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5G的基本特点与关键技术之一:软件定义网络(SDN)
2020-02-26

基本概念

2006年,美国GENI项目资助了斯坦福大学Clean Slate课题,以Nick McKeown教授为首的课题组提出了Openflow的概念用于校园网络的创新实验,因为Openflow给网络带来可编程的特性,软件定义网络的概念应运而生。

软件定义网络的概念是:通过某种网络协议将网络设备的控制面与数据面分离 ,从而摆脱硬件对网络架构的限制 ,对网络流量进行灵活控制,实现网络作虚拟化和智能化 ,从而节省成本 ;因此,它也被看作一种新型的网络架构模式——由最底层的数据平面、中间层的控制平面、最上层的应用平面及辅助管理平面组成。

从技术实现层面,一是网络传输设备硬件呈现出简单化、归一化,与传统复杂的业务特性解耦后,设备的主体功能为转发与存储,传输效率明显提升,而简单通用的硬件架构平台可以轻易部署于整个核心网络,统一且便于管理、维护。二是网络自身具备了智能化,控制器中运行网络操作系统,可以实现网络协议的集中处理、传输带宽的统一调配、虚拟网络的动态配置,使网络在面对安全威胁、应急事件等情况时具备一定的自优化能力。三是网络对上的服务呈现虚拟标准化,控制器上层业务应用提供路由、安全、策略、流量工程等服务接口,新型应用的部署更加便捷、高效。

由于网络流量与具体应用衔接得更紧密,网络管理的主动权存在从传统运营系统向互联网系统转移的可能。

5G的基本特点与关键技术之一:软件定义网络(SDN)

核心和本质

与现有网络设备对流量的控制和转发独立性控制不同,软件定义网络的核心是将路由器和交换机中的控制平面分离出数据平面网络,网络设备采用通用的硬件平台,只负责单纯的数据转发;原来负责网络逻辑控制的功能被迁徙、提炼成一个独立的、相对集中的控制器上,衍生出特有的网络操作系统,具有整个网络的全局视野,相当于网络的指挥机构。通用的数据转发设备与控制器通过标准的接口进行数据流表的交互,通过控制器制定的流表进行匹配和转发数据。上层的网络服务与应用通过控制器提供的标准接口对底层的网络基础设施进行调用,从而把整个网络看做一个逻辑的或虚拟的网络实体,通过可编程方式对这个“实体”进行高效灵活的管控。

由上可知,软件定义网络的本质就是开放网络资源,通过软件调用实现网络应用;软件定义网络强调两方面的能力:

一是控制转发分离:传统网络设备紧耦合的网络架构,被分拆成控制和转发两个平面。同时,在控制平面,增加集中控制器进行整体调度,将命令和逻辑发送回硬件(路由器或交换机)的数据转发平面。

二是开放API及软件定义:即通过基于软件定义网络技术的对外开放的API进行软件编程,实现整个网络集中的管理能力,而不需要在每个路由器或交换机上分别以设备为中心进行管理。

四大特点

软件定义网络具有四大特点:

一是简单化,可以实现中心控制,使得很多复杂的协议处理得到简化;

二是快速部署与维护;

三是灵活扩展,从一个机柜大的网络还可以扩展到像大的运营商的网络,也可以从一个控制器得到控制;

四是开放性,因OpenFlow是其重要的组成部分,它的数据转发功能和网络控制功能是分离的,这种分离可以分别由交换机来处理和由网络控制器处理,从而简化了网络的管理,使用户有更多的选择自定义网络节省他的投资,使用户选择多家设备共存,打破垄断。用户根据自己的需求和需要在任何时候方便升级

安全优势

拥有了自由移动的软件定义网络后,工程师将能够通过快速且高水平地查看网络的所有区域以及修改网络来改变规则。

这种自由和控制还能为你的系统带来更好的安全性。通过快速限制以及从中央视角查看网络内部的能力,管理人员可以有效地作出更改。例如,如果网络中爆发了恶意软件,通过软件定义网络和OpenFlow,就能够迅速地从集中控制平面阻止这种流量来限制这种爆发,而不需要访问多个路由器或交换机。

快速对网络作出调整的能力使管理人员能够以更安全的方式来执行流量整形和数据包QoS.这种能力现在已经存在,但速度和效率不好,当管理人员在试图保护网络安全时,这将限制他们的能力。

实现途径

尽管围绕软件定义网络的所有兴奋点都是由OpenFlow刺激起来的,但OpenFlow并非实现软件定义网络的唯一方法或者唯一途径。实现软件定义网络,除了OpenFlow以外,至少还有6种途经。

命令行接口(CLI):CLI是交换机和路由器的常用接口,网络经理们常用它来配置交换机,激活或者禁用某些服务。

Arista网络的CEO Jayshree Ullal说,“要想开放,不只有一种方法。要想扩展,也不只一种方法。CLI虽然不是我们常用的可编程接口,但它依然是今天很多人构建现实网络的方法。”

SNMP:简单网络管理协议是网络管理的一个重要部分。在各项活跃的管理任务中,SNMP常被用来修正和应用新的配置,而且是通过远程修正配置信息实现的。

XMPP:可扩展的消息处理现场协议(XMPP)是处理现场和消息路由的一个XML流协议。它还可提供安全但是方便的可编程语言,用于耦合多种不同的网络。

Netconf:IETF的Netconf旨在减少与自动化设备配置有关的编程工作量。Netconf可使用XML来配置设备,实现更高效的分路状态,并在设备上存储配置数据。

OpenStack:OpenStack是Rackspace/NASA为云计算而建立的一个开源项目,这个模块化的开源软件可用域开发公有云和私有云计算架构和控制器。目前已有超过135家公司参与了OpenStack项目。

虚拟化软件API:hypervisor中的API和其他虚拟化软件,如VMware的vSphere,虚拟化服务器、存储和网络资源等都可以按需集中并分配给各种应用。它们包含可定义资源池的工具,以及定义服务等级的业务工具,并能自动强制执行服务等级,以确保应用的可用性、性能、安全和扩展性。

5G移动通信与软件定义网络

在5G时代,推动软件定义网络快速发展的主要驱动力来源于大数据中心和广域网(WAN)中的大数据流量需求;借助软件定义网络架构的实现,可以解决通信网络对业务灵活性和敏捷度的要求。

面对日益剧增并更新换代的5G通信数据业务,如果仅考虑不停地去更新硬件设备或相关基础设施,实现起来困难诸多;如果充分发挥软件定义网络架构的优势,即是充分挖掘软件起到的多种类网络控制作用,就能跟上5G时代数据业务大流量的剧增趋势,在网络部署加速和传输效率提升上起到好的作用,而且还能保证硬件建设成本不会大幅提升,并支持各种物联网设备的接入应用。

5G移动通信系统中采用软件定义网络的必要性主要体现在运营商层面。全球著名电信运营商AT&T的技术和运营高级执行副总裁 John Donovan 指出“软件定义的网络将彻底重构广域网络。开放网络操作系统((ONOS)作为聚焦运营商网络的软件定义网络开源软件平台,在运营商最关注的性能、扩展性、可靠性等方面,更好的匹配了我们的核心诉求。”

软件定义网络的思维在5G时代逐渐扩展到其它应用领域,出现了“软件定义存储”、“软件定义安全”、“软件定义数据中心”等许多说法;有人干脆说“软件定义一切”,也就是SDX。

为什么软件定义网络是5G关键技术

5G带来的不仅仅是更高的带宽和更低的延迟,其灵活、敏捷、可管理等特性,还将为运营商打造更多创新服务,以更好地应对OTT的冲击。而软件定义网络将是实现这一切的基础,其同时改变了传统的一个应用一个硬件的“烟囱”架构。

软件定义网络实现了控制层面和转发(数据)层面的解耦分离,使网络更开放,可以灵活支撑上层业务/应用。对运营商而言,软件定义网络实现了动态控制方面的诸多创新,包括分组数据连接、可变QoS、下行链路缓冲、在线计费、数据包转换和选择性链接等。而据了解,目前ONF的移动网络中工作组正在加快这些创新的落地。

越来越多的5G在架构基于软件定义网络理念构建,例如移动通信网NGMN设想的架构,借助硬件和软件分离,以及软件定义网络和网络功能虚拟化提供的可编程能力,全面覆盖5G的各个方面,包括设备、移动/固网基础设施、网络功能等,从而实现5G系统的自动化编排。

软件定义网络带来的敏捷特性可以更好地满足5G时代不同应用的不同需求,让每一个应用都有特定的带宽、延迟等。同时IT人员还能借助软件定义网络的可编程性,将网络成独立的、端到端的“切片”,包括无线、回程、核心和管理域。

有了软件定义网络架构的支撑,运营商真正实现了将网络作为一种服务并在连续提供服务的同时有效地管理网络资源。软件定义网络还将为运营商提供最佳数据传输路径,进一步优化运营商的网络。综合来看,基于软件定义网络构建的5G架构,将会进一步降低运营商的capex和opex,让运营商有更多的资金去实现服务的创新,将网络真正转化为价值收益。

当然,5G网络除了软件定义网络,其实还需要网络功能虚拟化和云计算技术的支撑,才能构建更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。例如,通过云支持多种无线制式的接入,并融合集中式和分布式两种无线接入网架构,以适应各种类型的回传链路,实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理;而借助网络功能虚拟化则可进一步降低运营商的投入成本(通过标准硬件),并实现更多功能。相比之下,软件定义网络提供的是更底层的支撑,但绝对关键!

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