5G网络变革推手：SDN软件定义网络

SDN的起源：散布式或者集中式?

谈到SDN，业内人士必定会提及“转发、控制分离”。实际上，SDN的本质一语即可道破：SDN没有另起炉灶，只是重构了传统网络而已。

从互联网的鼻祖APRANET开始，传统网络就采取了散布式架构，通过一系列网络协议传递可达信息。一传十，十传百，从而实现互联互通。这类结构最显著特点就是转发、控制合二为一：各节点决定自己的转发规则;一旦有节点破坏或有新的节点加入，各节点通过网络协议重新学习、收敛，再次实现互通。

ARP：地址解析协议，通过IP地址获得主机MAC地址

OSPF：开放式最短路径优先，用于一个自治域内的一种基于链路状态的路由协议

RIP：路由信息协议，用于一个自治域内的一种基于距离矢量的路由协议

BGP：边界网关协议，用于区别自治域间交换路由信息

传统网络

这类“各自为政”的方式看似不错，既能抵抗部份节点失效的风险，又具有一定的可扩大性。但是，随着互联网的飞速发展，特别是云计算、大数据等新兴技术的出现，传统网络的瓶颈也逐步显现，比如：每一个节点自主决定转发规则，缺少整体观念;制定新的网络协议耗时太长等。

为应对上述问题，一些公司从上世纪90年开始尝试将转发和控制进行分离。SDN一词的创建和风行则归功于斯坦福大学的Nick McKeown教授，其推动的OpenFlow几近已成为实际的南向接口标准。

SDN的网络架构分为三层，从下至上分别是转发面，控制面和利用层。控制面向下的接口为南向接口，负责配置、修改转发规则，其主流标准就是前文提及的OpenFlow。控制面向上为北向接口，为网络利用提供API，实现网络的定制化，目前尚没有开放的标准化接口。

SDN网络

SDN的现状：精耕细作或者遍地开花?

自从ONF (Open Networking Foundation，主要推动SDN和OpenFlow的标准化)于2011年成立以来，SDN基本上朝着两个维度发展：一个维度是SDN关键组件，包括转发面、控制面和南向接口的演进;另外一个则是向其它利用领域的延伸。

转发面

由因而对传统网络的重构，转发面的最初形态自然与传统网络装备类似。随着数据中心和网络虚拟化的兴起，软件作为一种新的转发面开始出现，代表之一是开源社区的Open vSwitch。值得一提的是，与DPDK(由英特尔联合第三方软件开发公司推出的一款数据面开发套件)结合以后，Open vSwitch在某些利用场合展现了优良的线性交换能力，逼近硬件的性能，而软件在可重配可扩大方面的潜力却是硬件没法比肩的，具有非常广阔的利用前景。

控制面

作为SDN的中枢大脑，控制面根据网络运营约定义的策略配置网络拓扑和转发规则。比较著名的控制器有OpenDayLight(目前成熟度最高的开源平台)和ONOS(面向运营商领域，在集群、可靠性和性能方面做了增强)。

南向接口

南向接口的发展基本上显现OpenFlow一枝独秀的局面。OpenFlow以流表作为配置对象，流表定义了对报文的基本处理，包括匹配(match)、计数(counter)和操作(action)等。高度抽象和易于实现是OpenFlow获得成功的关键 。

利用领域延展

在数据中心获得成功后，SDN开始被利用到其它领域。被5G网络架构采取是SDN发展史上的又一重要里程碑(虽然3GPP将会定义新的南向接口)。在4G/LTE设计之初，由于业务不丰富和用户的数据需求不高，分组核心网被设计成以下架构。从接入网涌入的数据统一汇入服务网关(SGW)和分组数据网关(PGW)。

4G/LTE网络架构

随着VR/AR，无人驾驶，无人机集群等新利用和新服务不断出现，用户对数据获得不但在量(即带宽)上要求更高，在质(即时延)上也提出了明确的要求。LTE的这类架构已明显阻碍了新利用和新服务被采取。为了应对这些挑战，3GPP遵守SDN“转发、控制分离”这一基本原则，在设计5G网络架构时做出重大改变：数据面下沉+控制面集中。

5G网络架构

在LTE时期，分组核心网关的数量寥寥可数，而5G则会大量采取散布式网关(即上图中的UPF)。我们在软件交换机Open vSwitch的基础上，增加了无线分组数据(主要是GTPU隧道)的封装、解封装、转发和其它网关功能，完成了业界第一台支持5G散布式网关的SDN软件交换机，有望在流量导出与分流，移动边沿计算，高可靠、低时延通讯等业务中得到广泛利用。

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