2.2 软件定义网络

2.2.1 软件定义网络概述

随着信息通信技术的不断发展，当前网络已经能够为用户提供基于人与人、人与数据以及流程连通的多种应用。但是随着云计算、移动互联网和物联网的蓬勃兴起，各类应用与业务趋于多元化和多变化，目前的网络系统在应对井喷式爆发的移动端需求时有些应接不暇，其主要问题是上层应用与业务以及网络架构设计之间存在矛盾。一方面，为了满足用户需求，上层应用需要在规模扩展和服务能力上具有较大的灵活性；另一方面，传统网络架构规划与设计是以应用需求相对稳定为前提的。因此，为了满足上层应用与业务的自适应性和动态性要求，提高网络架构的可扩展性，一种全新的网络架构应运而生。

软件定义网络 （Software Defined Network，SDN）的核心思想在于利用OpenFlow技术将网络设备的控制功能和数据转发功能分离，将控制与管理平面集中到控制层，在控制层实现集中管理与可编程化，可以有效地克服传统网络的垂直架构，降低网络设备负载，从而实现对网络资源的灵活分配，对网络规划与配置的自适应动态调整。

2.2.2 软件定义网络发展路径

软件定义网络起源于斯坦福大学在 2006年发起的Clean Slate研究课题。随后，McKeown教授在2009年正式提出了软件定义网络的概念，并在同年入围 《麻省理工科技评论》十大前沿技术，得到了学术界高度的关注与认同。2012年，谷歌、思科等企业的加入，促进了SDN技术的落地与大规模的应用推广。在学术界和企业界的共同推进下，SDN的发展进入了快速时期，例如，2014年，斯坦福大学与加州大学伯克利分校共同推出了SDN开放网络操作系统 （Open Network Operating System，ONOS）；2015年，中国联通发布了 《新一代网络架构白皮书 （CUBE-Net 2. 0）》；2018年，思科、Apstra推出基于意图的网络（Intent-based Network）等。未来，SDN在应用范围、市场规模和技术融合等方面的发展将进一步扩大。

2.2.3 软件定义网络国内外发展现状

1. 国内发展现状

目前，基于CUBE-NET 2. 0，中国联通实施IP骨干网SDN重构等一系列技术创新，为产业互联网发展和政企数字化转型提供网络基础设施。杭州华三通信技术有限公司通过国家工业和信息化部 （以下简称工信部）SDN端到端解决方案测试，能很好地满足当前国内SDN商业发展的需求。2019年，中国SDN/NFV/AI大会指出，以SDN、NFV、AI为代表的新兴信息通信技术整体进入关键时期，未来会有更多的应用场景投入使用，网络步入智能化阶段。

2. 国外发展现状

在日本，三菱电机、庆应义塾大学、富士通、东洋公司等七家机构利用SDN技术实现了多个网络的互联，它们将日本境内的不同传输网络连接起来，构成了一个庞大的传输网络，应用SDN控制器进行协调控制，最终实现了跨地区的通信传输与交换。在美国，AT&T电信运营商基于SDN技术开发的“随选网络” 服务已经在100多个城市建立。此外，AT&T和Colt还完成了对SDN互操作性的测试，为未来双方网络设施的互联互通铺平了道路。

2.2.4 软件定义网络模型

图2-2为开放网络基金会 （Open Networking Foundation，ONF）定义的SDN基础架构，它主要有四个平面，其中最下层是数据平面，只承担简单的包转发功能；最上层是应用平面，承载网络的多元业务与应用；中间层是控制平面，在整个架构中发挥承上启下的作用。另外，管理平面负责与这三个平面进行信息的交换与传输。数据平面由交换机、路由器等网络设备相互连接而成；控制平面通过SDN南向接口将控制器的转发规则下发至数据平面，以统一集中的方式对网络设备进行配置和管理，通过北向接口与应用平面进行通信传输，使控制平面能够更好地对网络实施控制，满足定制化业务需求；应用平面通过可编程的方式将网络的控制权开放给用户，实现应用与业务的多元化和多样化。SDN利用其架构特点可以实现更简化和灵活的网络管理。

2.2.5 软件定义网络应用

1. SDN在电力通信网中的应用

电力通信网通过信息通信技术实现控制中心与用户之间的网络连接，从而使控制中心能够对网络故障进行监测和处理，为电网正常运行提供强有力的支撑。随着电力设备的爆发式接入，传统电力通信网难以保障全局状态信息的实时监测与故障的及时告警处理。针对这一问题，基于SDN控制与转发分离的特点，可利用集中控制实现复杂网络的灵活运维管控以及业务的自动化部署，提高通信网的安全性、灵活性和高效性，满足海量电力终端设备的集中统一化管理。

2. SDN在电力数据中心的应用

电力数据中心将采集到的数据信息在网络基础设施上进行传递、计算、存储等。目前，随着电力物联网的不断发展，越来越多的应用及数据被集中在数据中心上进行处理，而传统电力数据中心难以满足海量业务下资源的合理分配需求。SDN利用其架构特性，可以很好地收集数据中心之间的流量需求，并将数据中心的计算等资源虚拟为资源池进行统一的编排与分配，实现网络优化最大化以及多数据中心的集中控制和灵活调度，提升资源的利用率。

3. SDN在电力光纤到户中的应用

电力光纤到户可以同步传输电力流和信息流，从而实现用电信息采集、社会资源共享等应用。随着电力网络业务的不断发展，用户的需求也在不断提高，当前的光纤到户系统难以解决带宽的灵活分配等问题。针对这些问题，可基于SDN建立新型电力光纤入户系统架构，对光线路终端的MAC控制子层进行扩展，同时利用OpenFlow控制器对动态带宽分配模块进行更新和灵活配置，基于接收数据流与流表内容执行带宽分配策略，灵活满足多种业务需求，同时提高系统的可扩展性，支撑后期业务发展。