软件定义网络 (SDN)：新一代网络技术的基石
软件定义网络 (SDN) 被公认为是推动网络技术创新和应用的关键驱动力。
随着多媒体内容的爆炸式增长、移动设备的普及以及云计算需求的攀升，对于更灵活、更高效的网络架构的需求日益迫切。
传统网络架构由于难以应对这些趋势带来的不可预测的流量模式和对特定资源需求的突增，正面临着严峻的挑战。
为了应对这些波动，扩展网络基础设施可能既昂贵又复杂，因此，我们需要一种替代策略。
SDN 应运而生，它通过将控制平面与数据平面分离来解决这一问题。 这种分离使网络能够根据不断变化的需求自动重新配置自身，从而显著提升整体性能和效率。 接下来，我们将深入探讨 SDN 的核心概念。
什么是软件定义网络？
软件定义网络 (SDN) 是一种现代网络架构，它允许管理员通过软件集中定义和控制网络设备的运行方式，而无需单独配置每个设备。
SDN 通常与网络功能虚拟化 (NFV) 相结合，进一步增强了网络的灵活性和成本效益。 此外，它还实现了网络智能的集中管理，从而简化了故障排除和网络监控过程。
SDN 架构
SDN 架构通常由三个主要层次构成：应用层、控制层和数据层。
图片来源：Sotirios Goudos
- 应用层： 作为 SDN 架构的顶层，应用层负责定义网络的预期行为。 这一层的应用程序包括流量工程工具、安全策略或虚拟网络覆盖。
- 控制层： 控制层负责执行应用层定义的策略和规则。 它通常实现为与数据平面中的网络设备通信的中央控制器。
- 数据平面（或基础设施层）： 该层由构成数据平面的物理网络设备组成，例如交换机和路由器。 这些设备负责通过网络转发流量。
北向接口和南向接口用于促进架构不同层之间的通信。 这三层的有效集成确保了网络的协调高效运行。
SDN 的工作原理
在 SDN 网络中，控制平面和数据平面是分离的。 控制平面决定了数据如何在网络中转发，而数据平面则负责根据这些决定转发数据。
图片来源：Jun Luo
控制平面通过中央控制器实现，该控制器是一个在单个服务器或一组服务器上运行的软件应用程序。 控制器维护网络的全局视图，并利用此视图来决定如何转发流量。它通过与网络中的数据平面元素（通常称为“转发元素”或“交换机”）进行通信来实现这一点。
SDN 网络中的这些交换机通常是“开放式”的，这意味着它们可以由外部软件控制和编程，而不是使用预先设定的转发规则进行硬编码。 因此，控制器可以灵活地配置交换机以按照期望的方式传输流量。
为了控制交换机，控制器使用南向 API 与它们通信，这是一组协议和接口，允许控制器向交换机发送指令并接收状态信息。 同时，控制器通过北向 API 与需要使用网络服务的上层应用和系统（例如云端运行的应用程序）进行通信。
通过这种方式，控制器充当网络的“大脑”，决定如何转发流量并将这些决定传达给充当网络“肌肉”的交换机，从而根据指令转发流量。
SDN 的特点
SDN 具有几个区别于传统网络架构的关键特性：
- 灵活性： 允许在无需物理重新配置设备的情况下更改网络，使网络管理员能够对不断变化的需求和环境做出快速响应。
- 可编程性： 可以通过 API 或其他软件开发工具以编程方式控制网络的行为。 这使得自动化网络任务以及将网络与其他系统集成变得更加容易。
- 抽象化： 在 SDN 架构中，控制平面与数据平面分离，数据平面负责转发流量。这有助于工程师轻松更改网络运行方式，而不会影响转发流量的设备。
- 虚拟化： 它还支持网络资源的虚拟化，允许管理员按需创建虚拟网络。 这在对网络资源的需求可能高度动态的云计算环境中尤其有用。
除了上述特点之外，使用 SDN 的主要优势还在于它使企业能够在软件中模拟其物理网络基础设施，从而降低总体资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX)。
SDN 架构的类型
一般来说，不同类型的网络可能需要采用不同的 SDN 方法。
例如，拥有多种类型设备和复杂拓扑结构的大型企业网络可能受益于混合 SDN 架构，该架构结合了集中式和分布式 SDN 的元素。 相反，集中式 SDN 设计可能更适合于设备较少且拓扑结构较简单的小型网络。
仔细评估不同的选项并选择最能满足组织需求的架构至关重要。 SDN 主要采用五种不同的架构模型。
#1. 集中式 SDN
在集中式 SDN 架构中，所有控制和管理功能都整合到一个中央控制器中，这使得管理员可以轻松定义和控制网络行为。 然而，它也可能造成单点故障的风险。
#2. 分布式 SDN
在这种架构类型中，控制功能分布在多个控制器之间，从而提高了可靠性，但也增加了网络管理的复杂性。
#3. 混合 SDN
混合 SDN 架构模型结合了集中式和分布式 SDN 的元素。 根据网络的需求，它可以针对某些功能使用集中式控制器，而针对其他功能使用分布式控制器。
#4. 叠加 SDN
覆盖架构利用虚拟网络技术（例如 VXLAN 或 NVGRE）在现有的物理网络之上构建逻辑网络。 这使得管理员可以创建可以轻松创建、修改和删除的虚拟网络。
#5. 底层 SDN
底层架构利用现有的网络基础设施来支持虚拟网络的创建，这些虚拟网络可以使用 MPLS 或分段路由等技术在网络中的设备之间建立虚拟链路。
学习资源
选择最佳资源来学习 SDN 相关概念可能具有挑战性，因为市面上有许多不同的选项可供选择。 因此，尝试多种不同的资源，找出最适合您的方法可能会有所帮助。
#1. SDN 速成课程实践/动手
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#2. SDN：软件定义网络
本书主要探讨 SDN 的关键技术和协议，包括 OpenFlow、OpenStack 和 ONOS。 它提供了关于如何使用这些技术来构建和管理网络的详细示例。
此外，本书还提供了有关设置和管理 SDN 网络的实用技巧，包括故障排除和安全注意事项。
#3. SDN 和 NFV 简化
本书全面概述了 SDN 和 NFV，涵盖它们的优势、技术和应用。 它还包括真实世界的例子和案例研究，以帮助说明关键点并展示这些技术在行业中的应用。
作者以清晰简洁的方式出色地阐释了 SDN 和 NFV 的核心概念，使所有技术水平的读者都能轻松理解。
#4. 软件定义网络
本书从个人实施和利用该技术的角度全面介绍了 SDN。
即使对于初学者来说，这本书对于理解整个 SDN 架构也很有帮助。 它还探讨了如何使用行业标准为可扩展环境设计网络。
#5. SDN 和 NFV：要点
这是一本撰写精良且引人入胜的指南，为 SDN 和 NFV 奠定了坚实的基础，适合所有技术水平的读者。
理解 SDN 概念的最好方式是获得使用 SDN 工具和技术的实践经验。 您可以尝试使用 Mininet 等工具和 RYU 等控制器设置一个简单的 SDN 环境，并尝试使用该软件控制网络流量。
总结
SDN 在当今的数字化环境中发挥着至关重要的作用，因为它使网络更加灵活和高效。
在传统网络中，控制平面和数据平面是紧密耦合的，这意味着控制平面的更改也需要数据平面的更改。 这使得更改网络变得困难且耗时，特别是在大型复杂网络中。
而使用 SDN，控制平面从数据平面中抽象出来，这使得以编程方式控制和优化网络行为变得更加容易。 这在需要快速轻松地对网络进行更改的环境中尤其有用，例如在可以快速配置和取消配置工作负载的云计算环境中。
希望本文对您理解 SDN 及其架构有所帮助。
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