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计算机网络——26通用转发和SDN

news 2025/10/16 21:17:53

通用转发和SDN

网络层功能：

  • 转发： 对于从某个端口 到来的分组转发到合适的 输出端口
  • 路由： 决定分组从源端 到目标端的路径

网络层

传统路由器的功能

每个路由器(Per Route)的控制平面 （传统）

  • 每个路由器上都有实现路由算法元件（它们之间需要相互交互），形成传统IP实现方式的控制平面
  • 控制平面式分布式的，由各个路由器的各自完成，难于管理

在这里插入图片描述

路由器的网络层功能：

  • IP转发：对于到来的分组按照路由表决定如何转发，数据平面
  • 路由：决定路径，计算路由表；处在控制平面

传统的网络设备

还有其他种类繁多网络设备（中间盒）：

  • 交换机；防火墙；NAT；IDS；负载均衡设备
  • 未来：不断增加的需求和相应的网络设备
  • 需要不同的设备去实现不同的网络功能
    • 每台设备集成了控制平面和数据平面的功能
    • 控制平面分布式地实现了各种控制平面功能
    • 升级和部署网络设备非常困难

网络设备控制平面的实现方式特点

互联网网络设备：传统方式都是通过分布式，每台设备的方法来实现数据平面和控制平面功能

  • 垂直集成：每台路由器或其他网络设备，包括：
    • 硬件、在私有的操作系统；
    • 互联网标准协议(IP, RIP, IS-IS, OSPF, BGP)的私有实现
    • 从上到下都由一个厂商提供（代价大、被设备上“绑架”“）
  • 每个设备都实现了数据平面和控制平面的事情
    • 控制平面的功能是分布式实现的
  • 设备基本上只能（分布式升级困难）按照固定方式工作， 控制逻辑固化。
  • 不同的网络功能需要不同的 “middleboxes”：防火墙、负载均衡设备、NAT boxes, .
  • （数据+控制平面）集成>（控制逻辑）分布->固化
    • 代价大；升级困难；管理困难等

问题

  • 垂直集成造成价格昂贵
  • 不便于创新的生态（垄断）
  • 分布式、固化设备功能造成网络设备种类繁多
    • 无法改变路由等工作逻辑，无法实现流量工程等高级 特性
    • 配置错误影响全网运行；升级和维护会涉及到全网设 备：管理困难
    • 要增加新的网络功能，需要设计、实现以及部署新的 特定设备，设备种类繁多
  • ~2005：开始重新思考网络控制平面的处理方式
    • 集中：远程的控制器集中实现控制逻辑
    • 远程：数据平面和控制平面的分离

SDN：逻辑上集中的控制平面

一个不同的（通常是远程）控制器和CA交互，控制器决定分组转发的逻辑（可编程），CA所在设备执行逻辑

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SDN的主要思路

  • 网络设备数据平面和控制平面分离
  • 数据平面 - 分组交换机
    • 将路由器、交换机和目前大多数网络设备的功能进一步抽象成：按照流表（由控制平面设置的控制逻辑）进行PDU（帧、分组）的动作（包括转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞）
    • 统一化设备功能：SDN交换机（分组交换机），执行控制逻辑
  • 控制平面 - 控制器 + 网络应用
    • 分离、集中
    • 计算和下发控制逻辑：流表

SDN控制平面和数据平面分离的优势

  • 水平集成控制平面的开放实现（而非私有实现），创造出好的产业状态，促进发展
    • 分组交换机、控制器和各种控制逻辑网络应用APP可由不同厂商生产，专业化，引入竞争形成良好生态
  • 集中式实现控制逻辑，网络管理容易
    • 集中式控制器了解网络状况，编程简单，传统方式困难
    • 避免路由器的误配置
  • 基于流表的匹配 + 行动的工作方式允许“可编程的”分组交换机
    • 实现流量工程等高级特性
    • 在此框架下实现各种新型（未来）的网络设备

类比：主框架到PC的演变

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流量工程：传统路由比较困难

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Q: 网管如果需要u到z的流量走uvwz,x到z的流量走xwyz，怎么办？
A: 需要定义链路的代价，流量路由算法以此运算（ IP路由面向目标，无法操作） (或者需要新的路由算法)!

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Q: 如果网管需要将u到z的流量分成2路：uvwz 和uxyz ( 负载均衡)，怎么办?（IP路由面向目标）
A: 无法完成(在原有体系下只有使用新的路由选择算法 ，而在全网部署新的路由算法是个大的事情)

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Q:如果需要w对蓝色的和红色的流量采用不同的路由，怎么办？
A: 无法操作 (基于目标的转发，采用LS, DV 路由)

SDN特点

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SDN架构

数据平面交换机

  • 快速、简单、商业化交换设备，采用硬件实现通用转发功能
  • 流表被控制器计算和安装
  • 基于南向API，SDN控制器访问基于流的交换机
    • 定义了哪些可以被控制哪些不能
    • 定义了和控制器的协议

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SDN控制器

  • 维护网络状态信息
  • 通过上面的北向API和网络应用交互
  • 通过下面的南向API和网络交换机交互
  • 逻辑上集中，但是在实现上通常由于性能、可拓展性、容错性以及鲁棒性采用分布式方法

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控制应用

  • 控制的大脑：采用下层提供的服务（SDN控制器提供的API），实现网络功能
    • 路由器交换机
    • 接入控制防火墙
    • 负载均衡
    • 其他功能
  • 非绑定：可以被第三方提供，与控制器厂商以通常上不同，与分组交换机厂商也可以不同

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流表

每个路由器包含一个流表（被逻辑上集中的控制器计算和分发）

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OpenFlow

OpenFlow数据平面抽象

  • 流：由分组（帧）头部字段所定义
  • 通用转发：简单的分组处理规则
    • 模式：将分组头部字段和流表进行匹配
    • 行动：对于匹配上的分组，可以是丢弃、转发、修改、将匹配的分组发送给控制器
    • 优先权Priority：几个模式匹配了，优先采用哪个，消除歧义
    • 计数器Counters：#bytes 以及 #packets

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流表的表项结构

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例子：

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OpenFlow抽象

match + action：统一化各种网络设备提供的功能

设备matchaction
路由器最长前缀匹配通过一条链路转发
防火墙IP地址和TCP/UDP端口号允许或者禁止
交换机目标MAC地址转发或者泛洪
NATIP地址和端口号重写地址和端口号

目前几乎所有的设备都可以在这个匹配 + 行动模式框架进行描述，具体化为各种网络设备包括未来的网络设备

OpenFlow例子

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