SDN在广域网中的应用探讨
发布时间：2017-05-04 08:21:54 热度：2147
5/4/2017，长期以来，广域网所提供的服务一直存在业务提供周期比较长和业务动态调整不灵活等问题，这不仅严重影响了用户的业务应用体验，还制约了运营商的业务快速发展。特别是在业务流量快速增加，对广域网业务需求动态变化频繁的移动互联网时代，这个问题更加突出。
互联网中遇到的问题
随着互联网尤其是移动互联网的快速发展，基于互联网以及移动互联网的业务应用和用户规模呈现出爆发式增长趋势，互联网行业呈现以下趋势：业务应用移动化，平台云化，视频业务暴增，ＯＴＴ业务应用迅速蔓延等。
各个企业业务数字化成为趋势，企业IT系统逐步向云中迁移，企业移动办公普及；ICT服务提供商纷纷构建云数据中心为各大企业提供各种云计算业务服务，云数据中心的链路接入更加需要广覆盖、高带宽、低时延、高质量、敏捷的广域网支撑。
公有云、私有云和混合云的云接入以及云间互连的带宽需求频繁变化，需要广域网业务更敏捷。基于云的各种移动业务应用、大数据尤其是近来快速发展的物联网业务，这些业务的流量模式变化快速，事前无法预测，网络流量不均衡更加严重，需要广域网运营更敏捷。各行业的云应用快速创新和迅速上线，传统的人工配置模式根本无法满足云应用的敏捷创新和上线速度，需要广域网开放API，按需开发运营。
这些行业应用趋势对广域网的架构、带宽、性能以及运营提出了更高要求，为适应云时代互联网业务新趋势对广域网的业务模式和运营模式转型的新需求，在广域网中引入SDN成为当下优化广域网的重要手段。
SDN的特点及架构
作为当下全新的网络架构技术SDN带来的本质是控制和转发分离，控制和管理的集中化、智能化,其主要特征如下：
1.转发与控制分离
转发与控制分离，软件与硬件分离，由分布式控制变为多个控制器的相对集中控制，各层之间采用开放的标准接口，采用通用的硬件，硬件只完成必要的转发。
2.网络智能化和管理集中化
路由计算、业务之间逻辑、数据转发等实现集中的管理和调度。实施控制策略软件化，有利于网络的智能化、自动化和硬件的标准化。
3.网络可编程
网络逐步具备开放可编程能力，可实现自动化管理，网络更加的灵活，具有灵活的扩张性。
4.业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。
5.与NFV技术相对独立又相互协同，将虚拟网络功能作为业务能力进行调用和开放。
业界广泛认同的SDN架构
该模型架构分为3层．其中基础设施层主要由支持0penFlow协议的SDN交换机组成。控制层主要包含0penFlow控制器及网络操作系统(network operation system，NOS)。控制器是一个平台，该平台向下可以直接与使用OpenFlow协议的交换机进行会话；向上，为应用层软件提供开放接口，用于应用程序检测网络状态、下发控制策略。位于顶层的应用层由众多应用软件构成，这些软件能够根据控制器提供的网络信息执行特定控制算法。并将结果通过控制器转化为流量控制命令，下发到基础设施层的实际设备中。
影响SDN技术在广域网中部署的难题
1.集中控制的安全问题
作为SDN网络核心的控制器将成为攻击的重点，需要解决SDN控制器的防攻击、冗余备份等问题。转发设备被多个控制器控制的场景下，可能面临控制器假冒，转发设备资源非法滥用等风险。
2.控制器和转发面的性能问题
Openflow协议需专用化的芯片支撑，通用化的芯片性能差，定制芯片成本高，实际当用SDN技术应用困难。
3.端到端控制的协同问题
东西向接口尚未开始标准化，夸厂商控制器通用是难题，当前的协同编排层，仅解决业务策略下发，端到端的拓扑发现和路径计算难以实现。
SDN在广域网中应用场景分析
首先，在广域网多条链路之间可实现流量均衡调度[b]
在广域网上，由于用户的分布不均、各业务并发特性不同等原因，经常存在流量不均衡现象，广域网链路目的端通常是城域网或者是云IDC，其用户规模及业务数量存在巨大的差异，几条链路上容易出现流量不均衡情况，严重时部分链路接近拥塞而其余的链路还处于轻载状况，这种情况经常发生在传输网的一级干线、二级干线以及云IDC之间的互联链路上。
链路流量不均衡的情况涉及路由问题、具体业务应用层以及链路的质量等诸多复杂的问题，同时，在云计算、大数据、移动互联网快速普及应用时代，流量的瞬间动态变化极快，要进行人工干预是不可行的，因此一直是困扰运营商建设运维技术人员的难题。
在广域网上引入SDN智能化管理器，利用 SDN 智能化全局管控的能力实时收集广域网中各条链路的状态信息，来监控网络状态，计算链路的利用率及带宽使用情况，动态的从交换机、路由器中获取网络状态，为数据包计算出最优的、无碰撞的路径，并动态的调整路由以避免网络拥塞，从而实现广域网传输链路流量的负载均衡。同时还可以利用 SDN 智能化管理，动态地改变带宽，加速广域网链路数据的传输。
[b]其次，利用SDN可优化广域网链路利用率
目前，根据通信端到端的网络峰值预测路径和通道网络带宽。交换机、路由器的容量静态固定，根据路由器上行链路失效来重组路由，路径选择会出现重复，资源出现竞争，导致重试和再次失效。网络利用率通常小于 30%。
利用SDN改进后，具备网络需求和网络组织的全局视图，可对所有流量计算出最佳最明确的路径，确定数据包的网络行为，从而减少保护性带宽的需要，一旦出现故障，可根据错误导向，改变到另一张预先计算好的网络路径。更高的网络利用率和更快的网络收敛，只需少量的资源即可获得更高的网络质量，网络利用率可稳定在70% 以上。
在骨干网中有诸多的业务需要按需动态地提供网络能力，如云数据中心之间平时估计需要的带宽不要太大就能支撑日常的业务运行，但是当有如虚拟机迁移，存储数据复制等业务时就需要很大带宽才能满足业务需要，两个IDC之间就需要随时间动态调整之间的网络流量带宽。
传统模式是根据IDC之间端到端流量的峰值，来设计固定速率的网络带宽，从而导致了严重低下的带宽利用率；而引入SDN后，通过在网格交汇节点中加入基于OpenFlow的交换机，云服务平台根据需求，通过SDN的控制层，随时随地对网络流量带宽容量进行重新分配，从而保证网络带宽的性能。相对于传统预留空间方式，新模式为关键的通信事务节省约65%左右的容量。
在广域网中可实现多层次的网络管理，采用 SDN 前，IP 网络与传输网络分离，网络需通过不同的工具和不同的技术组合进行管理。采用 SDN 后，以统一集中、最优化为驱动力对流量进行控制，使得流量在网络上流转总是恰到好处；网络传输变为动态，主要通过 IP 进行交互；对与网络流量的优化，SDN 会有选择性地切入，通过重新配合和连接新网络端口来增加带宽，提升性能，减少传统网络割接带来的影响。
最后，利用SDN可有效提升广域网的服务质量
目前广域网的服务内容、应用系统、服务层与网络紧耦合，移动网、WiFi网络、固定宽带等不同领域的网络紧耦合，资源利用率低或性能差。
利用SDN改进后，控制层具有全局的网络组织视图，并可把该信息提供给应用服务层，同时可在用户端与IDC 及具体服务器之间，选择最佳链路。只需少量的资源即可获得更高的服务质量，聚合多种技术来提供服务，优化了如 QoS 、能耗、利用率等多个方面的性能。
在感知网络中服务器负载均衡这中应用场景，目前，服务器负载均衡方式是从服务器集群中，根据服务器的可用性和当前资源利用率，选择服务器分担负载，而不考虑网络因素，这样会导致所选服务器是空闲的，但网络路径拥塞。 使用 SDN 后，可以通过感知网络负载的应用以及 SDN 控制器， 选择一条拥有足够容量的网络路径，从而实现端到端的负载均衡，该场景特别适用于对时延敏感的业务，使其获得更好的业务响应时间，有效提升用户的业务体验。
现阶段，在广域网中全面部署SDN还不太现实，SDN标准尚未统一，针对广域网的需求缺乏体系化标准化，可使用的主流厂家解决方案差异性大，私有协议多，跨厂家互通难度大，现阶段只能结合特定的需求选择特定的厂商SDN控制器，随着SDN技术的不断完善，在广域网中引入SDN技术应用将会全面展开，广域网的性能必定会得到很好的优化，会更好的为当下快速发展的云计算、大数据、物联网等业务应用提供更加良好的服务。
作者系 陕西联通 席晓
互联网中遇到的问题
随着互联网尤其是移动互联网的快速发展，基于互联网以及移动互联网的业务应用和用户规模呈现出爆发式增长趋势，互联网行业呈现以下趋势：业务应用移动化，平台云化，视频业务暴增，ＯＴＴ业务应用迅速蔓延等。
各个企业业务数字化成为趋势，企业IT系统逐步向云中迁移，企业移动办公普及；ICT服务提供商纷纷构建云数据中心为各大企业提供各种云计算业务服务，云数据中心的链路接入更加需要广覆盖、高带宽、低时延、高质量、敏捷的广域网支撑。
公有云、私有云和混合云的云接入以及云间互连的带宽需求频繁变化，需要广域网业务更敏捷。基于云的各种移动业务应用、大数据尤其是近来快速发展的物联网业务，这些业务的流量模式变化快速，事前无法预测，网络流量不均衡更加严重，需要广域网运营更敏捷。各行业的云应用快速创新和迅速上线，传统的人工配置模式根本无法满足云应用的敏捷创新和上线速度，需要广域网开放API，按需开发运营。
这些行业应用趋势对广域网的架构、带宽、性能以及运营提出了更高要求，为适应云时代互联网业务新趋势对广域网的业务模式和运营模式转型的新需求，在广域网中引入SDN成为当下优化广域网的重要手段。
SDN的特点及架构
作为当下全新的网络架构技术SDN带来的本质是控制和转发分离，控制和管理的集中化、智能化,其主要特征如下：
1.转发与控制分离
转发与控制分离，软件与硬件分离，由分布式控制变为多个控制器的相对集中控制，各层之间采用开放的标准接口，采用通用的硬件，硬件只完成必要的转发。
2.网络智能化和管理集中化
路由计算、业务之间逻辑、数据转发等实现集中的管理和调度。实施控制策略软件化，有利于网络的智能化、自动化和硬件的标准化。
3.网络可编程
网络逐步具备开放可编程能力，可实现自动化管理，网络更加的灵活，具有灵活的扩张性。
4.业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。
5.与NFV技术相对独立又相互协同，将虚拟网络功能作为业务能力进行调用和开放。
业界广泛认同的SDN架构
该模型架构分为3层．其中基础设施层主要由支持0penFlow协议的SDN交换机组成。控制层主要包含0penFlow控制器及网络操作系统(network operation system，NOS)。控制器是一个平台，该平台向下可以直接与使用OpenFlow协议的交换机进行会话；向上，为应用层软件提供开放接口，用于应用程序检测网络状态、下发控制策略。位于顶层的应用层由众多应用软件构成，这些软件能够根据控制器提供的网络信息执行特定控制算法。并将结果通过控制器转化为流量控制命令，下发到基础设施层的实际设备中。
影响SDN技术在广域网中部署的难题
1.集中控制的安全问题
作为SDN网络核心的控制器将成为攻击的重点，需要解决SDN控制器的防攻击、冗余备份等问题。转发设备被多个控制器控制的场景下，可能面临控制器假冒，转发设备资源非法滥用等风险。
2.控制器和转发面的性能问题
Openflow协议需专用化的芯片支撑，通用化的芯片性能差，定制芯片成本高，实际当用SDN技术应用困难。
3.端到端控制的协同问题
东西向接口尚未开始标准化，夸厂商控制器通用是难题，当前的协同编排层，仅解决业务策略下发，端到端的拓扑发现和路径计算难以实现。
SDN在广域网中应用场景分析
首先，在广域网多条链路之间可实现流量均衡调度[b]
在广域网上，由于用户的分布不均、各业务并发特性不同等原因，经常存在流量不均衡现象，广域网链路目的端通常是城域网或者是云IDC，其用户规模及业务数量存在巨大的差异，几条链路上容易出现流量不均衡情况，严重时部分链路接近拥塞而其余的链路还处于轻载状况，这种情况经常发生在传输网的一级干线、二级干线以及云IDC之间的互联链路上。
链路流量不均衡的情况涉及路由问题、具体业务应用层以及链路的质量等诸多复杂的问题，同时，在云计算、大数据、移动互联网快速普及应用时代，流量的瞬间动态变化极快，要进行人工干预是不可行的，因此一直是困扰运营商建设运维技术人员的难题。
在广域网上引入SDN智能化管理器，利用 SDN 智能化全局管控的能力实时收集广域网中各条链路的状态信息，来监控网络状态，计算链路的利用率及带宽使用情况，动态的从交换机、路由器中获取网络状态，为数据包计算出最优的、无碰撞的路径，并动态的调整路由以避免网络拥塞，从而实现广域网传输链路流量的负载均衡。同时还可以利用 SDN 智能化管理，动态地改变带宽，加速广域网链路数据的传输。
[b]其次，利用SDN可优化广域网链路利用率
目前，根据通信端到端的网络峰值预测路径和通道网络带宽。交换机、路由器的容量静态固定，根据路由器上行链路失效来重组路由，路径选择会出现重复，资源出现竞争，导致重试和再次失效。网络利用率通常小于 30%。
利用SDN改进后，具备网络需求和网络组织的全局视图，可对所有流量计算出最佳最明确的路径，确定数据包的网络行为，从而减少保护性带宽的需要，一旦出现故障，可根据错误导向，改变到另一张预先计算好的网络路径。更高的网络利用率和更快的网络收敛，只需少量的资源即可获得更高的网络质量，网络利用率可稳定在70% 以上。
在骨干网中有诸多的业务需要按需动态地提供网络能力，如云数据中心之间平时估计需要的带宽不要太大就能支撑日常的业务运行，但是当有如虚拟机迁移，存储数据复制等业务时就需要很大带宽才能满足业务需要，两个IDC之间就需要随时间动态调整之间的网络流量带宽。
传统模式是根据IDC之间端到端流量的峰值，来设计固定速率的网络带宽，从而导致了严重低下的带宽利用率；而引入SDN后，通过在网格交汇节点中加入基于OpenFlow的交换机，云服务平台根据需求，通过SDN的控制层，随时随地对网络流量带宽容量进行重新分配，从而保证网络带宽的性能。相对于传统预留空间方式，新模式为关键的通信事务节省约65%左右的容量。
在广域网中可实现多层次的网络管理，采用 SDN 前，IP 网络与传输网络分离，网络需通过不同的工具和不同的技术组合进行管理。采用 SDN 后，以统一集中、最优化为驱动力对流量进行控制，使得流量在网络上流转总是恰到好处；网络传输变为动态，主要通过 IP 进行交互；对与网络流量的优化，SDN 会有选择性地切入，通过重新配合和连接新网络端口来增加带宽，提升性能，减少传统网络割接带来的影响。
最后，利用SDN可有效提升广域网的服务质量
目前广域网的服务内容、应用系统、服务层与网络紧耦合，移动网、WiFi网络、固定宽带等不同领域的网络紧耦合，资源利用率低或性能差。
利用SDN改进后，控制层具有全局的网络组织视图，并可把该信息提供给应用服务层，同时可在用户端与IDC 及具体服务器之间，选择最佳链路。只需少量的资源即可获得更高的服务质量，聚合多种技术来提供服务，优化了如 QoS 、能耗、利用率等多个方面的性能。
在感知网络中服务器负载均衡这中应用场景，目前，服务器负载均衡方式是从服务器集群中，根据服务器的可用性和当前资源利用率，选择服务器分担负载，而不考虑网络因素，这样会导致所选服务器是空闲的，但网络路径拥塞。 使用 SDN 后，可以通过感知网络负载的应用以及 SDN 控制器， 选择一条拥有足够容量的网络路径，从而实现端到端的负载均衡，该场景特别适用于对时延敏感的业务，使其获得更好的业务响应时间，有效提升用户的业务体验。
现阶段，在广域网中全面部署SDN还不太现实，SDN标准尚未统一，针对广域网的需求缺乏体系化标准化，可使用的主流厂家解决方案差异性大，私有协议多，跨厂家互通难度大，现阶段只能结合特定的需求选择特定的厂商SDN控制器，随着SDN技术的不断完善，在广域网中引入SDN技术应用将会全面展开，广域网的性能必定会得到很好的优化，会更好的为当下快速发展的云计算、大数据、物联网等业务应用提供更加良好的服务。
作者系 陕西联通 席晓
