1.3 软件定义的必要性

1.3.1 按需管理的挑战

随着云计算的规模不断增长，服务器和存储设备也在不断更新换代，包括网络接口、虚拟化技术、IP协议演进等，都对其数据中心内部的基础网络的稳定性提出了巨大的挑战。云计算产生的巨大流量也迫使网络使用诸如 FCoE（Fibre Channel over Ethernet，以太网光纤通道）融合网络、无分组丢失以太网等技术来缓解流量压力。在以往传统的数据中心中，服务器设备相对静态，对应的网络组建和配置也相对固定，配置和维护都相对简单。然而演进到云网络之后，一方面，计算虚拟化技术的大量应用需要大范围、动态地调度和迁移，需要云下的基础网络能够动态、快速地对相应配置按需做出更改；另一方面，云上的虚拟网络同样需要针对不同的智慧服务要求进行动态配置。面对新时期动态化、虚拟化的要求，如果依然采用传统的硬件定义、软件管理的模式，将极大地增加运营维护难度，同时将增加成本而降低效率。云计算对资本性支出（Capital Expenditure,CAPEX）和运营成本（Operating Expense,OPEX）带来的挑战如图1-3所示。

使用软件定义的方式，网络资源可以真正做到按需分配，而不是为每个服务器、每个集群之间固定地架设网络、预留带宽，配置更新时可以下发指令的形式进行，而不再需要逐一手动配置网络和连线。从这个角度上讲，软件定义能够解决以下问题。

图1-3 云计算对CAPEX和OPEX带来的挑战

① 硬件资源的利用效率低下；

② 资源分配笨拙而缺乏弹性；

③ 服务部署受制于已有的网络硬件部署，耦合度高；

④ 改动配置往往意味着重新规划和部署硬件网络设备、重新连线。

使用软件定义和虚拟化技术，能够对网络资源功能和某一具体的硬件网络设备解耦合，这极大地方便了整个网络的规划、部署、配置和再生产，对解决当前云计算数据中心内部爆炸式的需求增长是很有帮助的。

这样一来，软件定义就将服务提供商从软件管理网络的模式中解放了出来，降低了管理难度，节省了大量的CAPEX和OPEX，帮助服务提供商将以前的工作做得更简单、更轻松、更好。除此之外，软件定义还能够解决一系列传统模式难以解决的问题。

在常规的云计算环境当中，云上的虚拟网络和云下的基础网络相对独立，虚拟网络常以叠加网络的形式覆盖在基础网络上，建立在一个或者多个已存在的基础网络上，通过增加额外的、间接的、虚拟的层来改善下层基础网络部分领域中的一些属性。然而，由于叠加网络和基础网络，以及各个叠加网络之间寻求目标的不一致，它们之间存在着一定的策略冲突。现有叠加网络的生成，在节点部署、拓扑构建、网络映射等环节上存在着与基础网络不友好等问题。比如说，有必要支持根据服务质量（Quality of Service,QoS）需求为叠加网络应用分配资源及路由选择，平衡叠加网络节点和路径间的流量分布，降低叠加流量对非叠加流量的不利影响。

目前，解决叠加网络和基础网络之间矛盾的思路大多考虑了基础网络的能力和拓扑，旨在提高叠加网络的性能并减少网络生成的代价。基于软件定义的思路有助于从基础网络的能力组织和拓扑结构的整体视角，进行性能优化。在具体的映射生成上，可以从现有的节点优先映射的双阶段算法转变为节点和链路同时映射的单阶段算法。

使用软件定义的方式，可以通过简单编程来添加、删除或修改数据平面功能，从而减少维护的复杂性，并减少基于硬件的不灵活的数据平面元素中经常出现的生命周期成本。对接口进行简单修改来获取新的数据平面功能可以增强网络应用和控制平面元素的功能，提高工作效率。网络路由优化、安全、策略、QoS、流量工程等，都可在控制平面得到解决，网络控制逻辑则作为网络操作系统上面的应用而存在。

1.3.2 软件定义网络的现状

软件定义网络（Software-Defined Networking,SDN）作为一种新型网络技术[4]，被认为是解决云数据中心诸多网络问题的重要手段。它弥补了云计算在网络虚拟化方面的短板，使计算、存储和网络得到了进一步整合，软件定义数据中心（Software-Defined Data Centers,SDDC）方案[5]应运而生。SDDC概念最早由VMware公司在VMworld 2012大会上提出。还有诸如“软件定义的云数据中心”“基于SDN的云数据中心”等不同的说法。其核心都是通过软件定义的理念将网络的智能控制功能剥离出来并交给集中的网络操作系统，赋予云数据中心网络更灵活的能力，使云数据中心内所有资源和服务抽象化、池化和自动化并作为软件交付，并可通过策略驱动的智能软件进行管理[6]。

OpenFlow协议[4]出现后不久，美国斯坦福大学于2008年提出了SDN的概念，SDN迅速成为了国内外的研究热点，具有代表性的综述性文章可以参见文献[7-9]。同时，学术界也对数据中心的研究给予了高度关注，SIGCOMM、INFOCOM 等顶级国际会议均开辟了专门的数据中心研讨专题，汇聚相关领域的前沿研究成果。文献[7]对相关研究进行了综述，对各类研究成果的脉络进行了疏理、概括和总结。自2013年以来， SDN陆续在数据中心得到了部署应用[6]。数据中心网络往往由单个实体进行管理，因而其全局拓扑、流量信息和日志信息都可以得到，利用这些信息辅助协议和网络结构设计具有很大的研究价值。

在SDN及其应用领域，我国已经先后立项资助了多个“973”计划项目和国家自然科学基金项目，包括由刘韵洁院士主持的“973”计划项目“面向服务的未来互联网体系结构与机制研究”（2012CB315800）、由中国人民解放军信息工程大学兰巨龙教授主持的“973”计划项目“可重构信息通信基础网络体系研究”（2012CB315900）、由中国科学院计算技术研究所刘志勇教授主持的国家自然科学基金国际合作与交流项目“高效能数据中心——数据中心资源的优化组织与调度”（61520106005）等。此外，由清华大学李丹副教授主持的青年“973”计划项目“软件定义的云数据中心网络基础理论与关键技术”（2014CB347800）和优秀青年科学基金项目“数据中心网络”（61522205），专注于研究云数据中心环境下网络设计的科学规律与技术原理，探索软件定义的云数据中心网络架构[10]。随着诸多SDN技术的逐渐清晰和明朗，构建SDDC的解决方案逐步引起了学术界越来越多的关注和研究，包括高扩展性、高健壮性、低配置开销、服务器间的高带宽、高效的网络协议、灵活的拓扑和链路容量控制、绿色节能、服务间的流量隔离和低成本等方面，具体的研究进展将在下面的内容中加以介绍。