SDN：电信业一场颠覆性变革

孤独的骗子

近年来，软件定义的组网（SDN）打破了网络领域多年来的沉寂，成为几乎每个专业领域的热门议题。为什么SDN能够引起那么多不同专业、不同背景人士的共同兴趣？从战略层面来看，SDN将为电信业带来哪些全局性、颠覆性的变革？
1 电信业的探索
“治标不治本的网络演进思路已经难以为继，需要突破性思路和根本性网络架构变革。”
多年来，由于不断借鉴计算机的技术创新成果，电信网的功能和性能在不断进步。从网络架构上看，电信业也在不同的专业领域不断尝试控制与交换/转发/传送的分离以及集中控制的思路，例如核心网中的SS/IMS、承载网中的MPLS、传送网中的ASON等。然而，从实际效果来看，电信业学习得始终不到位、不彻底。而且，这些探索都是各个专业自己的独立探索，只涉及有限的专业领域或网络层面，开放性极其有限、标准化程度很低，并没有形成统一、跨网、跨层、跨域、跨技术的网络架构、接口和协议，自然也没有带来全局性的影响和突破。
尽管电信业学习和借鉴了很多计算机技术的成果，但在技术思维方式上和网络架构上却一直在沿用传统的软硬件一体化的封闭架构。时至今日，这种进展缓慢、昂贵、封闭的网络架构与不断创新、日益庞大的互联网应用层的矛盾已经日益尖锐，难以调和，这也成为电信网成本居高不下的根本原因。显然，传统的治标不治本的网络演进思路已经难以为继，需要突破性思路和根本性网络架构变革。
2 现有电信网的症结
“现有封闭无序的体系架构和封闭的网元架构注定了网络行为的不确定，也就难以支持QoS、扩展性、安全性、可管可控可信任等要求。”
在蓬勃发展的互联网时代，现有电信网所暴露出来的主要问题可以归纳为以下四个方面。
第一，网络复杂、刚性而昂贵。电信网通常由大量单一功能、专用网络节点和碎片化、昂贵、专用的硬件构成。网络一旦建好，难以变动，无法快速配置资源和带宽，支撑不了应用层的新应用、新使用方式、新商业模式。
第二，电信网的网元是软硬件垂直一体化的封闭架构。历史上，电信网为了满足不同业务、接入方式、质量、安全等需求，引入了大量不同的控制协议，且绑定于特定转发协议，构成控制转发一体化的封闭架构。这种封闭的架构导致设备本身日益臃肿、扩展性受限、功耗很大、性能提升空间小、创新难、价格昂贵。一旦部署，就被厂家锁定。从网络角度来看，网络的设备种类和数目也越积越多，不仅造成硬件的大量重复和浪费，也带来了网络的高度复杂性，正越来越成为网络运维人员的噩梦。
第三，网络和业务形成了大量独立的“烟囱群”。随着技术与业务的不断发展，新业务、新功能、新性能的提供往往需要开发新协议和新设备，造成设备种类和数量的大量繁衍，外加运营商上下分割和部门间左右分割的格局和现状，形成大批独立封闭的网络和业务“烟囱群”，成本高、资源不能共享、利用率低、网络和业务难以协同和融合，无法以互联网时间快速支撑业务和应用及使用模式的快速变化。
第四，电信网的运营成本和建设成本居高不下。随着网络和业务的不断发展，运营商尤其是中国的电信运营商不得不面对大量不同的厂家及不同设备的采购、设计、集成、互操作测试、部署配置、维护运行、升级改造，导致居高不下的运营成本和建设成本。特别是面对云计算和移动互联网动态变化对资源和容量的要求，以手工配置为主的静态网络根本无法快速支撑这些新技术、新业务的发展。
不难看出，上述这些问题多半与网络架构有关。现有封闭无序的体系架构和封闭的网元架构注定了网络行为的不确定，也就难以支持QoS、扩展性、安全性、可管可控可信任等要求。云计算所需的灵活动态网络资源配置、高效资源利用率、公平的资源分配均受制于这种网络刚性架构。可见，网络架构的突破才是根本性突破，而这正是SDN的珍贵之处。因此，对于SDN的认识绝不能仅仅停留在OpenFlow协议或网络功能虚拟化的技术层面上，而要有系统的未来网络架构演进的整体思维和战略认识。
3 SDN的主要驱动力
“随着网络量收剪刀差的持续扩大，技术进步的步伐已经难以跟上流量的攀升和成本的上升，降低网络成本已经成为应对量收剪刀差的基本出路。”
首先是为了降低网络成本，特别是运行、管理和维护（OAM）成本。随着网络量收剪刀差的持续扩大，技术进步的步伐已经难以跟上流量的攀升和成本的上升，降低网络成本已经成为应对量收剪刀差的基本出路，而现有僵硬的网络架构阻碍了这一目标的实现。某著名咨询公司甚至预计SDN架构有可能降低30%~40%的总体拥有成本（TCO）和60%~80%的运行、管理和维护（OAM）成本，而笔者以为即便能达到上述目标的一半也是了不起的成就。
其次是为了业务灵活和创新能力。期望通过开放、灵活的网络架构带来业务创新和业务提供的灵活性与速度以及资源分配灵活性的根本改观，从而适应新的竞争形势、新的应用、新的使用方式、新的商业模式、新的用户。
再次是因为现在已经有廉价的商用IT平台可用。五年来，随着IT业在适度性能要求和宽松可靠性要求的前提下，持续不断地降低成本，使得目前大容量服务器、存储器和交换机等已经基本具备支撑大量电信和互联网应用的能力。
最后，近年来随着计算机技术的不断进步，先是存储技术和服务器的虚拟化已经成熟并广泛应用，现在网络虚拟化技术也基本可用，从而允许抽象和屏蔽底层的硬件，使得网络更有弹性和扩展性、更高效和经济，也更易于实现自动化。
4 SDN的基本特征
“SDN/NFV完满地结合了快速、高效、基于包的本地决策机制和整体的、基于流的集中控制决策机制。”
SDN的特征有多种描述角度，应用于不同的专业网络时也可能呈现不同的特征，但是最基本的共性特征有四个。
——水平集成、控制与转发分离及软硬件解耦
解耦后的软件和硬件可以分别独立发展，软件可以实现灵活的控制面功能满足用户多元化需求，还可以快速部署网络及网络功能和参数，快速调度带宽等资源，提升链路利用率等。硬件成为简单哑资源，专注转发，可采用廉价通用IT设备，减少设备种类和专用平台，大幅降低硬件成本，简化运维管理。
——网络虚拟化
SDN通过将转发过程抽象为流表，控制器直接控制流表，屏蔽了底层硬件，实现了网络虚拟化，物理硬件被淡化为资源池，不仅可以按需灵活和快速分配以及相互隔离，而且可望显著减少硬件数量及其连带的建设和运营成本。

——逻辑上集中控制
SDN使得运营商具有全网视野，掌握跨网、跨层、跨域、跨技术和跨厂家的全局信息（包括拓扑和网络状态等），有望最佳地利用全网的资源，提升网络性能（网络的收敛速度和延时特性等），确保网络系统路由和性能的可预测，并希望能提供一些全新的网络功能。
——开放性和软件可编程接口
SDN打破了传统电信设备软硬件一体化的封闭模式，有望建立和利用更广泛、开放和强壮的产业链。而采用软件可编程接口后，可以通过编程直接而快速地决定网络功能，这将极大地简化和加速网络的部署、管理、升级、自动化，有利于网络和业务的持续演进和不断创新。
简言之，SDN/NFV完满地结合了快速、高效、基于包的本地决策机制和整体的、基于流的集中控制决策机制。
5 带给运营商的价值
“SDN为业务创新提供广阔的想象空间，有可能实现运营商多年来不断讨论却从未实现过的增收夙愿。”
SDN对于运营商而言既是一次重大挑战，又是一次难得的网络变革机遇，归纳来看，至少有五个核心价值。
——SDN能显著降低网络成本
SDN能降低运营和建设成本。运营商可以大幅度减少设备的采购、集成、互操作和运维升级成本，还可减少硬件种类和数量及连带的建设与运营成本。硬件IT化、标准化和规模化后，也可以显著降低设备成本。此外，提高了网络资源利用率。因为SDN具有跨网、跨层、跨域、跨技术和跨厂家的全局视野，有望最佳地利用全网资源，动态、实时地按需分配资源。据初步估算，仅骨干传送网引入SDN后即可至少提高网络吞吐量一倍。
——有望增加业务收入
SDN可以加快新业务部署，无须涉及费时耗力的硬件配置变化，靠软件编程即可快速完成网络业务的自动化部署，快速推出新业务。在业务创新上，当运营商有了开放的标准接口、软硬件解耦和软件可编程后，就能为业务创新提供广阔的想象空间，有可能实现运营商多年来不断讨论却从未实现过的增收夙愿。
——网络简单
一是体现在网络硬件简化上，硬件种类和数量可望大幅度减少。硬件被控制器屏蔽和抽象化以及模块化后，运营商可以摆脱繁复和频繁的硬件配置与升级工作。二是体现在软件决定网络功能上，SDN利用软件编程就能很快决定网络功能及其部署和参数设置。此外，还体现在性能多样化上，按照普适的8∶2原则，在实际应用中80%的应用无须所谓的电信级高质量，20%高质量业务到底需要什么样的高质量也是值得商榷的，人们脑子里根深蒂固的电信级性能的标志性指标就是业务保护倒换时间50ms以及网络节点5个9的可用性，源自何处？为何要这么严？说不清、道不明，老百姓却不买这个账，运营商自己也是包袱沉重、步履艰难。
——网络灵活
互联网时代对于网络的基本要求就是足够灵活。SDN为网络带来了三重灵活性，即网络扩展的灵活性、网络和业务演进的灵活性、业务创新的灵活性，有望实现从传统的业务应用必须适应网络向网络能够快速适应业务应用的根本性转变。此外是低风险部署，在快速多变的互联网时代，网络部署的风险也大大增加，而SDN允许在软件测试环境下以较低的风险来试验和部署网络新业务，规避了在大网上直接试验和部署的风险。
——网络开放
互联网最核心的精神就是开放。SDN的开放生态系统显然更容易激发创新。并且，SDN也有助于建立更加丰富和扁平的生态链，电信业将主要由传统的运营商、设备制造商和互联网公司扩展包括纯软件开发商、纯IT厂家及芯片和器件开发商构成。此外是规避风险，一个开放的网络可以使运营商规避锁定于单一供应商风险。这些年来的一系列开放软件平台，诸如万维网、谷歌的安卓、苹果的iOS等，不仅本身都取得了巨大的商业成功，而且为全球互联网生态链的健康茁壮成长作出了巨大贡献，相信SDN的开放创新平台也一定能取得巨大的成功。
6 SDN的应用前景
“SDN的应用必然是一个长期的逐步演进的过程，随每家运营商所面临的问题和具体网络基础而异。2015年将很有可能成为SDN在公用网中的商用化元年。”
SDN是一种全新的网络架构，其希望全面融入甚至最终可以替代或部分替代的电信网，又是极其庞大复杂的全球性基础设施。因此，SDN的应用必然是一个长期的逐步演进的过程，随每家运营商所面临的问题和具体网络基础而异，不可能有一个整齐划一的演进路径。
一般而言，IDC和企业及校园局域网等场景是最佳的初始应用场景。在这种场景下，网络规模不算大，SDN集中控制器的压力较小，选路策略仅由一家企业决定，无利益冲突的障碍。特别是相对隔离的IDC场景，引入SDN后，可望实现灵活选路、流量可管可控、可全局优化，突破资源限制、提高带宽利用率、实现跨IDC的业务自动部署和统一管理以及多租户灵活组网，最终实现网络即服务的目标。随着IDC与现有公用网络的日益融合，上述在IDC场景获得的经验也不难逐渐适配和应用于公用网络。
SDN应用于公用网后，将面临网络规模大、设备类型多、厂家多、利益主体多的复杂局面，控制器的转发策略涉及的将不仅是软件复杂性等技术问题，更多的是不同主体商业利益的冲突和协调。因而SDN的应用策略应该既要考虑实际网络和业务急需，又要有长期的演进策略支撑和坚定的决心。
理论上，作为开放架构的SDN可以适用于几乎网络的每一领域，至少包括核心网、移动网、承载网、传送网、接入网、家庭网、业务网、网络运行支撑系统（OSS）和业务支撑系统（BSS）等。即便同一个网络领域各自的应用出发点和目的也不尽相同，难以一一细述。但是有一点共同之处是越来越多的运营商开始认识到SDN的战略意义并开始在公用网络的不同专业领域进行试验和试商用，2015年将很有可能成为SDN在公用网中的商用化元年。
7 来自现实的挑战
“SDN的完善和发展一定要避免陷入‘高性能、高可靠、高成本’的传统电信思维，给一个生龙活虎的新技术加上不必要的沉重枷锁。”
SDN确实提供了十分美好的前景，但是真正实施和实现预定的目标将面临很多现实的挑战。尽管电信业在过去也曾面临过各种挑战，但是这次挑战的性质及其涉及的广度和深度都是前所未有的。
第一是集中控制和管理的扩展性、弹性和安全性挑战。大型IDC有数千台交换机和数万台虚拟交换机，大型电信网有数百万台设备。这样大规模网络的集中管理、配置、故障定位、弹性和安全性是一个很大的挑战。
第二是网络架构/接口/协议的标准化和互操作挑战。目前SDN的控制器架构已经有多种，接口也不能完全统一，这将在实施中给SDN带来的好处打折扣。
第三是对网络建设和运维体系、流程和人才的挑战。这么多不同来源和不同版本的新老软件、硬件、网管，怎样采购、集成、故障定位？怎样使得公司的市场、规划建设、运维和IT部门能够协同一致，而非各行其是？这些已经涉及企业体制、流程与文化的挑战，比纯技术挑战还难对付。
第四是通用硬件的性能和可靠性挑战。网络对芯片性能的要求高于计算，目前尚无完全符合OpenFlow标准的芯片。使得通用硬件性能不能满足高性能网元的要求。目前通用硬件的可靠性也还达不到传统电信级设备的可用性要求。
第五是软件的复杂性和有效性挑战。SDN控制器需要为进来的每一条流选择一条数据通道，对于大型电信网极其复杂。
上述挑战，特别是技术上的挑战已经有一些解决方案，例如近来国际标准组织提出的分层的控制器架构就在相当程度上化解了大型网络所面临的集中控制的困难和风险。但是毕竟SDN是一个新生事物，需要足够的时间和实践来完善、充实和发展。既然互联网的试错和迭代开发机制被认为是其生命力之所在，那么人们对于SDN也同样应该有足够的宽容心和积极的态度。此外，也需要切记对于SDN的完善和发展一定要避免陷入“高性能、高可靠、高成本”的传统电信思维，给一个生龙活虎的新技术加上不必要的沉重枷锁。
8 战略层面的思考
“SDN不仅面临技术挑战，还将面临公司的体制、流程、文化和人才的挑战。”
综上所述，SDN绝不是简单、狭义的OpenFlow协议，而是整个电信网的战略性变革，需要从更高层面和更广阔的背景上理解和认识。
第一，SDN是实现“去电信化”改造的重要突破方向，也是应对量收差持续扩大的有效手段。事实上笔者对于SDN的兴趣最初就是从降低成本和业务创新这两个目标开始的，而这恰好对于“去电信化”和量收差持续扩大的困境提供了关键的突破方向。
第二，SDN是电信网的全局性、颠覆性变革，绝不限于数据网领域。简言之，SDN不仅涉及新的架构、新的应用、新的方法、新的生态系统、新的商业模式，而且渗透到网络的几乎每一部分。
第三，SDN是电信网实施体系架构变革的抓手。多年来，尽管电信业在不断学习计算机的具体技术和方法，但在网络架构上却一直沿用着软硬件一体化的封闭架构。显然，这种进展缓慢、昂贵、封闭的网络架构与不断创新、日益庞大的互联网应用层的矛盾已经难以调和，必须对网络架构进行变革。
第四，SDN是ICT产业链重塑的重要机遇和挑战。SDN涉及的领域已远超传统电信业的范围，至少含运营商、电信设备商、互联网公司、IT厂家、软件开发商、芯片和器件厂家六大类。目前看来，受冲击最大的可能是前两类。
第五，SDN在电信网的应用不可能一蹴而就，将与传统网络长期共存协同，逐步演进。因而新老系统的软件、硬件和网管的集成和平滑过渡将是一项长期的艰巨任务，这不仅面临技术挑战，还将面临公司的体制、流程、文化和人才的挑战。
美国著名学者J·C·R·利克里德有一句名言：“人们总是高估在未来一年间可以做的事，而低估在未来五到十年间可以做的事。”这一观点已经为无数事实所验证。对于SDN也同样要避免短视和功利，看到其深远、全局性、颠覆性的影响，因势利导，早做准备，迎接挑战，拥抱未来。
链 接
软件定义网络（Software Defined Network，SDN），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，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
从路由器的设计上看，它由软件控制和硬件数据通道组成。软件控制包括管理（CLI、SNMP）以及路由协议（OSPF、ISIS、BGP）等。数据通道包括针对每个包的查询、交换和缓存。如果将网络中所有的网络设备视为被管理的资源，那么参考操作系统的原理，可以抽象出一个网络操作系统（Network OS）的概念——这个网络操作系统抽象了底层网络设备的具体细节，同时还为上层应用提供了统一的管理视图和编程接口。这样，基于网络操作系统这个平台，用户可以开发各种应用程序，通过软件来定义逻辑上的网络拓扑，以满足对网络资源的不同需求，而无须关心底层网络的物理拓扑结构。
SDN提出控制层面的抽象，目前的MAC层和IP层能做到很好的抽象，但是对于控制接口来说并没有作用，人们以处理高复杂度（因为有太多的复杂功能加入体系结构中，比如OSPF、BGP、组播、区分服务、流量工程、NAT、防火墙、MPLS、冗余层等）的网络拓扑、协议、算法和控制来让网络工作，完全可以对控制层进行简单、正确的抽象。SDN给网络设计规划与管理提供了极大的灵活性，人们可以选择集中式或是分布式的控制，对微量流（如校园网的流）或是聚合流（如主干网的流）进行转发时的流表项匹配，可以选择虚拟实现或是物理实现。
目前，包括惠普、IBM、思科、NEC以及国内的华为和中兴等传统网络设备制造商都已纷纷加入OpenFlow的阵营，同时有一些支持OpenFlow的网络硬件设备已经面世。（白科）