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Software Defined Network究竟是什么?

2018-06-29 14:32    标哥说天下 来源:标哥说天下  作者: 李宗标 编辑: 李雪薇

  【IT168 技术】本文转载自微信公众号“ 标哥说天下”(ID:bgstx001),作者:李宗标。

  SDN,Software Defined Network,软件定义的网络,这些年方兴未艾,愈演愈烈。但是,笔者以为,SDN 也有愈演愈劣的趋势。而且,现在业界关于什么叫 SDN,也是众说纷坛,莫衷一是。笔者在此试图梳理一下,SDN 到底是什么!

  一、SDN 发展的三条主线

  SDN 从诞生到发展,有三条非常关键的主线。

  第一条主线的主角是斯坦福大学。2008年,斯坦福大学 Nick McKeown 教授等人提出了 OpenFlow 的概念,并基于OpenFlow 为网络带来的可编程的特性,进一步提出了SDN(Software Defined Network,软件定义网络)的概念。2009年,SDN 概念入围Technology Review年度十大前沿技术,自此获得了学术界和工业界的广泛认可和大力支持。2009年12月,OpenFlow 规范发布了具有里程碑意义的可用于商业化产品的1.0版本。

  第二条主线的主角是 Google。Google 的 B4 网络 SDN 改造,给业界打了一针巨大无比的鸡血。 Google的改造分为三个阶段。第一阶段在2010年春天完成,第二阶段是到 2011年中完成,第三个阶段在2012年初完 成,整个B4网络完全切换到了 OpenFlow 网络。经过改造之后,链路带宽利用率提高了3倍以上,接近100%。这个给业界带来无法形容的冲击和震撼。笔者以为,SDN 开始爆发性发展,自此方始!

  第三条主线的主角是 Cisco。2012年6月,思科推出了ONE(Open Network Environment)战略。2013年4月,思科与其他公司一起发起成立了Open Daylight 开源组织,开发 SDN 控制器。思科这两件事情,其主旨都在“重新定义 SDN”。在此之前,SDN 还是与 Openflow 基本画上等号的,Cisco 站住来说,SDN 不等于 Openflow,这个我们从 ONE 的架构与 ODL 的架构可见一斑,如下图所示:

Software Defined Network究竟是什么?

  图1 Cisco onePK 架构

Software Defined Network究竟是什么?

  图2 ODL 架构

  图1 是“onePK(One Platform Kit)”,是为了支撑 Cisco 的 ONE 战略。图2 是 ODL 的架构。这些架构,我们只需要关注图中红框的部分。onePK 红框部分,都是 Cisco 的设备,Cisco 的意思是:我家的设备就是 SDN,我给你包装一个 API(onePK) 就行了。ODL 红框部分的意思是:SDN 的协议,除了 OpenFlow,也可以是其他协议(NETCONF, BGP 等等)

  这三条主线非常有意思。斯坦福大学(Nick McKeown 教授等人)发明了 SDN,试图重新定义网络,Google 则将 SDN 推向了第一个高潮,而 Cisco 则希望将 SDN 转个方向,重新定义 SDN!

  如果说,斯坦福大学发现了一股清流,Google 则是掀起了一股巨浪,而 Cisco 就是搅浑这一池春水!

  (注:与思科一起成立 ODL 的公司有:IBM、微软、Big Switch、博科、思杰、戴尔、爱立信、富士通、英特尔、瞻博网络、NEC、惠普、红帽和VMware)

  二、SDN 的三大流派

  恰恰来说,前面所说的三条主线,演化为了 SDN 的三大流派。

  1、软件定义网元

  我们仍然套用 SDN 的命名方法,把软件定义网元命名为:Softeware Defined Network Element(SDNE)。网元指的就是交换机、路由器等等这些网络设备。

  这一流派源于斯坦福大学的 OpenFlow。斯坦福大学提出的 SDN 概念,以 OpenFlow 协议为基础,强调控制面与转发面分离,强调集中控制。

  但是,集中控制,这个词,如果抠字眼的话,其含义是有分歧的。

  一种含义是控制器心中有整个网络,基于这张网络做路径规划/计算,然后再针对每一个网元下发转发规则。

  一种含义是,虽然一个控制器可以管理(控制)整个网络中的所有(相关)网元,但是这个控制器心中只有一个个独立的网元,而不是一张网络。控制器是每个网元自身做交换规则配置。比如我们在Neutron 实现模型中所描述的计算节点中的 br-ex 和 br-int。

  这两种含义,都是一个控制器管理(控制)所有(相关)网元,也即集中控制。但是,后一种含义,其实只是离散地单个网元的控制。

  软件定义网元(SDNE),就是属于后一种含义。由于 OpenFlow 自身协议的缺陷和相关硬件的转发性能问题,其应用场景非常有限。现在基于 OpenFlow(或者其他类似的协议)做 SDNE,并不是主流。或者是一些小公司/创业公司,或者是大公司在极度有限的场景内,在推出 SDNE 相关产品。

  SDNE 流派,从表面上看,是继承了 SDN 的纯正地位,实际上已经对正统的 SDN 做了裁剪。

  这一流派虽然力量不大,但是仍然是现在业界延续 SDN 香火的主要力量。

  2、软件定义网管

  软件定义网管,Software Defined Network Management System,SDNMS。这一流派源于 Cisco 那个所谓的“重新定义 SDN”。Cisco 又是推出 ONE 战略,又是整一个 ODL 开源,虽然 ODL 开源号称也支持 OpenFlow,但是 Cisco 的本质是把传统设备做个包装,换个马甲,摇身一变为 SDN。

  话又说说来,当设备还是那个设备时,无论它是软的(VNF)还是硬的(PNF,传统路由器/交换机),其业务发放,除了象网管一样,做个配置,又能做什么?

  笔者在一个微信群里,看到有人转发一篇文章,如下图所示:

Software Defined Network究竟是什么?

  图3 某厂的 SDN 宣传资料

  笔者还是将该厂的名字隐去吧,^_^。

  在该篇文章中,其宣称:控制器只负责业务下发,不负责转发表项的计算。转发表项的计算使用成熟度高的标准 BGP-EVPN 协议完成。

  这就是当前业界拿着网管当作控制器当作 SDN 来大肆宣传的典型案例。现在业界这种声音非常大,非常主流。他们在宣传时,还有一个经典的理论:网管的架构不好,网管的接口抽象的不好。(说的好像它的架构就很好,它的接口就很抽象似的。)

  我们不比较是网管与那个所谓的控制器,谁的架构好,谁的接口抽象。

  我们要认清一点:

  两个软件系统,做的事情(功能)是一样的,架构好坏,接口是否抽象,那是纯软件设计/开发的事情,那取决于设计开发这个系统的“人”,而不是冠一个 SDN 的名头,架构啥的就能自动变好。

  这个基本逻辑要清楚!如果连这样的逻辑都没有......

  这个业界主流声音,有两大可怕的后果:(1)思想上,混淆了 SDN 的概念;(2)行动上,浪费大量的人力物力,重新做一遍网管

  对于那些没有网管产品的公司/组织来说(比如某些公司,比如绝大多数开源组织),重新做一遍网管,没有任何问题,因为它们本来就没有网管。而对于那些已经有巨形网管产品的公司来说,这样的想法,是要命的!

  3、软件定义网络优化

  软件定义网络优化,Software Defined Network Optimization,SDNO。SDNO 与 SDN Orchestrator 的简称重复了,请您注意不要搞混,^_^

  这一流派,起源于 Google,与 Google 稍有不同的是,Google 采用的网元是 OpenFlow 网元(交换机),而这一流派采用的是传统的网元。这一流派也有一点 Cisco 的影子。不过 Cisco 流派的本质是网管,而这一流派的本质还是网络优化,所以我们还是把这一流派归为 Google 流派。

  前文说过,由于 OpenFlow 的限制,OpenFlow 网元(交换机)的应用场景并不多,所以这一流派采用传统网元,并没有什么不好,反而是非常正确。

  网络优化,指的是网络流量优化,在满足 QoS 的前提下,尽量提高网络的利用率。

  这一流派细分为两点:(A)静态最优路径计算;(B)动态路径调优。

  静态最优路径计算,就是先期计算一条路由的最优路径(一般是最短路径)。但是这个方法一个是没有全局的观念,一个是没有动态调优的能力,而且传统的路由协议,也基本上具有这样的能力,所以这一点,我们就不展开讲述了。不过需要指出的是,这一小流派,也是有一定的市场,他们往往拿着这一小点跟网管 PK,说它们不仅仅是做个网管,还做个路径计算。唉,不知道怎么说他们为好:(1)这是一个纯算法的编程,不是 SDN 独有的;(2)网管早已具备这样的能力。

  好了,不吐槽了,我们来看看动态路径调优。我们先举一个例子,如下图所示:

Software Defined Network究竟是什么?

  图4 动态路径调优示例

  图中,一条流的路径,原本规划是:R1-R2-R3。但是,当这条路径拥塞时,会动态调整为一条较为空闲的路径:R1-R4-R3。

  这就是动态路径调优的一个简单的示意。

  从技术高大上的角度而言,动态路径调优,是这三个流派中技术含量最高的。但是,偏偏就是流派在SDN 业界的声音最小。

  这一流派的鼻祖 Google,当年偶露一小手,就名动江湖,为什么这一流派却难成气候呢?是其他公司都傻吗?也不完全都傻,^_^

  这一流派有很多技术难点需要克服:流量实时监控与预测;大象流老鼠流的区分与预测;流的 QoS 的定义。这些技术难点,都难以克服。笔者就不展开描述这些技术难点了,您只需要关注一个词“预测”,就能想象有多难!比如上图中的例子,当你把一个流调整到 R1-R4-R3 路径时,突然间风云突变,R1-R2-R3 路径变空闲了,R1-R4-R3 变拥塞了。唉,被公司开除了,你都不知道找谁说理去!

  但是,这些那点为什么 Google 就能克服呢? Google 有什么黑科技吗?网上有一篇文章讲的非常好,“不要为了 SDN 而 SDN - Google 的 SDN 和你没关系”(https://www.douban.com/group/topic/47582532/),建议您阅读一下。笔者这里简略摘抄几条:

  (1)昂贵的跨国链路和海缆:相对于国内的传输链路,海缆和跨国链路会是天价。

  (2)N年的MPLS-TE部署经验

  (3)数据等级的分类:Google B4的海缆和跨国链路的平均利用率能维持在95%以上,这是一个极为惊人的数字。但在这个数字背后,我们可以读出什么?

  A. 内部数据已经有严格的等级区分了:什么样的数据是高优先级,什么是中、低优先级已经明确定义了。从服务器入口开始对应用就开始标识、限速;

  B. 各等级流量大小明确:从入口开始,每一种业务会有多少流量已经非常清楚了,这样才能汇总出整体各个等级的流量,才可以指定汇总的CoS等级规划。否则流量CoS是木有办法做的,这也是国内常常没有办法做CoS的原因;

  C. 中低优先级的牺牲成就了高利用率:CoS不能产生带宽,能维持高利用率是因为高优先级流量的轻载,然后用中低优先级去填充,那么故障、高优先级有突发流量等状况发生时低优先级一定会被延迟或者丢弃;

  总结起来就是三点:(1)需求强烈;(2)经验足,技术好;(3)流量状况自己能够掌握。

  对不起,满足这三点的,好像就是只有 Google 一家公司。

  Google 的网络,跑着是自己家的流量,那么这些流量它自己就可以规划,而我们要面对的是一个未知的网络,谁知道这个网络里的流量是什么情况,谁知道这个网络里的流应该是什么等级?Google 恰恰是没有黑科技,而是从源头上来讲,我们(除了 Google 以外所有人)与 Google 所面对的复杂度是完全不可同日而语的。

  另外,网络动态调优,还有一个悖论:不在现网做大量测试,就没法稳定,没法商用;但是,没有一个现网能允许一个不稳定的程序在其上面做大量测试。这就形成了一个死循环。而 Google 恰巧也能打破这个死循环,因为它的流量成本非常高,“昂贵的跨国链路和海缆:相对于国内的传输链路,海缆和跨国链路会是天价”。高昂的成本能够促使其下定决心来打破这个死循环,很遗憾,我们好像找不到还有谁家有动力打破这个死循环。

  第三点,Google 是自己研发。自己最懂自己的网络,这一点,也是无法比拟的。

  正是有这三点保证,Google 能够偶露峥嵘,而其他公司要想做到,几乎不大可能。

  这也正是这一流派,看起来很美,其实非常势微的原因。

  (笔者猜想,这同时也是 Google 为什么在露一手以后,极少在 SDN 业界发音的原因。他也找不到第二个相同的 story 了。事了拂衣去 深藏功与名!)

  4、小结

  我们上一张“SDN 成熟度”图谱,这个图谱,是鄙人定义的。如下图所示:

Software Defined Network究竟是什么?

  图5 SDN 成熟图图谱

  横坐标表示“通用硬件成熟度”,纵坐标表示“流量优化(全局网络)成熟度”。

  我们先讲 SDNE(软件定义网元),由于 OpenFlow 自身的限制,SDNE 当前还是只能局限在有限的场景中应用,所以我把它的通用硬件成熟度,归结为“0.1”。而 SDNE 流派,如果抛开 OpenFlow 不谈,其实它也是个网管,也是控制器心中没有全网(全网在人的心中),也是仅仅做个配置而已,所以我把它的“流量优化(全局网络)成熟度”归结为“0”。

  以 SDNE 为参照物,那么很自然地,我们就可以把 SDNMS(软件定义网管)这一流派归结为(0, 0)这一维度,既没有通用硬件成熟度,也没有流量优化(全局网络)成熟度。

  SDNO-1,静态网络优化,比 SDNE 稍微好一点,毕竟做了一些静态全局最优路径计算,所以我把归结为(0, 0.1)这一维度。

  我们再看看伟大的 Google,其实也才属于(0.1, 0.2)这一维度。它使用的是 OpenFlow 交换机,所以通用硬件成熟度是 0.1,而它的动态流量优化是建立在“流量尽在掌握”的前提下做的,所以我只把它的流量优化(全局网络)成熟度归结为 0.2。

  图中,我把两个成熟度为“1”的地方,都画了个圆圈,其实我是比较委婉,我本来是想画个红叉的。

  在当前阶段,动态流量优化几乎不可能,也许将来大数据、人工智能技术成熟以后,这一块可以突破。

  而统一硬件成熟度这一块,OpenFlow 已经没有希望,现在替换 OpenFlow 的相关软硬件技术也有,不过笔者以为,那也是不解决问题。硬件成熟度要想达到“1”,短期内,也是几乎不可能。

  两个不可能,鄙人觉得,可以给我们一些启示:

  作为产品规划,大公司可以冷静下来了,当前现状,SDN 不适合去大张旗鼓做一个产品,而是应该转为纯理论研究。至于小公司/创业公司,在 SDNE(软件定义网元)这一领域可以赚点钱,这无可厚非,尽管去发展。

  至于那个 SDNMS(软件定义网管),如果您当前没有这个网管,那么您就做,如果您需要的话,而如果您想继续鼓吹这就是 SDN,那就鼓吹吧,毕竟这个世界需要谎言。如果您当前已经有一个巨型网管产品,笔者奉劝一句:停下来吧,不要再重做一遍网管!!!

  至于 SDNO-1,静态网络优化,它的体量还不足以成为一个产品,也就是一个模块,建议集成到网管中里面吧,不要拿这个来说事,给自己重新做一遍网管找个理由了!

  不要以狼性为幌子,做公司的罪人!

  不要以行动的勤奋,掩盖思考的懒惰!

  补充一句,我一直都没有提 SDN 协同器。那么 SDN 协同器应该划归为哪一个维度呢?你猜......

  三、SDN 的本质

  在我心中,SDN 的本质,如下图所示:

Software Defined Network究竟是什么?

  图6 SDN 的本质

  在我心中,SDN 的本质,只需要达到(1, 0.1)即可,不需要达到(1, 1),当然,能达到更好。

  一个通用的硬件,加上一个静态最优路径算法,就是我心中的 SDN 的本质。至于 Google 的那个海缆价格太贵,那是个别需求,不影响大局。

  我以前说过,SDN 的本质是“淘宝 + 百度”,有人把我这个观点理解为“SDN 就是白盒化”,对不起,您误解了我的观点。

  分析一个技术的本质,首先要看这个技术的经济效益体量。如果一个技术的经济效益体量也就产生三毛二毛的利润,那么这个技术,我们没必要去分析其本质。专业化产生封闭,标准化产生分工,而社会化大分工,巨大提高社会生产率。复杂化、专业化,会产生个别企业的高利润,而标准化、简单化,社会化大分工,会产生全民的高收益。

  SDN 的本意,以 OpenFlow 为基础(我们假设 OpenFlow 行得通),推导出标准化的硬件和简单化的软件。我们想象一下这个场景:硬件已经标准化,那就是唾手可得(这是我说从淘宝买硬件的原因),通信协议基础包,届时肯定是开源了,只需要在其基础上做个性化需求即可(这是我说在百度上搜索软件的原因)。

  至于淘宝上是否买到假货,百度上是否搜到盗版,对不起,那不是 SDN 的事情,^_^

  OpenFlow当前有各种各样的问题,那是技术本身的问题,这不影响 SDN 的本质。

  SDN 的本质如果能实现,那必然是全社会的电信生产效率巨大提高,全民付出的电信资费极度降低。

  当前的科学证明,宇宙中的速度不能超过光速。对于科学,我们需要保持敬畏!

  SDN 的本质能否实现,从科学角度讲,是可能的,还是不可能,这同样需要思考!

  另一个层面的思考!

标签: SDN , OpenFlow
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