列為未來五年內(nèi)IT領(lǐng)域十大關(guān)鍵技術(shù)之一。2012年，谷歌宣布已在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)上成功使用SDN技術(shù)，標(biāo)志著SDN進(jìn)入到商用化階段。據(jù)國(guó)際著名咨詢機(jī)構(gòu)IDC估計(jì)，2013年SDN的收入將達(dá)到3.6億美元，到2016年這一數(shù)值將上升至37億美元。谷歌的成功經(jīng)驗(yàn)，也使得數(shù)據(jù)中心成為業(yè)界各方推廣SDN技術(shù)的***場(chǎng)景。

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一、數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)及需求

近年來，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用及數(shù)據(jù)被集中到云數(shù)據(jù)中心處理。思科在其全球云計(jì)算產(chǎn)業(yè)分析與預(yù)測(cè)報(bào)告中指出：到2016年全球云計(jì)算服務(wù)流量將為2011年的12倍，平均每年復(fù)合增長(zhǎng)30%.全球近三分之二的總工作負(fù)荷將在云端處理，數(shù)據(jù)中心將成為大部分互聯(lián)網(wǎng)流量的源頭或終點(diǎn)。而在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的所有流量中，內(nèi)部流量占數(shù)據(jù)中心總流量的76%，主要是存儲(chǔ)和虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換等活動(dòng)。因此，未來的互聯(lián)網(wǎng)流量將以云計(jì)算數(shù)據(jù)中心為核心，未來的互聯(lián)網(wǎng)將是以云計(jì)算數(shù)據(jù)中心為核心的網(wǎng)絡(luò)。

在這一趨勢(shì)下，數(shù)據(jù)中心進(jìn)入了發(fā)展高峰。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示2012年，全球IDC整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到255.2億美元，增速為14.6%.其中主要拉動(dòng)力來源于IT企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和電信企業(yè)從自身業(yè)務(wù)支撐和拓展強(qiáng)烈需求。此外，預(yù)計(jì)2012-2016年大數(shù)據(jù)市場(chǎng)將出現(xiàn)迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)31.7%，2016年收入將達(dá)238億美元。大數(shù)據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展將會(huì)保證數(shù)據(jù)中心在未來幾年持續(xù)高速增長(zhǎng)。在中國(guó)，2005-2012年間，IDC市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)了6倍，年均增長(zhǎng)率超過30%，遠(yuǎn)超世界平均水平。預(yù)計(jì)到2015年，中國(guó)IDC服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模占全球市場(chǎng)的比例將由2012年的6.4%增至10%.

在整體市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心單站點(diǎn)規(guī)模也在急劇增長(zhǎng)。谷歌、微軟、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)公司新建的數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)都擁有上萬臺(tái)物理服務(wù)器。國(guó)內(nèi)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2012年被調(diào)查IDC服務(wù)商機(jī)房擁有服務(wù)器數(shù)量在5000臺(tái)以上所占比例與2011年沒有多大變化;被調(diào)查IDC服務(wù)商機(jī)房擁有服務(wù)器數(shù)量在1000-3000臺(tái)的所占比例下降到23%，說明這兩年行業(yè)進(jìn)行重組整合，較小的IDC服務(wù)商已經(jīng)被重組或者淘汰。

在這一形勢(shì)下，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來越難以滿足市場(chǎng)發(fā)展的需求。下圖是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)：

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，各業(yè)務(wù)之間相互獨(dú)立占用資源且沒有資源移動(dòng)性要求，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量基本以南北向?yàn)橹鳌Ｒ虼烁鳂I(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用物理方式隔離、自成一體、無法復(fù)用。這種方式構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性有限，只能縱向替換，而不能橫向添加擴(kuò)展。系統(tǒng)性能存在瓶頸，往往為了滿足1%峰值時(shí)刻的流量需求，導(dǎo)致99%的時(shí)間單點(diǎn)效率低于20%.為了解決資源利用率低的問題，產(chǎn)生了虛擬化技術(shù)。數(shù)據(jù)中心主要由三類資源構(gòu)成：計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)。以VMware、微軟為代表的IT廠商通過虛擬機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源的虛擬化。SAN技術(shù)的出現(xiàn)解決了存儲(chǔ)資源的虛擬化。目前，只有網(wǎng)絡(luò)資源尚未實(shí)現(xiàn)虛擬化，成為制約數(shù)據(jù)中心效率提升的瓶頸。

根據(jù)通信主體的不同，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以劃分為五層。不同主體間通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求也不相同。

根據(jù)上表可將當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的使用需求歸納如下：

1. 無阻塞網(wǎng)絡(luò)，并具備近似***的高擴(kuò)展性。
2. 能夠感知虛擬機(jī)，并支持虛機(jī)在單數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和多數(shù)據(jù)中心之間的漂移，并保證相關(guān)網(wǎng)絡(luò)策略隨之遷移。
3. 支持多業(yè)務(wù)、多租戶。能在同一物理網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自由構(gòu)建業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)并保證網(wǎng)絡(luò)安全性。
4. 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一運(yùn)維，高度自動(dòng)化、智能化管理。

這些使用需求是評(píng)判各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能否適用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

二、SDN技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

SDN(Software DefinedNetwork)即軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它起源于美國(guó)斯坦福大學(xué)。2008年，斯坦福大學(xué)教授Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM發(fā)表了題為openflow： EnablingInnovation in Campus Networks的論文。文中***詳細(xì)地介紹SDN的概念，即將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個(gè)功能模塊相分離，通過集中式的控制器(controller)以標(biāo)準(zhǔn)化的接口對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理和配置。這種架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)帶來的可編程的特性，使得網(wǎng)絡(luò)資源的設(shè)計(jì)、管理和使用提供更多的可能性，從而更容易推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的革新與發(fā)展。因此，控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、邏輯集中控制、開放網(wǎng)絡(luò)編程API被視為SDN區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的三個(gè)主要特征。正是這些特征使得SDN能夠良好的滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的使用需求：

(1)高擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)資源利用率：通過對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)表的集中管理，Controller能夠?qū)崟r(shí)控制網(wǎng)絡(luò)各鏈路中流量的大小和走向，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和網(wǎng)絡(luò)功能元件虛擬化管理。計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)全部實(shí)現(xiàn)虛擬化管控，使得網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展不再依賴于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從粗放的網(wǎng)絡(luò)模塊增加轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)顆粒度的資源池?cái)U(kuò)充，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和資源利用率都得以大幅提升。

(2)支持虛機(jī)遷移和統(tǒng)一運(yùn)維：由于Controller可以控制網(wǎng)絡(luò)中的流量流向，因此虛機(jī)遷移對(duì)其而言僅僅是修改下發(fā)到交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于SDN與VM服務(wù)管理器(VCenter)以及IDC網(wǎng)管平臺(tái)都采用集中式管理架構(gòu)，便于整合，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的統(tǒng)一管理。其中SDN Controller主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(包括駐留在服務(wù)器的vSwitch)的集中管理和控制;VM服務(wù)管理器主要用于實(shí)現(xiàn)VM的管理，包括了VM的創(chuàng)建、部署和遷移等;IDC管理平臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同和控制，完成VM服務(wù)管理器與SDN控制器的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。

(3)支持多業(yè)務(wù)、多租戶：SDN實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和流量可編程，因此可以很靈活的在固定物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多張相互獨(dú)立的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)(如下圖)，滿足多業(yè)務(wù)、多租戶需求。

除了能滿足數(shù)據(jù)中心的使用需求外，SDN還具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單：流量可控使得邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)脫離了必然聯(lián)系，提供了物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更多的選擇性，網(wǎng)絡(luò)配置也全部集中在Controller處。
2. 業(yè)務(wù)部署更快捷：業(yè)務(wù)定制的軟件化有利于新業(yè)務(wù)的測(cè)試和快速部署。
3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更通用：控制集中化和網(wǎng)絡(luò)可編程，促使硬件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化發(fā)展。提高設(shè)備利用率、降低設(shè)備投資。

總之，SDN將網(wǎng)絡(luò)的智能從硬件轉(zhuǎn)移到軟件，用戶不需要更新已有的硬件設(shè)備就可以為網(wǎng)絡(luò)增加新的功能。這樣做簡(jiǎn)化和整合了控制功能，讓網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備變得更可靠，還有助于降低設(shè)備購(gòu)買和運(yùn)營(yíng)成本。

三、SDN面臨的挑戰(zhàn)

雖然SDN具有上述優(yōu)點(diǎn)，但其仍處于發(fā)展的起步階段，還存在一系列尚待解決的問題。

(1)程序復(fù)雜度高、運(yùn)算壓力大

軟件的高靈活性往往意味著程序的高復(fù)雜度。SDN架構(gòu)下，系統(tǒng)需要同時(shí)維持多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，保證各應(yīng)用程序共享資源的同時(shí)彼此功能不相互影響。而從計(jì)算機(jī)程序的發(fā)展歷史來看，為了協(xié)調(diào)各程序的運(yùn)行，提高資源利用效率，往往會(huì)導(dǎo)致資源分配算法的復(fù)雜度和運(yùn)算量呈指數(shù)級(jí)上升，進(jìn)而存在成為系統(tǒng)瓶頸的可能。同時(shí)，Controller需要為每一條流制定優(yōu)化的路由策略，其運(yùn)算壓力之大可想而知，且這一壓力會(huì)隨控制網(wǎng)元數(shù)量的增加呈幾何級(jí)上升，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，如何在軟件復(fù)雜度和運(yùn)算效率之間取得平衡是SDN面臨的一大挑戰(zhàn)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程尚未完成

目前，ONF僅定義了Controller連接交換機(jī)的南向接口，而Controller之間的接口以及Controller開放給應(yīng)用程序的北向接口尚未被標(biāo)準(zhǔn)化。這無疑增加了各廠商設(shè)備間互通的難度。同時(shí)，由于SDN尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，且各參與方有著不同的利益和目的，其SDN解決方案之間也是千差萬別，市場(chǎng)上已經(jīng)呈現(xiàn)出一些廠商各行其是的現(xiàn)象，一定程度上延緩了SDN的商用化進(jìn)程。業(yè)界要做到統(tǒng)一SDN標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各廠家產(chǎn)品相互兼容，還需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程。

(3)產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善、性能存在瓶頸

產(chǎn)業(yè)的形成需要依靠整個(gè)生態(tài)圈的推動(dòng)。SDN采用全新的openflow協(xié)議，需要重新設(shè)計(jì)專用交換芯片。但由于目前依靠商用芯片的設(shè)備廠商在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)的份額僅有10%，90%的市場(chǎng)被思科、華為、Juniper這些有自主研發(fā)、生產(chǎn)芯片的能力的設(shè)備廠商所占。在產(chǎn)業(yè)前景不明朗的情況下，商用芯片廠商也很難有動(dòng)力去開發(fā)支持OpenFlow的芯片。專有芯片的缺乏導(dǎo)致目前大部分廠商的SDN設(shè)備性能較實(shí)際使用需要尚有一定差距。

雖然SDN存在的上述問題還需要不斷的發(fā)展與完善，但由于SDN的本質(zhì)特點(diǎn)符合了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需要，其誕生對(duì)于未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而言，是非常重要的。不論是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改變、簡(jiǎn)化還是對(duì)二、三層網(wǎng)絡(luò)的控制，都具有非常大的意義，徹底打破原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的理念。因此，SDN技術(shù)作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向已成為業(yè)界共識(shí)。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，SDN將被逐步應(yīng)用于構(gòu)建各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，用于提供高效的網(wǎng)絡(luò)管理，降低維護(hù)成本同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)效率。