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软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是由美国斯坦福大学 Clean-Slate 课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。
整体结构 关键部位是SDN控制器
整体结构 关键部位是SDN控制器
SDN控制器
SDN控制器
OpenFlow，一种网络通信协议，属于数据链路层，能够控制网络交换器或路由器的转发平面（英语：Forwarding_plane）（forwarding plane），借此改变网络数据包所走的网络路径。
OpenFlow（OF）被认为是第一个软件定义网络（SDN）标准之一。它最初在SDN环境中定义了通信协议，使SDN控制器能够与物理和虚拟的交换机和路由器等网络设备的转发平面直接进行交互，从而更好地适应不断变化的业务需求。

概论

OpenFlow能够启动远程的控制器，经由网络交换器，决定网络数据包要由何种路径通过网络交换机。这个协议的发明者，将它当成软件定义网络（Software-defined networking）的启动器。
OpenFlow允许从远程控制网络交换器的数据包转送表，透过新增、修改与移除数据包控制规则与行动，来改变数据包转送的路径。比起用 访问控制表 (ACLs) 和路由协议，允许更复杂的流量管理。同时，OpenFlow允许不同供应商用一个简单，开源的协议去远程管理交换机（通常提供专有的接口和描述语言）[1][2]。

流表组成

流表首部字段值

计数器

  1. 记录已经与该流表项匹配的分组数量的计数器；
  1. 记录该流表项上次更新到现在经历时间的计数器。

动作

  1. 把分组转发到指明的端口
  1. 丢弃分组
  1. 把分组进行复制后再从多个端口转发出去
  1. 重写分组的首部字段（包括数据链路层、网际层以及运输层的首部)。
软件定义网络 SDN（Software Defined Network）是由美国斯坦福大学 CLean Slate 研究组提出的一种新型网络创新架构，可通过软件编程的形式定义和控制网络，其控制平面和转发平面分离及开放性可编程的特点，被认为是网络领域的一场革命，为新型互联网体系结构研究提供了新的实验途径，也极大地推动了下一代互联网的发展 [2] 。
回顾网络创新的发展历史，在 20 世纪 90 年代中期认为 “推动网络的创新，需要在一个简单的硬件数据通路上编程”，即动态网络。它的问题在于隔离性、性能、复杂度。20 世纪 90 年代后期认为，“为了推动网络创新，我们需要底层的数据通道是可编程的”，也即网络处理器。它的问题在于加剧了数据通道底层的复杂度。事实上在网络领域，我们一直以来没有分清一个简单通用的硬件底层与一个开放的上层编程环境之间的界限。之前的尝试往往犯以下错误：
  1. 假设当前的 IP 路由底层是固定的，并试图在其外部编程，包括路由协议；
  1. 自上而下地定义编程和控制模型。(但事实上 Intel 在选择 x86 指令集的时候，并没有定义 Windows XP、Linux 或者 VMware)
利用分层的思想，SDN 将数据与控制相分离。在控制层，包括具有逻辑中心化和可编程的控制器，可掌握全局网络信息，方便运营商和科研人员管理配置网络和部署新协议等。在数据层，包括哑的交换机（与传统的二层交换机不同，专指用于转发数据的设备），仅提供简单的数据转发功能，可以快速处理匹配的数据包，适应流量日益增长的需求。两层之间采用开放的统一接口（如 OpenFlow 等）进行交互。控制器通过标准接口向交换机下发统一标准规则，交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可 [1] 。
软件定义网络的思想是通过控制与转发分离，将网络中交换设备的控制逻辑集中到一个计算设备上，为提升网络管理配置能力带来新的思路 [3] 。SDN 的本质特点是控制平面和数据平面的分离以及开放可编程性。通过分离控制平面和数据平面以及开放的通信协议，SDN 打破了传统网络设备的封闭性。此外，南北向和东西向的开放接口及可编程性，也使得网络管理变得更加简单、动态和灵活 [3] 。
图 1-1 SDN 体系结构图
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SDN 的整体架构由下到上（由南到北）分为数据平面、控制平面和应用平面，具体如图 1-1 所示。其中，数据平面由交换机等网络通用硬件组成，各个网络设备之间通过不同规则形成的 SDN 数据通路连接；控制平面包含了逻辑上为中心的 SDN 控制器，它掌握着全局网络信息，负责各种转发规则的控制；应用平面包含着各种基于 SDN 的网络应用，用户无需关心底层细节就可以编程、部署新应用。
控制平面与数据平面之间通过 SDN 控制数据平面接口（control-data-plane interface，简称 CDPI）进行通信，它具有统一的通信标准，主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备，最主要应用的是 OpenFlow 协议。控制平面与应用平面之间通过 SDN 北向接口（northbound interface，简称 NBI）进行通信，而 NBI 并非统一标准，它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。
SDN 中的接口具有开放性，以控制器为逻辑中心 [1] ，南向接口负责与数据平面进行通信，北向接口负责与应用平面进行通信，东西向接口负责多控制器之间的通信。最主流的南向接口 CDPI 采用的是 OpenFlow 协议。OpenFlow 最基本的特点是基于流（Flow）的概念来匹配转发规则，每一个交换机都维护一个流表（Flow Table），依据流表中的转发规则进行转发，而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口，应用程序通过北向接口编程来调用所需的各种网络资源，实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有可扩展性，为负载均衡和性能提升提供了技术保障。
数据平面关键技术
在 SDN 中，数据转发与规则控制相分离，交换机将转发规则的控制权交由控制器负责，而它仅根据控制器下发的规则对数据包进行转发。为了避免交换机与控制器频繁交互，双方约定的规则是基于流而并非基于每个数据包的。SDN 数据平面相关技术主要体二十一世纪二十年代的交换机和转发规则上。
SDN 交换机的数据转发方式大体分为硬件和软件两种。硬件方式相比软件方式具有更快的速度，但灵活性会有所降低。为了使硬件能够更加灵活地进行数据转发操作，Bosshart 等人提出了 RMT 模型，该模型实现了一个可重新配置的匹配表，它允许在流水线阶段支持任意宽度和深度的流表。从结构上看，理想的 RMT 模型是由解析器、多个逻辑匹配部件以及可配置输出队列组成。具体的可配置性表现为：通过修改解析器来增加域定义，修改逻辑匹配部件的匹配表来完成新域的匹配，修改逻辑匹配部件的动作集来实现新的动作，修改队列规则来产生新的队列。所有更新操作都通过解析器完成，无需修改硬件，只需在芯片设计时留出可配置接口即可，实现了硬件对数据的灵活处理。
另一种硬件灵活处理技术 FlowAdapter 采用交换机分层的方式来实现多表流水线业务。FlowAdapter 交换机分为三层，顶层是软件数据平面，它可以通过更新来支持任何新的协议；底层是硬件数据平面，它相对固定但转发效率较高；中层是 FlowAdapter 平面，它负责软件数据平面和硬件数据平面间的通信。当控制器下发规则时，软件数据平面将其存储并形成 M 段流表，由于这些规则相对灵活，不能全部由交换机直接转化成相应转发动作，因此可利用 FlowAdapter 将规则进行转换，即将相对灵活的 M 段流表转换成能够被硬件所识别的 N 段流表。这就解决了传统交换机与控制器之间多表流水线技术不兼容的问题。
与硬件方式不同，软件的处理速度低于硬件，但软件方式可以提升转发规则处理的灵活性。利用交换机 CPU 或 NP 处理转发规则可以避免硬件灵活性差的问题。由于 NP 专门用来处理网络任务，因此在网络处理方面，NP 略强于 CPU。
在传统网络中，转发规则的更新可能会出现不一致现象，SDN 也如此。针对这种问题的一种解决方案是将配置细节抽象至较高层次以便统一更新。一般采用两段提交的方式来更新规则。首先，当规则需要更新时，控制器询问每个交换机是否处理完对应旧规则的流，确认后对处理完毕的所有交换机进行规则更新；之后当所有交换机都更新完毕时才真正完成更新，否则撤销之前所有的更新操作。然而，这种方式需要等待旧规则的流全部处理完毕后才能进行规则更新，会造成规则空间被占用的情况。增量式一致性更新算法可以解决上述问题，该算法将规则更新分多轮进行，每一轮都采用二段提交方式更新一个子集，这样可以节省规则空间，达到更新时间与规则空间的折中。
控制平面关键技术
控制器是控制平面的核心部件，也是整个 SDN 体系结构中的逻辑中心。随着 SDN 网络规模的扩展，单一控制器结构的 SDN 网络处理能力受限，遇到了性能瓶颈，因此需要对控制器进行扩展。当前存在两种控制器的扩展方式：一种是提高自身控制器处理能力，另一种是采用多控制器方式。
最早且广泛使用的控制器平台是 NOX [1] ，这是一种单一集中式结构的控制器。针对控制器扩展的需求，NOX-MT 提升了 NOX 的性能，具有多线程处理能力。NOX-MT 并未改变 NOX 的基本结构，而是利用了传统的并行处理技术来提升性能。另一种并行控制器是 Maestro，它通过良好的并行处理架构，充分发挥了高性能服务器的多核并行处理能力，使其在大规模网络情况下的性能明显优于 NOX。
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图 2 SDN 控制器扩展方式 (2 张)
](https://baike.baidu.com/pic/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E5%AE%9A%E4%B9%89%E7%BD%91%E7%BB%9C/9117977/2295964788/ac345982b2b7d0a2a26d84d2c6ef76094a369add?fr=lemma&fromModule=lemma_content-image&ct=cover “图2 SDN控制器扩展方式”)
但在多数情况下，大规模网络仅仅依靠单控制器并行处理的方式来解决性能问题是远远不够的，更多的是采用多控制器扩展的方式来优化 SDN 网络。控制器一般可采用两种方式进行扩展：一种是扁平控制方式，另一种是层次控制方式。（如图 2 所示）
在扁平控制方式中，各控制器放置于不同的区域，分管不同的网络设备，各控制器地位平等，逻辑上都掌握着全网信息，依靠东西向接口进行通信，当网络拓扑发生变化时，所有控制器将同步更新，而交换机仅需调整与控制器间的地址映射即可，因此扁平控制方式对数据平面的影响很小。在层次控制方式中，控制器分为局部控制器和全局控制器，局部控制器管理各自区域的网络设备，仅掌握本区域的网络状态，而全局控制器管理各局部控制器，掌握着全网状态，局部控制器间的交互也通过全局控制器来完成。
传统网络的层次结构是互联网取得巨大成功的关键。但是随着网络规模的不断扩大，封闭的网络设备内置了过多的复杂协议，增加了运营商定制优化网络的难度，科研人员无法在真实环境中规模部署新协议。同时，互联网流量的快速增长，用户对流量的需求不断扩大，各种新型服务不断出现，增加了网络运维成本 [1] 。传统 IT 架构中的网络在根据业务需求部署上线以后，由于传统网络设备的固件是由设备制造商锁定和控制的，如果业务需求发生变动，重新修改相应网络设备上的配置是一件非常繁琐的事情。在互联网瞬息万变的业务环境下，网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求，灵活性和敏捷性反而更为关键。因此，SDN 希望将网络控制与物理网络拓扑分离，从而摆脱硬件对网络架构的限制。
SDN 所做的事是将网络设备上的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备，屏蔽了底层网络设备的差异。而控制权是完全开放的，用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则策略，从而更加灵活和智能。进行 SDN 改造后，无需对网络中每个节点的路由器反复进行配置，网络中的设备本身就是自动化连通的，只需要在使用时定义好简单的网络规则即可。因此，如果路由器自身内置的协议不符合用户的需求，可以通过编程的方式对其进行修改，以实现更好的数据交换性能。这样，网络设备用户便可以像升级、安装软件一样对网络架构进行修改，满足用户对整个网络架构进行调整、扩容或升级的需求，而底层的交换机、路由器等硬件设备则无需替换，节省大量成本的同时，网络架构的迭代周期也将大大缩短。
总之，SDN 具有传统网络无法比拟的优势：首先，数据控制解耦合使得应用升级与设备更新换代相互独立，加快了新应用的快速部署；其次，网络抽象简化了网络模型, 将运营商从繁杂的网络管理中解放出来，能够更加灵活地控制网络；最后，控制的逻辑中心化使用户和运营商等可以通过控制器获取全局网络信息，从而优化网络，提升网络性能 [1] 。
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