📖 软件定义网络 SDN
🎯 课程摘要：SDN（软件定义网络）由斯坦福大学 Nick McKeown 教授于 2009 年提出，其核心思想是将网络的控制层面与数据层面分离，用软件集中控制数据层面的设备。本课介绍 SDN 的基本概念、OpenFlow 协议、流表与广义转发，以及 SDN 体系结构的四个关键特征。
📝 详细笔记
1. SDN 简介
- 起源：SDN（软件定义网络）的概念最早由斯坦福大学的 Nick McKeown 教授于 2009 年提出，最初只是学术界讨论的新型网络体系结构。
- 发展：近些年来 SDN 发展快速，被不少企业相继采用。最成功的案例是谷歌于 2010～2012 年间建立的数据中心网络 B4。
- 地位：SDN 是当前网络领域最热门和最具发展前途的技术之一，也是 408 考研计算机网络部分 2022 年新增知识点。
2. 传统路由器的两个层面
路由器的网络层可抽象划分为两个层面：
| 层面 | 功能 | 实现方式 | 速度 |
|---|---|---|---|
| 控制层面 | 路由选择：路由器间交互路由信息，利用路由算法得出路由表，再由路由表得出转发表 | 软件 | 秒数量级 |
| 数据层面（转发层面） | 转发服务：基于自己生成的转发表转发分组 | 硬件 | 纳秒数量级 |
- 传统方式：每个路由器无法独自创建路由表，必须和相邻路由器周期性交换路由信息后才能创建路由表。
3. SDN 的核心思想
- 在 SDN 体系结构中，路由器中的路由软件都不存在了，路由器之间不再相互交换路由信息。
- 控制层面：有一个在逻辑上集中的远程控制器（物理上可由不同地点的多个服务器组成），掌握各主机和整个网络的状态，为每一个分组计算最佳路由，并为每一个路由器生成正确的转发表。
- 数据层面：路由器工作变得非常单纯，只需对收到的分组进行查表转发。
- 核心思想：把网络的控制层面和数据层面分离，让控制层面利用软件来控制数据层面中的许多设备。
4. OpenFlow 协议
- 地位：OpenFlow 协议是一个得到高度认可的标准，讨论 SDN 时往往与 OpenFlow 一起讨论。
- 作用：OpenFlow 协议可被看成 SDN 体系结构中控制层面与数据层面之间的通信接口，使控制器可以对数据层面中的物理设备进行直接访问和控制。
- 标准化组织：技术规范由非盈利性产业联盟开放网络基金会 ONF 负责制定，致力于 SDN 的发展和标准化，但并未规定必须使用 OpenFlow（不过大部分 SDN 产品都采用了它）。
- 版本演进：从 2009 年底 1.0 版开始，历经 12 次更新，到 2015 年 3 月发布 1.5.1 版，目前较为成熟的是 1.3 版本。
5. 广义转发：匹配 + 动作
- 传统转发（两个步骤）：
- 匹配：查找转发表中的网络前缀，进行最长前缀匹配。
- 动作：把分组从匹配结果指明的接口转发出去。
- SDN 广义转发（扩充后）：
- 匹配：能够对网络体系结构中各层首部中的字段进行匹配（数据链路层、网络层、运输层）。
- 动作：不仅可以转发分组，还可以负载均衡、重写 IP 首部、人为阻挡或丢弃分组。
- 设备名称变化：完成广义转发的设备不局限在网络层工作，因此不再称为路由器，而称为 OpenFlow 交换机（或分组交换机、交换机）。
- 流表取代转发表：在 SDN 中取代传统路由器转发表的是流表。一个流就是通过网络的一种分组序列，其中每个分组都共享分组首部某些字段的值（例如具有相同源 IP 和目的 IP 的一连串分组）。
- 流表管理：OpenFlow 交换机中的流表由 SDN 远程控制器通过安全信道使用 OpenFlow 协议来管理。尽管网络设备可由不同厂商生产，但从 SDN 控制器看到的则是统一的逻辑交换功能。
6. OpenFlow 1.0 流表结构
每个 OpenFlow 交换机必须有一个或多个流表。OpenFlow 1.0 版本中，每个流表项包含三个字段：
| 字段 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|
| 首部字段值（匹配字段） | 一组用来使入分组的对应首部与之匹配的字段，共 11 个项目，涉及数据链路层、网际层、运输层三个层次的首部 | 匹配不上的分组被丢弃或发送到 SDN 控制器处理 |
| 计数器字段 | 一组计数器 | 记录已匹配的分组数量、该流表项上次更新到现在经历的时间 |
| 动作字段 | 一组动作 | 转发到指明端口、丢弃分组、复制后从多端口转发、重写首部字段（数据链路层/网际层/运输层） |
- ⚠️ 重点/考点：OpenFlow 的匹配与计算机网络体系结构分层处理的原则完全不同——在 OpenFlow 交换机中既可以处理数据链路层的帧，也可以处理网际层的 IP 数据报，还可以处理运输层的 TCP 或 UDP 报文。
7. 基于流表的举例
网络中有 H1～H6 共 6 台主机，S1～S3 共 3 台 OpenFlow 交换机（每台 4 个端口），以及一台 SDN 远程控制器。
- 简单转发：H1 或 H2 发往 H3、H4 的分组，路径应为 S1→S3→S2。控制器给 S1 设置流表项：源 IP = 10.0.1.，目的 IP = 10.0.2.，动作 = 转发端口 3。
- 负载均衡：为均衡链路 S2-S3 与 S1-S3 的通信量，规定 H3 发往 H5、H6 走 S2→S3，H3 发往其他走 S2→S1→S3。基于目的 IP 的传统转发无法实现，但在 S2 流表项中设置合适匹配项即可。
- 防火墙：在 S2 中设置防火墙，仅接收来自与 S1 相连的主机所发送的分组，而不管这些分组从 S2 哪个端口进来。
上述例子省略了计数器字段，但已能体现 SDN 广义转发的多样性和灵活性。
8. SDN 体系结构的四个关键特征
| 特征 | 内容 |
|---|---|
| ① 基于流的转发 | 分组转发可基于数据链路层、网络层、运输层 PDU 首部字段的值进行（传统路由器仅根据目的 IP 转发）。各交换机的流表项都由 SDN 控制器计算、管理和安装。 |
| ② 数据层面与控制层面分离 | 传统路由器中二者在同一设备；SDN 中二者分离，数据层面是相对简单快速的分组交换机，控制层面是若干服务器和软件。 |
| ③ 控制层面由软件实现 | 控制软件可处于不同机器上，甚至远离数据层面设备。包含两个构件：SDN 控制器（网络操作系统，维护网络状态信息）和控制应用程序。 |
| ④ 可编程的网络 | SDN 控制器能确定端到端路径、进行接入控制（阻挡）、执行负载均衡，使整个 SDN 网络成为可编程的网络。 |
9. SDN 控制器的接口与层次
- 南向 API：SDN 控制器与其下方数据层面中受控设备的通信接口（即 OpenFlow 等协议）。
- 北向 API：SDN 控制器与控制层面应用程序的通信接口。
- SDN 控制器三个层次：
| 层次 | 任务 |
|---|---|
| 通信层（底层） | 通过南向 API 完成 SDN 控制器与数据层面受控网络设备之间的通信 |
| 网络范围的状态管理层（中间层） | 让控制器掌握全网的主机、链路、分组交换机等信息，对网络状态和流表进行读写操作 |
| 应用层（上层） | 运行各种控制应用程序，通过北向 API 获取网络状态并对设备进行控制 |
- ⚠️ 重点/考点：SDN 控制器是 SDN 体系结构中最复杂的部分。
- 开源控制器：最有代表性的是 OpenDaylight 和 ONOS。
💡 核心总结
- SDN 核心思想：控制层面与数据层面分离，软件集中控制。
- OpenFlow 是控制层面与数据层面的通信接口（南向接口），成熟版本为 1.3。
- SDN 广义转发 = 匹配 + 动作，匹配可跨多层首部，动作多样（转发/负载均衡/重写/丢弃）。
- 流表三字段：首部字段值（匹配）、计数器、动作。
- 四大特征：基于流的转发、数据/控制层面分离、控制层面软件实现、可编程网络。
❓ 课后思考 / 经典考题
- 简述 SDN 的核心思想，并说明与传统路由器体系结构的区别。
- OpenFlow 协议在 SDN 体系结构中起什么作用？它属于哪种接口？
- SDN 的"广义转发"与传统转发的"匹配 + 动作"有何不同？
- OpenFlow 1.0 流表项包含哪三个字段？各有什么作用？
- 简述 SDN 体系结构的四个关键特征。
- SDN 控制器可分为哪几个层次？南向 API 和北向 API 分别连接什么？