软件定义光网络控制平面与南向接口研究--陈明明.docx

软件定义光网络控制平面与南向接口研究摘要随着大数据和云计算的发展，数据中心应用的高突发性和大带宽特性得以凸显。光网络的大带宽特性，虚拟网络合理动态分配资源的特性对应对数据中心应用的需求有重要作用。实际上，软件定义网络（SDN）作为具体的实施方式，已经可以实现一定程度的网络虚拟化，从而可以整合光网络和IP网络资源成为软件定义光网络（SDON）。软件定义光网络（SDON）基于SDN和光网络，结合了优化特定光网络资源碎片和提供多种业务大带宽的优势，提供了多种网络的统一控制的平台，其中OpenFlow作为SDN南向接口的主要协议，可以扩展用来定义光网络。本文结合SDON架构的研究，以OpenFlow协议扩展来实现光网络控制，主要工作如下：（1）研究了基于业务的、以时分复用为特性的光网络南向接口抽象设计，并且讨论了从光传送网（OTN）设备获取光端口信息域的时隙信息分配原则。考虑到OTN设备特性，层分类（Layer Class）可以被抽象出来并通过信号类型（Signal Type）映射成资源用以取得数据平面和光平面的统一控制管理。（2）在遵循OpenFlow协议和OTN设备特性的前提下，对流表项的重要因素匹配（Match）字段和动作（Action）字段进行了扩展，其中信号类型（Signal type）以其在电域中对于OTN设备的重要性被选为匹配字段和动作字段的主要匹配规则。（3）在软件定义光网络中，提出了一种更好的提高光网络配置效率的方式，即采用Kruskal算法来代替Dijistra算法。（4）通过OpenFlow协议作为基础进行扩展，实现IP网络和光网络的统一视图，解决了光网络边缘IP网络和光网络的统一控制问题。（5）实现了一个软件定义光网络的仿真环境，并且通过抓取数据包进行了验证。 软件定义光网络（SDON）具有重要的理论和应用价值，今后可以通过讨论不同情况下电域和光域交换相结合的方式对性能的影响。关键词：软件定义光网络 OpenFlow Layer Class Signal Type ODURESEARCH ON SOUTHBOUND INTERFACE AND CONTROL PLAN OF SOFTWARE DEFINED OPTICAL NETWORKS ABSTRACTAs a result of big data and cloud computing, data center applications have presented high-burst and high-bandwidth characteristics. The characteristic of optical networks high-bandwidth and virtualizing networks dynamic distribute resources plays an important role in meeting those demands. Also, the software defined network (SDN), as an concrete method to carry out, already implement the network virtualization, that is the combination of optical network and IP network become software defined optical network. Software defined optical networks (SDON) based on SDN and optical network, combine the advantage of optimizing fragmentation of specific resources of optical networks and great bandwidth, provides an unified control platform for multiple networks. Besides, OpenFlow, an open specification of SDN, can be used to define optical network. In this thesis, based on OpenFlow protocol we implement the control of optical network, following are our main work: 1.Discuss the southbound interface of optical networks abstraction characterized in TDM circuits and allocation principles of tributary slot information in optical port information fields getting from OTN devices, also layer classes have be abstracted and mapped into resource by signal types so as to achieve unified management of data and optical plane. 2. Abide by OpenFlow and characteristic of OTN device, we extend the key factor Match and Action principles in flow entry, in which signal types are chosen to be the principles of match and action as it is so important for OTN device transporting in electrical domain.3.A better way to configure optical networks for SDON is also introduced, i.e., adopting Kruskal algorithm instead of Dijstra algorithm.4. Through extension of the OpenFlow protocol, we provide a uniform view of both IP and optical networks and solve the unified control problem on the edge of optical networks and IP networks.5.Implement a software defined optical network simulation environment to realize SDON and verify the effect by the way of package capture.Software defined optical networks (SDON) has significant influence in both theoretical and application fields. In the future, we will concentrate on a combination of electrical and optical switching based on different conditions to get a better performance.KEY WORDS: SDON OpenFlowLayer ClassSignal Type ODUxType here目录第一章 绪论71.1 选题背景及意义71.1.1 传统网络现状81.1.2 网络数据中心91.2 工作内容及成果101.3 论文组织结构12第二章 概述142.1 软件定义网络142.1.1 网络虚拟化142.1.2 云计算对软件定义网络的要求152.2 SDN南向接口162.2.1 典型SDN南向协议简介172.2.2 SDN南向接口小结192.3光传送网及发展192.3.1 光传送网及其现状202.3.2 光传送网发展22第三章 软件定义光网络方案研究243.1 软件定义光网络相关研究243.2 基于业务分配的软件定义光网络模型253.2.1 OTN特性分析273.2.2 路由配置改进方案273.2.3 实验场景29第四章OpenFlow协议光网络扩展304.1 基于OpenFlow光网络连接建立304.2 光网络虚拟抽象314.2.1 OTN设备功能模型及特点314.2.2 光端口信息抽象334.3 光网络流表设计344.3.1 match域光扩展344.3.2 action域光扩展344.3.3 不同端口类型流表项扩展354.4 架构仿真验证364.4.1 连接建立以及光资源获取验证374.4.2 光扩展流表下发消息验证394.5 本章小结39第五章 总结与展望415.1 总结415.2 展望41参考文献43致谢46攻读学位期间发表的学术论文48第一章 绪论1.1 选题背景及意义当前，宽带中国战略已出台，固定宽带和移动宽带飞速发展，各大网络运营商大力推进FTTH、高速光传输和移动回传网络建设，光通信网络作为重要的网络基础设施之一，由于其大带宽特性，在支撑社会信息化、宽带化建设方面起着举足轻重的作用。与此同时，视频业务、移动互联网、云计算等新型业务兴起，使得光网络承载业务的需求不断变化，更大带宽、更强灵活性的网络成为迫切需求，宽带光网络正面临新一轮的发展机遇和挑战【1】。另外，云计算的发展使得数据中心互联业务对骨干和城域光网络的带宽要求越来越高，同时灵活业务的需求也极高，数据中心对带宽的需求根本不可能平均分配造成了极大的浪费，网络实现数据中心互联的灵活、动态调度也具有很高需求。软件定义网络（Software Defined Network, SDN ）作为一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow【2,3】通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而能够实现网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。同时南向统一接口可实现不同设备厂家的私有信息保密，SDN转发控制分离的特性屏蔽了各个厂家设备转发平面的细节部分。更重要的是可以实现多厂家SDN设备互联，不难想到，通过接口合理设计，SDN技术可以实现光网络和IP网之间的资源优化和协同控制，有效降低路由器的容量需求，解决网络容量的瓶颈，降低网络综合承载成本。通过SDN控制器协同，可以实现接入网、城域网、骨干网等异构网络的智能互通和资源联合调度，提升流量经营能力，提供更智能的管道服务，对于运营商和用户都具有重要意义。网络资源的虚拟化可以更好地发挥光网络基础设施资源的优势，使客户能够根据不同业务的应用需求，在保证服务质量前提下快速有效地接入和控制网络资源，并使得网络资源的利用达到最优化。基于光网络大带宽特性考虑，要实现网络更大带宽、更强灵活性这一目标，光网络无疑是个好的落脚点，软件定义光网络（Software Defined Optical Network, SDON）融合了两种技术的优点，在满足大带宽的前提下，为多种类型业务提供更好的网络支撑，其转发控制分离特性使得第三方管理控制、灵活调度业务成为可能，是一个非常值得研究的方向。软件定义光网络（SDON）简化了光网络的复杂特性及私有控制管理协议，在此基础之上将转发平面与控制平面分离，并且通过开放网络和应用接口，提供网络可编程能力，满足多种业务灵活调度、数据中心互联、网络虚拟机等发展要求。实现软件定义光网络有两条技术路线：一是加强原光网络的控制能力，强调北向控制增强，另一个是使得网络设施可编程，从而可以用控制器来管理网络设施，强调南向网络元素可编程。本文采用第二种方案，即通过扩展OpenFlow协议将SDN技术应用于光网络。1.1.1 传统网络现状传统意义的电信网定义为：构成多个用户相互通信的多个电信系统互连的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施，利用电缆、无线、光纤或者其它电磁系统，传送、发射和接收标识、文字、图像、声音或其它信号。对电信行业来说，当前智能终端迅速普及、业务应用多种多样、网络技术也在不断更新，网络流量高速增长已经呈现出长期发展的态势，为应对业务发展需求，运营不断扩容网络是根本需求，但是数据类业务的经营者大多数并不是运营商而是业务内容提供商，运营商所提供的网络服务趋于管道化已是不争的事实，运营商对网络投资的增长与营收的剪刀差日益增大。为应对这一问题，降低网络投资成本这一话题被提上议程，如何在保证未来大流量需求的基础之上，又能实现网络投资成本的减少成为业内关注的话题。在这样的背景下，IT资源集中化、虚拟化、池化和弹性部署为主要特征的“云化”成为电信网络的显著发展演进趋势，特别是电信核心网云化演进将引起电信技术体制的巨变。而随着电信网络“云化”的推进，电信网络呈现“管道化”、“平台化”和“开放化”，电信网络架构进一步趋于扁平化，这无疑导致了电信业务平台乃至电信网络的架构都在发生着深刻的变化【4】。随着云计算、大数据、移动互联等技术的推动下，当前数据中心正处于技术创新和急剧变化的裂谷期，面临着标准未成熟、网络整体架构难确定，以及网络设备性能不足等挑战，因此，随之而来的数据中心网络架构、运维管理等相关方面都将做出相应的调整，目前在数据中心网络中还普遍存在一些问题。首先，网络运维成本逐渐累加，网络运维是对网络中路由器，交换机，服务器，动力系统，空调系统，存储设备，防火墙等设备进行实时监测，自动生成网络拓扑的嵌入式硬件设备。每个设备都有它的更新周期，同时还会面临厂商协议配置复杂，不同厂商互通性等挑战，随着时间的累计、业务的增加和发展、新老设备不断更新升级优化，带来的必然是运维成本的不断增加。其次，网络与上层应用的相关性较低，用户对网络的所有配置是基于已有的路由协议，用户很难控制流量的转发行为，因为一张网络里可能有几百台甚至几千台设备，流量的转发行为是基于配置，如果一个应用想要控制网络转发行为，用户很难用简单的RESTFUL接口方式连接硬件设备和上层应用。再次，传统网络架构需要改变，传统网络结构的不灵活导致了不太适应现在新业务的需求，使得网络的可持续发展面临巨大挑战。其次，互联网流量飞速增长，传统的网络架构已经难以适应未来海量流量增长的需求。随着现在移动设备的高度普及，一个需要支持数十亿用户和设备的时代即将到来，与此同时，这样大量用户的信息数据的私密性将成为这个新时代的关键，也是目前大数据最敏感的一个话题，企业必须有效管控自己的客户数据。1.1.2 网络数据中心网络数据中心不仅是一个网络概念，还是一个服务概念，它构成了网络基础资源的一部分，提供了一种高端的数据传输服务和高速接入服务。网络数据中心提供给用户综合全面的解决方案，为政府上网、企业上网、企业IT管理提供专业服务，使得企业和个人能够迅速借助网络开展业务，把精力集中在其核心业务策划和网站建设上，而减少IT方面的后顾之忧。网络数据中心改变了以往互联网的运作和经营模式，使得参加互联网的每一方都能专注其特长。网络数据中心必须具备大规模的场地及机房设施，高速可靠的内外部网络环境，系统化的监控支持手段等一系列条件的主机存放环境。基于这一环境，网络数据中心对外提供依托于因特网的一系列由主机托管到应用外包等不同层次的服务。网络数据中心不仅要提供快速安全的网络，还提供对服务器监管、流量监控等网络管理方面的服务，而且要有高度可靠的、安全的机房网络环境。由于网络数据中心有两个非常重要的显著特征：在网络中的位置和总的网络带宽容量，它构成了网络基础资源的一部分，就像骨干网、接入网一样，它提供了一种高端的数据传输服务，提供高速接入的服务。因而电信运营机构在这方面有着得天独厚的优势。网络数据中心的主要服务包括整机租用、服务器托管、机柜租用、机房租用、专线接入和网络管理服务等。广义上的网络数据中心业务，实际上就是网络数据中心所提供的一切服务。客户租用网络数据中心的服务器和带宽，并利用网络数据中心的技术力量，来实现自己对软、硬件的要求，搭建自己的互联网平台，享用网络数据中心所提供的一系列服务。随着网络数据中心的逐渐发展成熟，网络数据中心开始突破了传统意义中机房的概念，转向网络和服务这两个基本的内容。首先是对网络概念的理解，一个典型的网络数据中心已经不仅仅是骨干网的一个高速接入网，而且还应该是所有独立网络的高速对等网，是同任何网络平级的网络基础设施。而网络数据中心的另一个概念就是服务，以往连线接入这种最简单的服务就代表了全部的互联网外包服务，而对于网络数据中心，服务范围和内容较之ISP更加丰富广泛。其中由服务双方签订的服务品质协议将规定双方的责任和权利，若网络数据中心服务违约将做出相应的经济赔偿。随着业务发展需求的增加，对网络数据中心的操控也变得越来越庞大且复杂，网络维护和管理面聊巨大的挑战，而通信行业要想取得收益，减少运维成本也是一项值得注意的问题，从大的方面来讲，传统网络体系面临变革的挑战，从小的方面来讲，网络数据中心的架构急需新的发展。传统的数据中心网络一般根据功能划分为：核心层、汇聚层、接入层三个部分。这样的网络架构从网络出现的时候开始几十年都没有多少变化，而变化的只有网络设备的性能和提供的网络带宽。从10M半双工接入，到100M、1000M甚至是10G的接入带宽增长，同时在汇聚层也从1000M到10G，8口10G聚合绑定，40G端口及聚合端口绑定的带宽，在核心层也出现了100G的出口。目前的汇聚层设备，一般都可以提供二层MAC 32K512K，三层路由8K512K，这样的网络性能可满足10万台以上服务器的接入。可见在这样高性能的网络环境中，网络架构已经无法适应这样高速、大容量的应用。所以传统网络架构需要改变。目前，整个行业正快速向开放和开源技术过渡，而数据中心将向软件定义方向发展，在边缘设备级实现工作负载和应用的高度虚拟化，数据将越来越多地从具体应用中分解出来，智能的高性能存储网络和网络可视性及分析将成为关键技术。1.2 工作内容及成果本文调研了当前网络现状及业务需求，说明软件定义网络存在并得以发展的必要性以及原因，在此基础之上，讨论了SDN架构的研究进展，并着重研究了SDON的发展及实际需求，分析并研究了国内外对软件定义光网络的研究，提出软件定义光网络南向接口关于OTN设备光端口信息域内的抽象与时隙信息分配原则，同时也讨论了光路由流表的拓展原则，并提出对于光网络采用不同于数据网络的路径算法来提高故障发生时的建立路径效率。最后，开发SDON控制器并且建立仿真环境，实现了软件定义光网络的设计，通过抓包证实了实验的正确性。本课题主要研究内容包括SDN应用于光网络所采用的OpenFlow v1.3协议光扩展方案，具体来讲，主要从SDON架构方案和OpenFlow 协议扩展研究两部分详述。(1) SDON架构方案与数据网络不同，光网络采用电路交换方式来进行数据传输，并且是通过光信号来传递信息，基于这些物理特性，使得光网络具有传输带宽大、传输损耗低、抗干扰能力强、面向连接等特点，从某种意义上说，光网络本身就具有控制转发分离的控制架构，故SDN应用于光网络与应用于数据网络相比，除南向接口外，在很多功能逻辑处理上也有很多不同。由于光网络本身具有控制转发分离的特性，所以不难想到，可以通过加强控制平面功能来实现SDN思想在其中的应用。但是并不是所有的光网络设备都具有智能控制平台，对于分组传送PTN和接入网PON设备，可以在设备的南向接口上引入OpenFlow v1.3协议，实现南向接口的可编程性、开放性和标准化，与此同时，控制器可根据扩展后的OpenFlow协议来扩展其南向接口从而实现对接。而且南向接口统一还可以实现异构网络在控制平面的融合，一个控制器可以部署异构网络的业务流量，同时北向也支持多应用，由于控制器所控制的异构网络大大拓展了业务的类型，开发应用的道路也大大拓宽。目前，对于SDN整体架构来说，南向接口标准已经相对成熟，其中由标准化组织ONF制订以及完善的OpenFlow是其中的一个相对完整成熟且厂商支持度较高的接口标准。然而，在北向接口方面却一直没有形成较为统一的标准， 故在考虑整体方案时，北向接口设计采用北向 Adapter来匹配特定应用程序，而南向接口虽然相对统一但仍然有很多版本，由于控制器的可编程特性使其完全可以支持多种协议，而对于不同类型的网络（比如数据网络和光网络）可以制定相应的协议标准，这使得控制器可以同时对不同类型的网络进行控制、管理、形成全局视图，体现了未来网络融合的特点。在控制器的服务抽象层，将通过不同协议与控制器连接的底层网络设备资源进行相应地合理抽象，因为有了这些抽象资源，控制器本身可以提供一些基本服务，在此之上，还可以将这些抽象资源通过北向接口提供给应用程序，对于不同的应用程序这些抽象资源的应用当然各不相同，这就使得网络具有了可定制化的特点，综合以上可知，SDN技术的应用基本符合下一代网络的构建标准。(2) OpenFlow协议扩展研究在光网络控制系统中，可以采用面向对象的方式来定义抽象的光网络模型，为整个光网络创建一个网络对象，也即为整个光网络状态的集合。而对于底层光网络资源的抽象这一问题，结合OTN设备的层次结构以及各层所代表的实际意义，考虑采用对OTN中的各个层信号类型进行抽象，这不仅是从硬件的可实现性方面考虑，更多的是以应用为导向来考虑怎样的底层基础设施状态信息可以满足应用的需求。简单来说，通过这些抽象信息可以映射出资源及业务分配，比如交换粒度确定了每个时隙所承载带宽的大小，时隙剩余资源即对应于所剩虚拟网络资源，而每个时隙所对应的业务即表示出了业务分配情况，SDN思想的先进性之一就是它能分配每一条数据流，通过这种对OTN设备各层抽象的方法，在实现SDN基本控制转发功能的同时，也可清晰呈现业务分配情况。结合采用OpenFlow协议的SDN技术在数据网中的业务分配原则，不难想到光网络中分配业务链路这一工作同样可以通过下发流表来实现，与数据网络不同的是，由于光网络的电路交换特性，光网络不能实现OpenFlow标准协议中动态链路分配，只能采用事先分配好业务链路的方式，使得流表的实现并不能像数据网络那样有两种方式：反应方式和主动方式。对于光网络来说只能采用主动方式，这要求在拓扑搭建好以后就下发相应的流表到各个网元配置好路径，相比于数据网络的路径的灵活配置，若光网络也对网元采用点到点的配置方式效率未免过低，为应对这一问题，可采用面向业务的建路方式，对特定业务采用最适合的路由算法算好路径（通常采用D算法），再以此业务为标准配置好对应这个业务的整条路径。考虑到网络的可靠性，可采用多种路由算法算出次优路径，在网络发生故障时，及时配置次优路径，将损失降低到更小，提升网络的可靠性。综合考虑光网络特点以及要实现的目标，将扩展的内容初步定为两部分：a. 端口扩展以允许对控制器的光端口描述b. 流表（Match）扩展以允许在光域匹配基于以上工作内容完成一些成果如下：SDON基础业务研究：根据光扩展后的OpenFlow v1.3协议完成南向接通，从而可以统计收集光网元信息，这是环境搭建的基础，在此基础之上进行服务抽象层的业务扩展，通过北向接口呈现诸如光路由配置、业务时隙分配、网元信息可视化呈现等功能的基本实现。SDON与传统光网络性能分析：在完成了SDON基本环境搭建的前提下，可通过一些诸如资源利用率、灵活分配时隙而达到的节能性能等的测试，以实验数据说明SDON的优越性。1.3 论文组织结构本论文主要提出了一种基于OpenFlow v1.3协议扩展的软件定义光网络实现方案，并通过开发控制器以及仿真环境来构建整体环境，具体章节安排如下：第一章 绪论：阐述研究背景、研究意义，主要是当前网络现状以及业务蓬勃发展对网络提出更高要求，以及数据中心对光网络的迫切需求和发展前景。表明当前多种业务需求对传统网络架构提出了挑战，为应对这一挑战，新的网络架构的提出成为热点。第二章 概述：先介绍了软件定义网络的研究现状，对目前热门的网络虚拟化技术以及云技术进行讨论，在讨论过软件定义网络相关内容之后，为进一步提出软件定义光网络实现方案做准备，对当前比较主流的SDN南向接口协议做出简介，丰满SDN技术思想，为最终选用OpenFlow协议作为扩展对象实现SDON做出佐证。最后介绍光网络现状，说明了光网络在未来网络发展中举足轻重的地位，提出将光网络与软件定义网络两项技术相结合共同推进研究的重大意义。第三章 软件定义光网络方案研究：在软件定义光网络相关研究的基础上，结合OTN设备节点功能模型以及业务发展，提出了基于业务的软件定义光网络架构，并对光资源获取进行了细节阐述，通过结合光网络电路交换特点，提出有别于分组交换网络路由算法的设计思想。第四章 OpenFlow协议光网络扩展：在提出了软件定义光网络模型的基础上，结合SDN南向接口研究，选定OpenFlow协议作为光网络扩展对象，结合OpenFlow v1.3协议，对网元端口信息获取以及流表扩展进行协议设计。通过增加Agent作为协议转换来实现实验环境仿真并验证结果。最终通过实验环境界面展示以及数据包抓取验证实验。第二章 概述2.1 软件定义网络软件定义网络（Software Defined Network, SDN ），是由美国斯坦福大学clean slate研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。从路由器的设计上看，它由软件控制和硬件数据通道组成。软件控制包括管理CLI、SNMP以及路由协议OSPF、ISIS、BGP等。数据通道包括针对每个包的查询、交换和缓存。 如果将网络中所有的网络设备视为被管理的资源，那么参考操作系统的原理，可以抽象出一个网络操作系统的概念，这个网络操作系统一方面抽象了底层网络设备的具体细节，同时还为上层应用提供了统一的管理视图和编程接口。这样，基于网络操作系统这个平台，用户可以开发各种应用程序，通过软件来定义逻辑上的网络拓扑，以满足对网络资源的不同需求，而无需关心底层网络的物理拓扑结构。SDN提出控制层面的抽象，目前的MAC层和IP层能做到很好的抽象，但是对于控制接口来说并没有作用，这是因为有太多的复杂功能加入到了体系结构当中，比如OSPF，BGP，组播，区分服务，流量工程，NAT，防火墙，MPLS，冗余层等等，处理高复杂度的网络拓扑、协议、算法和控制来让网络工作，完全可以对控制层进行简单、正确的抽象。SDN给网络设计规划与管理提供了极大的灵活性，可以选择集中式或是分布式的控制，对微量流（如校园网的流）或是聚合流（如主干网的流）进行转发时的流表项匹配，可以选择虚拟实现或是物理实现。2.1.1 网络虚拟化SDN作为当前网络领域的热点，被业界普遍认为是未来网络发展的方向，孕育着巨大的市场机会。SDN之所以能迅速崛起，主要的驱动力来自于数据中心，更准确的说，是来自于数据中心的网络虚拟化，如果没有网络虚拟化，数据中心跟其它网络对SDN而言没啥区别。翻开SDN的介绍不难理解，SDN是一种将网络控制层面和数据转发层面分离的技术，可以为网络带来可编程的特性。未来的网络将和计算机一样，提供一个硬件平台，在此基础上通过软件对网络进行可编程设计。广义的网络虚拟化，通常是指面向数据网络的虚拟化将传统数据网络服务提供商分为两种：基础设施提供商，负责管理物理层的基础设施；服务提供商，基于对基本设施提供商的资源整合，创造虚拟化网络，最终在资源整合的基础上向终端用户提供端到端的服务。广义的网络虚拟化就是让一个物理网络能够同时支持多个逻辑网络，虚拟化保留了网络设计中原有层次结构、数据通道以及所能提供的服务，使得最终用户的体验和独享物理网络一样，同时网络虚拟化技术还可以高效利用网络资源：如空间、能源、设备容量等。如公司或其数据中心在拥有一套物理基础设施时可以虚拟出很多网络，为公司的运维部门、新兼并公司、需隔离的重要部门等同时提供服务，各虚拟网络和物理网络拥有相同的安全性。2.1.2 云计算对软件定义网络的要求SDN除了为网络设计带来了极大便利，也便于对数据中心网络进行管理，可以说SDN就是升级版的网络管理软件。SDN体现了网络云化，重新定义了网络架构。相比于SDN，网络虚拟化体现了设备云化，重新定义了设备架构。SDN实现了网络虚拟化，而网络虚拟机化实现了基础设施、网络应用云化。通过SDN可以对所有的网络设备进行管理，现有的数据中心网管具有网络监控，管理，业务异常告警等功能。SDN除了具备这些网管的功能之外，还可以对网络故障进行自愈。当网络发生故障时，SDN控制器获知网络异常表现，采取自动恢复机制。这些恢复机制是提前通过软件设置好的，一旦得到发送的指令，就可以通过SDN发送到相关的网络设备上，执行恢复程序，这样数据中心网络可以自行进行故障恢复，只要整个网络是全冗余的设计，通过SDN可以确保网络业务永不中断。针对不同的故障，SDN发出不同的网络修复方法，现阶段我们都是通过业务演练，故障模拟来验证备份方案是否存在隐患的。对于SDN技术来说，已经可以通过软件模拟构造出各种异常情况，然后制定解决方案，短短几分钟就可以做完各种故障模拟。因为SDN的设计完全是通过软件对网络进行定义和设计，下发硬件网络设备后，就可以完成反复的模拟、操作、调整，体现出SDN真正强大的地方。引入SDN的主要价值及驱动力包括：自动业务发放、快速新业务引入、业务自动化、网络自动部署、跨层跨域多厂商协同、端到端业务/网络管控、实时流量优化、IP+光跨层协同、网络虚拟化/网络即服务（NAAS）以及缩减设备成本及快速业务变更等。SDN的两大价值分别是敏捷快速的业务能力以及全局网络视角，即多厂家、多层次、多设备形态网络可通过SDN实现全网可视化、可控话。运营商对SDN最主要的期待是通过SDN拓展新业务，带来新收入。经过几年发展，SDN并未给运营商带来多少新业务，而网络和业务自动化、网络流量调优等运维方面的应用成为SDN的最重要的应用。SDN和云结合的架构可以实现像IT一样开放的网络能力，供应用进行灵活调用，也即像运营数据中心中的软件一样运营网络。这样网络基础硬件就变成了云数据中心，部署运营实现自动化。同时，网络功能也实现软件话，不再是嵌入式软件，因此，基础网络就可以走向数据网络和光网络互连SDN。正是基于此，软件定义光网络才有了契机。2.2 SDN南向接口SDN通过标准的南向接口屏蔽了底层物理转发设备的差异，实现了资源的虚拟化，同时开放了灵活的北向接口供上层业务按需进行网络配置并调用网络资源。云计算领域中知名的OpenStack就是可以工作在SDN应用层的云管理平台，通过在其网络资源管理组件中增加SDN管理插件，管理者和使用者可利用SDN北向接口便捷地调用SDN控制器对外开放的网络能力。当有云主机组网需求被发出时，相关的网络策略和配置可以在 OpenStack管理平台的界面上集中制定进而驱动SDN控制器统一地自动下发到相关的网络设备上。因此，网络资源可以和其他类型的虚拟化资源一样，以抽象的资源能力的面貌统一呈现给业务应用开发者，开发者无需针对底层网络设备的差异耗费大量开销从事额外的适配工作，这有助于业务应用的快速创新。SDN的核心理念之一就是将控制功能从网络设备中剥离出来，通过中央控制器实现网络可编程，从而实现资源的优化利用，提升网络管控效率。工作在基础设施层的SDN交换机虽然不在需要对逻辑控制进行过多考虑，但作为SDN网络中负责具体数据转发处理的设备，为了完成高速数据转发，还是要遵循交换机工作原理。本质上看，传统设备中无论是交换机还是路由器，其工作原理都是在收到数据包时，将数据包中的某些特征域与设备自身存储的一些表项进行比对，当发现匹配时则按照表项的要求进行相应处理。SDN交换机也是类似的原理，但是与传统设备存在差异的是，设备中的各个表项并非是由设备自身根据周边的网络环境在本地自行生成的，而是由远程控制器统一下发的，因此各种复杂的控制逻辑 (例如链路发现、地址学习、路由计算等等) 都无需在SDN交换机中实现。SDN交换机可以忽略控制逻辑的实现，全力关注基于表项的数据处理，而数据处理的性能也就成为评价SDN交换机优劣的最关键指标，因此，很多高性能转发技术被提出，例如基于多张表以流水线方式进行高速处理的技术。另外，考虑到SDN和传统网络的混合工作问题，支持混合模式的SDN交换机也是当前设备层技术研发的焦点。同时，随着虚拟化技术的出现和完善，虚拟化环境将是SDN交换机的一个重要应用场景，因此SDN交换机可能会有硬件、软件等多种形态。例如，Open vSwitch交换机就是一款基于开源软件技术实现的能够集成在服务器虚拟化Hypervisor中的交换机，具备完善的交换机功能，它在虚拟化组网中起到了非常重要的作用。SDN交换机的出现，对传统的网络设备厂商造成了最直接的威胁，如何将新兴的网络技术与传统设备产品的优势相融合，是这些厂商正在苦苦思索的问题。 虽然SDN交换机已经对传统的网络产业链造成了巨大的冲击，但是仅凭单独的数据转发设备还不足以实现SDN的广泛应用，未来更激烈地竞争必将会在SDN 的控制层和应用层发生。SDN交换机只负责网络高速转发，保存的用于转发决策的转发表信息来自控制器，SDN交换机需要在远程控制器的管控下工作，与之相关的设备状态和控制指令都需要经由SDN的南向接口传达，从而实现集中化统一管理。2.2.1 典型SDN南向协议简介当前，最知名的南向接口莫过于ONF倡导的OpenFlow协议。OpenFlow在SDN领域中的重要地位不言而喻，甚至大家一度产生过OpenFlow就等同于SDN的误解。实际上，OpenFlow只是基于开放协议的SDN实现中可使用的南向接口之一，但必须承认的是，OpenFlow就是为SDN而生的，因此它与SDN的契合度最高。SDN南向协议还有OF-CONFIG、NETCONF、OVSDB、BGP、PCEP等。SDN做为一种思想、一项技术，它的南向协议并不局限于特意为其设计的网络协议。比如，对于VXLAN协议来说，由控制器通过OVSDB协议来控制底层Openvswitch设备来实现VXLAN隧道的配置也是符合SDN定义的。(1) OpenFlow协议OpenFlow协议是一个开放协议，可以使研究者在校园网络中运行实验协议。OpenFlow已经被加入到商用以太交换机、路由器和无线接入点的特性中，在没有设备商提供其内部网络设备工作原理的前提下，提供了一个统一标准来使研究者进行实验，OpenFlow目前已经得到大部分主要设备商的实施部署，目前的OpenFlow交换机已经可以商用化了。OpenFlow突破了传统网络设备厂商对设备能力接口的壁垒，经过多年的发展，在业界的共同努力下，当前已经日臻完善，能够全面解决SDN网络中面临的各种问题。OpenFlow已经获得了业界的广泛支持，并成为了SDN领域的事实标准，例如OVS交换机就能够支持OpenFlow协议。 OpenFlow解决了如何由控制层把SDN交换机所需的用于和数据流做匹配的表项下发给转发层设备的问题，是针对流量层面管理网络的协议。(2) OF-CONFIG协议OpenFlow的提出解决了由控制器向OpenFlow交换机发送流表以控制数据流通过网络所经过的路径问题，但是并没有规定怎样管理和配置这些网络设备，而OF-CONFIG就是为解决这一问题而提出的。ONF提出了OF-CONFIG协议用于对SDN交换机进行远程配置和管理，其目标都是为了更好地对分散部署的SDN交换机实现集中化管控【5】。由此可见，OF-CONFIG协议是与OpenFlow协议不同层面的协议，两者协同工作才实现了SDN技术的应用。(3) NETCONF协议NETCONF协议是一种最新的基于XML的网络配置和管理协议【6】。NETCONF协议针对之前流行的SNMP协议在功能和构架上的缺陷，并结合时下最流行的XML技术，提出了一套对于网络设备的配置信息和状态信息进行管理的机制。NETCONF协议的架构具有很高的可扩展性和安全性，适合部署在不同规模、不同种类的网络设备之上，并提供完备的安全访问控制策略。近年来，YANG建模语言被IETF推荐Wie标准的NETCONF建模框架，它不仅可以对配置数据进行建模，还对各种操作和通知进行建模，具有良好的可读性和可扩展性。如今“YANG”和“NETCONF”往往已经成为相伴相生的两个名词。(4) OVSDB协议Open vSwitch是以在虚拟服务器环境下实现虚拟化的开源软件交换机为目标而设计的协议【7】。一个vSwitch在两个不同的虚拟机之间以相同的物理主机来发送流量，同时也在虚拟机之间和物理网络之间发送流量。Open vSwitch是软件可扩展的，并且通过OpenFlow协议和OVSDB协议来控制。OVSDB协议采用JSON作为线框，旨在实现对Open vSwitch数据库的可编程接入。对于SDN技术来说，另一个与OVSDB协议相关的协议即为VXLAN协议，它是一种实现在UDP中封装MAC的简单机制的协议，可以创建跨多个物理IP子网的虚拟2层子网。现在不只一种标准可以在IP中封装MAC(包括EtherIP和GRE通道桥接)，但是它们都无法做到VLAN逻辑标记，但是由于VLAN只能使用最多4096个不同的VLAN_ID，这在数据中心网络中是远远不够的。而VXLAN通过一个24位分片ID，在一个数据中心内它能部署百万个虚拟网，满足数据中心需求。而且，VXLAN数据包格式很容易在硬件中实现，所以它以后也许可以更紧密地与物理网络设备集成。在数据中心网络，通过NVC（Network Virtualization Controller，网络虚拟化控制器），使用OVSDB控制协议（Open vSwitch Database management protocol）可以方便地对VXLAN隧道终点（VTEP）设备进行部署和变更。(5) BGP协议边界网关协议（BGP）是运行于 TCP 上的一种自治系统的路由协议。 BGP 是唯一一个用来处理像因特网大小的网络的协议，也是唯一能够妥善处理好不相关路由域间的多路连接的协议【8】。 BGP协议并不是为SDN而生的协议，但是正如VXLAN协议一样，BGP协议同样可以被SDN技术巧妙应用而成为一个能够实现SDN思想的协议，之所以把BGP协议列为SDN南向接口协议而并没有把VXLAN列进来是因为VXLAN协议是运作于网络设备之间的协议，并非是控制器与网元之间的协议，当然这之间的协议是已经阐述过的OVSDB。BGP的不同在于控制器是以一个BGP Peer的身份与BGP网元相连，BGP网元中有BGP reflector来收集自治域内拓扑信息，又有BGP speaker作为自治域发言人对其他自治域相互通信，BGP还可以有多种Address Family扩展，作为SDN技术的一个南向接口起到很大的作用。(6) PCEP协议PECP (Path Computation Element Communication Protocol) 协议是针对一个路径计算用户和路径计算元素或者两个路径计算元素之间的协议。这样的交互包括在多协议标签交换（MPLS）和广义多协议标签交换（GMPLS）中的路径计算请求和路径计算回复，同样也包括与路径计算元素应用相关的具体状态通知。PCEP协议是被设计用来实现允许进一步消息灵活且可扩展的，可以与多种协议相结合使用。SDN技术可以将这一协议合理利用使其更好更方便地为未来网络服务【9】。2.2.2 SDN南向接口小结以上所述均是针对当前开源SDN控制器已经实现了的SDN南向协议，当然，SDN南向协议并不仅仅局限于此，只要是符合SDN思想的接口实现都可以称之为SDN南向协议。从以上简介可以看出，SDN协议并不只包括像OpenFlow这样针对数据平面的协议，同时也包括管理平面的协议，更是包括所有具有SDN思想的协议。2014年，由谷歌、思科、耶鲁大学等工业界和学术界联合提出的ALTO协议，旨在对网络资源合理抽象的基础上，改变业务提升性能模式，从而实现提供给业务层更有效抽象网络资源的目标。可以说ALTO也是为SDN而生的协议且具有不同于以往的意义。本章列出当前比较主流的SDN南向协议以丰富SDN概念，鉴于OpenFlow 协议是SDN的著名协议，且是为SDN量身定制的协议，而我们所要实现的软件定义光网络的可行性验证，基于OpenFlow协议自然是最佳选择，一方面，OpenFlow协议具有数据平面抽象、转发路径控制等的特点，另一方面，OpenFlow协议连接建立、消息交互相对方便，而不用像诸如OVSDB这种协议那样需要从REST接口下发命令，故选用OpenFlow协议进行扩展是比较高效且有效的方案。2.3光传送网及发展在我国，光纤通信广泛应用于各行各业，已成为推动我国经济发展的重要支柱产业。基于光纤通信构建“城市光网”是实现智慧城市信息化建设的重要技术基础。随着移动互联网、物联网、云计算、大数据、软件定义网络及数据中心等网络技术及应用的发展，光通信网络进一步向高带宽、大容量、高效承载及全IP化的分组光传送网方向演进与发展；软件定义网络及技术的发展，不仅影响光通信网络的体系架构，还将触及光通信产业的变革，其影响不仅巨大，而且深远。另一方面，数据中心光互联的发展需求以及数据中心向云数据中心的演进与发展又进一步拉动光通信及产业的发展，从光器件、光模块到光通信系统，数据中心都提出了新的要求。展望未来，光纤通信将进一步朝着超高速、超大容量、超长距离方向发展，这一发展趋势，要求光通信产业要适应这一发展要求。光通信产业在经历了多年高速发展之后，仍有一些热点技术和话题被大家所关注。比如软件定义网络、超100G技术、多维复用和相干技术、IP与光网络深度融合提升超大容量路由技术等，另外，走向全光网、从芯片间和板间到机房间的光互联技术，还是一直被讨论的绿色通信话题。光通信与云、大数