SDN相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡具有很多優(yōu)點，比如控制與轉發(fā)分離，這種思想打破了傳統(tǒng)設備供應商的綁定，提高了新業(yè)務的部署速度，可以從整個網(wǎng)絡層面對流量進行優(yōu)化等等。在SDN網(wǎng)絡中，不管是開發(fā)人員還是用戶，都可以更多的發(fā)揮自己的想象，而不用再受各種RFC的強力約束。

一、傳統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展及特點

從1969年ARPA NET運行算起，傳統(tǒng)網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)展了半個世紀，網(wǎng)絡按照OSI的模型分成7層，通常所見最多的是二層和三層。二層就是二層交換機構成的網(wǎng)絡，在這個網(wǎng)絡中交換機學習mac地址和端口的對應關系，通過匹配二層報文的mac地址決定如何轉發(fā)。一般在一個二層網(wǎng)絡中，由于廣播風暴的原因，管理的設備不應超過百臺，否則會導致網(wǎng)路不穩(wěn)定和網(wǎng)絡性能的下降。三層就是由路由設備連接不同網(wǎng)段構成的網(wǎng)絡，跨網(wǎng)段的通信都需要路由，而路由器就通過記錄IP地址和端口的對應關系連通不同的網(wǎng)段。不管是IPv4還是IPv6，我們能夠在世界范圍內使用internet，底層都是由二層網(wǎng)絡和三層網(wǎng)絡構成的堅實基礎。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡從一開始就是一個分布式的網(wǎng)絡，沒有中心的控制節(jié)點，網(wǎng)路中的各個設備之間通過口口相傳的方式學習網(wǎng)絡的可達信息，由每臺設備自己決定要如何轉發(fā)，這直接導致了沒有整體觀念，不能從整個網(wǎng)絡的角度對流量進行調控。由于是口口相傳，就必須使用大家都會的語言，這就是網(wǎng)絡協(xié)議。各個設備供應商不能自己隨便開發(fā)協(xié)議，否則不同廠商各執(zhí)己見，網(wǎng)絡還是不通。這樣全球性的組織就誕生了，比如IETF，而RFC就是網(wǎng)絡協(xié)議的法律，相當于國際法，各個設備供應商遵從國際法行事，就基本保證了整個網(wǎng)絡世界的正常運行。設備提供商就相當于不同的國家，與現(xiàn)實中一樣，法律為了適應時代的發(fā)展也在不斷的修訂補充，而各個國家基于自己利益的考慮，不斷搶占對自己更有利的山頭，想盡辦法規(guī)避其他國家主導的法律對自己的約束，傳統(tǒng)網(wǎng)絡就在博弈中不斷前進。這種由通用法律約束的發(fā)展方式，就限制了網(wǎng)絡運營商新業(yè)務的部署速度。網(wǎng)絡運營商負責對用戶提供網(wǎng)絡接入功能，用戶的需求千差萬別，一旦原有基礎網(wǎng)絡無法滿足新需求，就需要上升到協(xié)議制定修改的層面，各個設備提供商開始提出各種方案交由IETF裁決，形成新的法律，再由設備提供商實現(xiàn)，重新升級基礎網(wǎng)絡內的所有設備以支持新業(yè)務的部署。這個過程想想就覺得漫長，一般都要經(jīng)過至少半年，甚至幾年的時間。

從傳統(tǒng)網(wǎng)絡的部署方式能看出來，傳統(tǒng)網(wǎng)絡新業(yè)務部署是補丁式的，因為網(wǎng)絡中新老設備并存，新業(yè)務必須兼容老業(yè)務，新的協(xié)議基本上都是在原有協(xié)議上進行擴展，這就大大限制的設備提供商的想象力。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡的協(xié)議為了適應各種不同的需求場景，發(fā)展也越來越復雜，想必有傳統(tǒng)網(wǎng)絡開發(fā)和維護經(jīng)驗的同學都有深刻體會吧。單說部署一個傳統(tǒng)的網(wǎng)絡，就涉及到ARP、STP、OSPF、ISIS、RIP、BGP、組播等多種協(xié)議，如果涉及VPN，又有L2VPN、L3VPN，其中又會有VPLS、PWE3、VLL、MPLS、LDP、BGP VPN擴展，而部署方式又有Martini、Kompella、Option A、Option B、Option C、跨域C&C.....，是不是看著就暈?并且由于法律的不完善，RFC中常常存在一些沒有明確的地方，這導致了各提供商的實現(xiàn)中存在些許差異，而如果你將要部署的網(wǎng)路中存在多個提供商的設備，那么這些差異很可能在將來某個時候爆發(fā)網(wǎng)絡問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡的運維工程師都是經(jīng)過長年累月的學習和經(jīng)驗積累成長起來的。

雖然數(shù)量眾多并且復雜，但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議也有他的優(yōu)點，協(xié)議本身做到了和設備提供商無關，如果理解了一個協(xié)議，那么運維工程師之間交流不會有問題，運用此協(xié)議構建的網(wǎng)絡都可以維護。各設備提供商的最大的差異主要集中在操作界面上。

二、SDN網(wǎng)絡的發(fā)展及特點

當前的SDN網(wǎng)絡一般都是如下形式：有一個控制器(或集群)，他負責收集整個網(wǎng)絡的拓撲、流量等信息，計算流量轉發(fā)路徑，通過openflow協(xié)議將轉發(fā)表項下發(fā)給交換機，交換機按照表項執(zhí)行轉發(fā)動作。和控制器對應，執(zhí)行轉發(fā)動作的交換機一般稱為轉發(fā)器?？刂泼鎻膫鹘y(tǒng)網(wǎng)絡的單個設備上剝離，集中到了控制器上，轉發(fā)面由轉發(fā)器構成。

網(wǎng)絡部署有兩種形式：一種是underlay的網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡中，所有的轉發(fā)行為都由控制器決定，控制器通過OpenFlow協(xié)議或者定制的BGP協(xié)議將轉發(fā)表項下發(fā)給轉發(fā)器，轉發(fā)器僅僅執(zhí)行動作，沒有單獨的控制面。另一種是overlay的網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡的轉發(fā)器一般都是傳統(tǒng)設備，不支持OpenFlow，或者私有定制協(xié)議不能部署。這時就要用到隧道技術，基礎網(wǎng)絡還是傳統(tǒng)網(wǎng)絡形式，通過路由協(xié)議打通各個節(jié)點，但是在服務器接入點，采用隧道技術將數(shù)據(jù)報文進行封裝或者解封裝。對傳統(tǒng)網(wǎng)絡來說見到的就是普通的數(shù)據(jù)報文，轉發(fā)即可。隧道技術實際上就是報文的馬甲，迷惑網(wǎng)絡設備，讓設備以為是自己人，但是實際上報文的心是虛擬化的心?，F(xiàn)在一般采用VxLan、GRE、NVGRE等隧道技術。而這些也是新增的協(xié)議，也需要升級現(xiàn)有網(wǎng)絡設備才能支持。穿馬甲雖然能夠在不進行大的改造的情況下增加新的功能，但無疑會降低網(wǎng)路性能，underlay方式一定是SDN網(wǎng)絡的終極形式。

SDN網(wǎng)絡的控制面，不再是口口相傳，而是集中智能，從更高的層次看整個網(wǎng)絡，通過軟件來控制網(wǎng)絡行為。這里的軟件已經(jīng)不再由設備供應商綁定設備提供，而是用戶可以自己實現(xiàn)。SDN網(wǎng)絡唯一標準化的是控制器與轉發(fā)器的通信接口，就是OpenFlow，不是傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡控制協(xié)議，只是一個接口，控制器和轉發(fā)器按接口實現(xiàn)即可，至于控制器要如何控制，轉發(fā)器要如何轉發(fā)，都是一片空白。SDN打開了一扇通往奇境的大門。

ovs已經(jīng)成為轉發(fā)器實現(xiàn)事實上的標準，而控制器則是百家爭鳴，有ODL、ONOS、AC、Ryu等。各種控制器的實現(xiàn)也有不小的差異，控制原理也都不同，這就對運維人員帶來了挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡時代懂得了協(xié)議就懂得了網(wǎng)絡，而在SDN時代，控制器才是網(wǎng)絡的核心，只有弄懂控制器實現(xiàn)原理，才能懂得網(wǎng)絡。

在現(xiàn)階段，OpenFlow作為接口，網(wǎng)絡上傳遞的報文還是按照傳統(tǒng)網(wǎng)絡時代定義的格式進行封裝，而控制器現(xiàn)階段能做的也僅是對報文封裝的字段進行修改。而下一階段，當P4或者華為的POF作為接口時，網(wǎng)絡將徹底變革，用戶不僅可以控制轉發(fā)行為，還能按需定義報文封裝格式，而不再局限于mac、ip等等。雖然更靈活，但是各個局域網(wǎng)絡的實現(xiàn)可能都不相同，對網(wǎng)絡運維人員來說可能會更困難，換一個網(wǎng)絡可能就需要學習一套新的規(guī)則。但是這也真正體現(xiàn)軟件定義的魅力，控制器的控制形式勢必會更加多種多樣，網(wǎng)絡也會進入一個新的輪回。

三、從ping的流程看傳統(tǒng)網(wǎng)絡與SDN網(wǎng)絡：

1.傳統(tǒng)網(wǎng)絡

如上圖拓撲，網(wǎng)絡中間有三臺設備構成基礎網(wǎng)絡，兩個客戶端屬于不同的網(wǎng)絡，兩個客戶端要互訪

基礎網(wǎng)絡構建步驟如下：

1)由于客戶端處于不同網(wǎng)段，因此需要路由設備，可以用CE2作為路由設備，或者CE1、2、3均作為路由設備，這里將三臺均作為路由設備，CE1、2、3之間三層通信

2)CE1作為CLIENT1的網(wǎng)關設備;CE3作為CLIENT2的網(wǎng)關設備，網(wǎng)關代答ARP

3)CE1、CE2、CE3之間通過靜態(tài)路由或者路由協(xié)議學習 192.168.10 和192.168.20 網(wǎng)段的路由

路由通路的建立主要關注兩個字段：路由前綴和下一跳。在傳統(tǒng)路由器上，通過命令行可以很直觀的看到各種信息之間的關聯(lián)

[~CE1]display ip interface brief 
 
*down: administratively down 
 
!down: FIB overload down 
 
(l): loopback 
 
(s): spoofing 
 
(d): Dampening Suppressed 
 
The number of Physical UP interfaces: 4 
 
The number of Physical DOWN interfaces: 0 
 
The number of Protocol UP interfaces: 3 
 
The number of Protocol DOWN interfaces: 1 
 
Interface IP Address/Mask Physical Protocol VPN 
 
GE1/0/0 192.168.10.1/24 up up - 
 
GE1/0/1 10.1.1.1/24 up up - 
 
MEth0/0/0 unassigned up down - 
 
NULL0 unassigned up up(s) - 

上面是典型的接口信息表顯示，可以看到接口以及接口IP、狀態(tài)信息Shell

[~CE1]display ip routing-table 
 
Proto: Protocol Pre: Preference 
 
Route Flags: R - relay, D - download to fib 
 
------------------------------------------------------------------------------ 
 
Routing Table : _public_ 
 
Destinations : 11 Routes : 11 
 
Destination/Mask Proto Pre Cost Flags NextHop Interface 
 
10.1.1.0/24 Direct 0 0 D 10.1.1.1 GE1/0/1 
 
10.1.1.1/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GE1/0/1 
 
10.1.1.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GE1/0/1 
 
127.0.0.0/8 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0 
 
127.0.0.1/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0 
 
127.255.255.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0 
 
192.168.10.0/24 Direct 0 0 D 192.168.10.1 GE1/0/0 
 
192.168.10.1/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GE1/0/0 
 
192.168.10.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GE1/0/0 
 
192.168.20.0/24 Static 60 0 D 10.1.1.1 GE1/0/1 
 
255.255.255.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0 

上面是典型的路由表結構，從路由表中可以看到路由匹配項及下一跳、出接口信息。要構建192.168.10.2 到192.168.20.2的通路，實際上需要讓CE1知道20網(wǎng)段的下一跳是10.1.1.2，CE2要知道20網(wǎng)段的下一跳是20.1.1.2，這樣單向通路就建立起來了，再建反向通路即可。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡的打通，需要在途經(jīng)的每一臺設備上進行配置，需要自己規(guī)劃整個網(wǎng)絡的拓撲、端口的IP地址、路由協(xié)議等等，在網(wǎng)絡構建和維護過程中都需要人工持續(xù)不斷的干預。雖然如此，但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡中仍然有一定的智能，路由協(xié)議在配置好后，一定程度上不再需要做過多的干預。比如CE1、2、3組成的骨干網(wǎng)在配置好動態(tài)協(xié)議后，后續(xù)再增加同網(wǎng)段的新客戶端，是不需要修改配置的。但是如果要部署新業(yè)務，如VPN等，就需要對整網(wǎng)配置進行修改。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，ping的處理流程如下：

1)在CLIENT1上ping CLIENT2

2)CLIENT1在通過ARP獲取到網(wǎng)關MAC后，構造ICMP request報文發(fā)往CE1

3)在CE1上解析ICMP報文，通過目的IP地址在路由表查找匹配表項，找到出接口發(fā)往CE2

4)CE2做同樣的事情，將報文發(fā)往CE3，CE3發(fā)往CLIENT2

5)CLIENT2構造應答報文發(fā)往，目的IP填192.168.10.2，發(fā)往CE3，通過路由查找過程，報文到達CLIENT1在這個過程中，接收->查找->轉發(fā)的一系列動作是設備的內部實現(xiàn)，對用戶來說是黑盒，實際上“查找”就是IP的在路由表中的匹配過程。

2.SDN網(wǎng)絡

以純underlay的SDN網(wǎng)絡舉例，如下圖所示拓撲

控制器通過ovs上報的packetin消息觸發(fā)處理流程，計算好路徑后，通過openflow下發(fā)給所有轉發(fā)器，打通鏈路，主機之間能夠互通。轉發(fā)器上沒有控制面，之間也沒有交互，轉發(fā)器最基本動作就是對收到的報文上報控制器，一切的邏輯行為都由控制器負責。

在轉發(fā)器上，需要把物理口綁定到OVS上，OVS才能進行管理，所以在OVS上查看接口信息如下：

Shell 
 
root@ck:~# ovs-vsctl show 
 
c0e6f272-485a-4e30-b1ed-518b0ade9cc7 
 
Bridge "s2" 
 
Controller "ptcp:6635" 
 
Controller "tcp:127.0.0.1:6633" 
 
is_connected: true 
 
fail_mode: secure 
 
Port "s2" 
 
Interface "s2" 
 
type: internal 
 
Port "s2-eth3" 
 
Interface "s2-eth3" 
 
Port "s2-eth1" 
 
Interface "s2-eth1" 
 
Port "s2-eth2" 
 
Interface "s2-eth2" 

Shell  
  
123root@ck:~# ovs-ofctl dump-flows s1  
  
NXST_FLOW reply (xid=0x4):  
  
cookie=0x0, duration=383.313s, table=0, n_packets=32, n_bytes=2544, idle_age=373, priority=0 actions=CONTROLLER:65535  

這條流表是用來將報文上送控制器的。在主機v1之間ping v2后，查看流表信息：

Shell 
 
root@ck:~# ovs-ofctl dump-flows s1 
 
NXST_FLOW reply (xid=0x4): 
 
cookie=0x0, duration=2.876s, table=0, n_packets=4, n_bytes=336, idle_age=0, priority=1,in_port=2,dl_dst=00:00:00:00:00:01 actions=output:1 
 
cookie=0x0, duration=2.875s, table=0, n_packets=3, n_bytes=294, idle_age=0, priority=1,in_port=1,dl_dst=00:00:00:00:00:03 actions=output:2 
 
cookie=0x0, duration=516.728s, table=0, n_packets=35, n_bytes=2726, idle_age=2, priority=0 actions=CONTROLLER:65535 

多了兩條流表，第一條是匹配從2口進入ovs的報文，如果報文的目的mac是v2，從ovs 1口出;第二條是匹配從1口進入ovs的報文，如果報文的目的mac是v1，從ovs 2口出。可以看到這里的port已經(jīng)變成了數(shù)字，要查看編號和名字的對應關系，需要通過其他的表：

Shell 
 
root@ck:~# ovs-ofctl show s1 
 
OFPT_FEATURES_REPLY (xid=0x2): dpid:0000000000000001 
 
n_tables:254, n_buffers:256 
 
1(s1-eth1): addr:0e:c0:36:94:3c:be 
 
config: 0 
 
state: 0 
 
current: 10GB-FD COPPER 
 
speed: 10000 Mbps now, 0 Mbps max 
 
2(s1-eth2): addr:1a:a0:81:52:ec:b5 
 
config: 0 
 
state: 0 
 
current: 10GB-FD COPPER 
 
speed: 10000 Mbps now, 0 Mbps max 
 
LOCAL(s1): addr:92:0d:a5:20:e0:4c 
 
config: PORT_DOWN 
 
state: LINK_DOWN 
 
speed: 0 Mbps now, 0 Mbps max 

可以看到在SDN網(wǎng)絡中的匹配和動作行為比傳統(tǒng)網(wǎng)絡要豐富的多，不僅僅是匹配前綴，轉發(fā)下一跳那么簡單了。但是SDN網(wǎng)絡設備的用戶界面信息表現(xiàn)不直觀，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡還有很大的提升空間。在此網(wǎng)絡中，ping的處理流程如下：

1) 在V1上ping V2

2) V1通過ARP獲取請求網(wǎng)關MAC

3) ARP報文在OVS1上匹配流表，上送控制器

4) 控制器進行ARP代答，構造ARP應答報文通過OVS1發(fā)給V1

5) V1在獲取到mac后，構造ICMP request報文發(fā)往V2

6) OVS1在收到ICMP報文后，依然不知道如何處理，繼續(xù)上送控制器

7) 控制器根據(jù)報文信息，計算轉發(fā)路徑，向轉發(fā)路徑上的所有轉發(fā)器下發(fā)流表

8) 控制器將首包通過OVS1發(fā)給OVS2，由于OVS2、OVS3上已經(jīng)有可以匹配的流表，因此報文會一直送到V2上

9) V2的應答流程如上類似，差別在于反向的流表已經(jīng)提前下發(fā)，V2的應答報文不會再上送控制器在SDN網(wǎng)絡中，對于控制器如何計算、下發(fā)什么樣的流表是沒有統(tǒng)一標準的，只要能正確處理主機之間的報文即可。在上面的例子中，所實現(xiàn)的控制器與通常的不同，由于僅存在兩臺主機，因此對于三層報文，沒有通過匹配IP的方式進行轉發(fā)，ARP的應答也并不是應答的網(wǎng)關mac，而是直接將目的主機的mac進行了應答，因此，雖然是三層互通，但是通過控制器，也可以做到流表直接匹配mac轉發(fā)，而不需要IP。從這也可以看到SDN的靈活性。

四、總結

傳統(tǒng)網(wǎng)絡已經(jīng)經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，凝聚了無數(shù)人的智慧和心血，但是由于天生的缺陷，導致在很多場景上心有余而力不足，并且越來越復雜。SDN雖然誕生沒多久，但是已經(jīng)表現(xiàn)出非常強的生命力。傳統(tǒng)網(wǎng)絡在安全、可靠性、可維護性和性能上還有很大的優(yōu)勢，但是隨著SDN相關設備的發(fā)展，這種優(yōu)勢必然會越來越弱，而SDN依靠自己的優(yōu)勢，一定會不斷占領傳統(tǒng)網(wǎng)絡的領地。而在SDN內部，overlay網(wǎng)絡相比underlay網(wǎng)絡，簡化不足，復雜有余，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡的基礎上疊加虛擬化，比傳統(tǒng)網(wǎng)絡更復雜。overlay之于underlay，就好比ipv4之于ipv6，要從根本上解決問題，underlay必然是最終的選擇。