软件定义网络——原理、技术与实践

软件定义网络（SDN）是由Emulex公司提出的一种新型网络创新架构，旨在帮助网络跨入云时代，适应快速变化的业务需求。本书全面介绍了软件定义网络的基本概念、原理和商业应用。全书共13章，从多个方面阐释了SDN，从SDN的由来和历史沿革，到SDN技术的*发展情况和未来走向，全面分析了SDN和OpenFlow的技术原理，分析了SDN的开放源码及相关资源，并探讨了SDN的应用场景、商业发展及其局限性，是一本视野广阔的SDN参考手册。

Paul Goransson 拥有美国波士顿大学计算机工程硕士学位以及美国新罕布什尔大学计算机科学博士学位。Paul曾任职于安捷伦科技的先进网络部门和思科的无线网络商务部门的高级管理层。他亲手创建的两家公司都已成功被行业巨头收购：惠普收购了Qosnetics（1999）；思科收购了Meetinghouse（2006）。Chuck Black 拥有美国加州州立理工大学的计算机科学学士和硕士学位，在计算机网络领域拥有超过31年的工作经验，其中大部分时间在惠普研究与开发实验室工作，此后他成为SDN初创公司Tallac Networks的创始人之一。在局域网发展的早期，Chuck曾是该行业早的网络拓扑发现算法的作者。王海 IEEE高级会员。现为解放军理工大学通信工程学院教授，博士生导师。负责国家自然科学基金课题4项，国家863课题1项，参与国家863课题、国家重点基础研究发展计划 （973计划）项目、国防973项目多项。2010年作为访问学者赴加拿大不列颠哥伦比亚大学电子与计算机工程系从事无线组网的研究。2011年12月回国，目前主要从事无线网络与应用、认知无线网络、组网协议等相关方面研究，获军队科技进步二等奖1项，三等奖6项。出版译著多部。作为发明人申请国家发明专利10余项。发表论文50余篇。

目 录第1章 绪言1.1 分组交换的基本术语1.2 历史背景1.3 现代数据中心1.4 传统交换机体系结构1.4.1 数据、 控制和管理平面1.4.2 基于软件的路由选择和桥接1.4.3 转发表的硬件查找1.4.4 通用可编程的转发规则1.5 自治和动态转发表1.5.1 二层控制1.5.2 三层控制1.5.3 是协议大杂烩还是一碗交换机粥1.6 我们能提高分组转发的IQ值吗1.7 开源和技术转变1.8 本书的组织结构参考文献第2章 为什么是SDN2.1 交换机及控制平面的发展历程2.1.1 用软件实现的简单的分组转发和路由选择2.1.2 早期设备的独立性和自治性2.1.3 从软件走向硬件2.1.4 硬件转发以及用软件实现的控制2.1.5 简化设备的需求越来越强烈2.1.6 控制从设备上的移除2.2 成本2.2.1 开发成本不断增加2.2.2 封闭的环境鼓励供应商的市场圈定2.2.3 变革的复杂性与阻力2.2.4 网络运营成本的上升2.3 SDN意味着不断的探索和革新2.3.1 现状对目前主流供应商有利2.3.2 SDN对科研创新的促进作用2.4 数据中心的创新2.4.1 计算和存储虚拟化2.4.2 当前网络的不足之处2.5 数据中心的要求2.5.1 自动化2.5.2 可扩展性2.5.3 多路径2.5.4 多租户2.5.5 网络虚拟化2.6 小结参考文献第3章 SDN的起源3.1 网络技术的发展历程3.1.1 大型机网络： 远程终端3.1.2 点对点对等连接3.1.3 局域网3.1.4 桥接网络3.1.5 路由选择网络3.2 SDN的前身3.2.1 早期的尝试3.2.2 网络接入控制3.2.3 编排3.2.4 虚拟管理器网络插件3.2.5 ForCES： 转发和控制平面的分离3.2.6 4D： 集中的网络控制3.2.7 Ethane： 基于控制器的网络策略3.3 软件定义网络的诞生3.3.1 OpenFlow的出现3.3.2 开放网络基金会3.4 维护SDN的互操作性3.5 开放源代码的积极作用3.5.1 集体的力量3.5.2 集体的危险性3.5.3 SDN开源代码3.6 传统机器向SDN的演化3.7 网络虚拟化3.8 我可以把自己的网络称为SDN吗3.9 小结参考文献第4章 SDN的工作原理4.1 SDN的基本特点4.1.1 平面分离4.1.2 简化的设备和集中的控制器4.1.3 网络自动化和虚拟化4.1.4 开放性4.2 SDN的工作原理4.3 SDN网络设备4.3.1 流表4.3.2 软件SDN交换机4.3.3 硬件SDN设备4.3.4 SDN设备的现有实现4.3.5 流的数量调整4.4 SDN控制器4.4.1 SDN控制器的核心模块4.4.2 SDN控制器接口4.4.3 目前SDN控制器的实现4.4.4 SDN控制器的潜在问题4.5 SDN应用4.5.1 SDN应用的职责4.6 替代的SDN方法4.6.1 利用现有API的SDN4.6.2 利用基于虚拟机管理程序的覆盖网络的SDN4.7 小结参考文献第5章 OpenFlow规范5.1 本章使用的术语5.2 OpenFlow概述5.2.1 OpenFlow交换机5.2.2 OpenFlow控制器5.2.3 OpenFlow协议5.2.4 控制器与交换机之间的安全通道5.3 OpenFlow 1.0和OpenFlow的基本概念5.3.1 端口和端口队列5.3.2 流表5.3.3 分组匹配5.3.4 动作与分组转发5.3.5 控制器和交换机之间的消息5.3.6 举例： 控制器对流表的编程5.3.7 举例： 基本的分组转发5.3.8 举例： 交换机向控制器转发分组5.4 OpenFlow 1.1新增功能5.4.1 多级流表5.4.2 群组5.4.3 MPLS和VLAN标签的支持5.4.4 虚拟端口5.4.5 控制器连接失效5.4.6 举例： 使用多级流表的转发5.4.7 举例： 使用V.1.1的群组多播5.5 OpenFlow 1.2的新增功能5.5.1 支持可扩展匹配5.5.2 支持可扩展的SET_FIELD分组重写5.5.3 PACKET_IN中可扩展的上下文表达式5.5.4 多控制器5.5.5 举例： 经过SP网络的桥接VLAN5.6 OpenFlow 1.3的新增功能5.6.1 功能协商的重构5.6.2 支持更灵活的表失配5.6.3 每流计量5.6.4 每连接的事件过滤5.6.5 辅助连接5.6.6 PACKET_IN消息中的Cookie5.6.7 运营商骨干网桥接的标签处理5.6.8 举例： 利用计量段强制实施的QoS5.7 OpenFlow的局限性5.8 小结参考文献第6章 SDN的替代定义6.1 OpenFlow潜在的缺点6.1.1 变化太大、 太快6.1.2 单点故障6.1.3 性能和规模6.1.4 深度分组检测6.1.5 状态流意识6.1.6 结论6.2 SDN-via-API6.2.1 网络设备中的传统API6.2.2 适用于SDN-via-API的API6.2.3 REST： 一种不同的API协议6.2.4 SDN-via-API举例6.2.5 SDN-via-API的评估6.3 基于虚拟机管理程序的覆盖网络SDN6.3.1 覆盖网络中的控制器6.3.2 覆盖网络的操作过程6.3.3 SDN-via-overlay举例6.3.4 SDN-via-overlay的评估6.4 利用开放设备的SDN6.5 网络功能虚拟化6.6 各种替代方法之间的重叠与比较6.7 小结参考文献第7章 数据中心的SDN7.1 数据中心的定义7.2 数据中心的需求7.2.1 克服当前网络的限制7.2.2 增加、 移动和删除资源7.2.3 故障恢复7.2.4 多租户7.2.5 流量工程和路径效率7.3 数据中心的隧道技术7.3.1 虚拟扩展局域网7.3.2 使用通用路由封装的网络虚拟化7.3.3 无状态传输隧道7.4 数据中心的路径技术7.4.1 通用多路径路由选择7.4.2 多生成树协议7.4.3 短路径桥接7.4.4 等价多路径7.4.5 SDN和短路径的复杂性7.5 数据中心的以太网矩阵7.6 数据中心的SDN应用场景7.6.1 克服当前网络的限制7.6.2 增加、 移动和改变网络资源7.6.3 故障恢复7.6.4 多租户7.6.5 流量工程和路径有效性7.7 比较开放SDN与SDN-via-overlay在数据中心的表现7.7.1 SDN-via-overlay7.7.2 开放SDN7.8 现实世界的数据中心实现7.9 小结参考文献第8章 非数据中心环境下的SDN8.1 广域网8.1.1 SDN在广域网中的应用8.1.2 举例： 谷歌广域网的MPLS LSP8.2 服务提供商和电信运营商网络8.2.1 SDN在服务提供商和电信运营商网络中的应用8.2.2 举例： MPLS-TE和MPLS VPN8.2.3 举例： 服务提供商的云爆发8.3 园区网8.3.1 园区网中的SDN： 策略的应用8.3.2 园区网中的SDN： 设备与用户安全8.3.3 园区网中的SDN： 流量抑制8.4 酒店网8.5 移动网络8.5.1 SDN应用于移动网络8.6 在线网络功能8.6.1 NFV与SDN的比较8.6.2 SDN应用于服务器负载均衡8.6.3 SDN用于防火墙8.6.4 SDN应用于入侵检测8.7 光传输网络8.7.1 SDN应用于光网络8.8 SDN与P2P/覆盖网络的比较8.9 小结参考文献第9章 SDN生态圈合作伙伴9.1 学术研究机构9.1.1 学术界对SDN的主要贡献9.2 产业研究实验室9.3 网络设备制造商9.4 软件供应商9.5 白盒交换机9.6 商用芯片生产商9.7 原始设备制造商9.8 企业9.9 标准机构和产业联盟9.9.1 开放网络基金9.9.2 OpenDaylight9.9.3 OpenStack9.9.4 IETF和IEEE9.10小结参考文献第10章 SDN的应用10.1 前期工作10.2 反应式应用和先应式应用的比较10.2.1 术语10.2.2 反应式SDN应用10.2.3 先应式SDN应用10.3 一些简单SDN应用的分析10.4 一个简单的Java反应式应用10.4.1 主机名黑名单10.4.2 IP地址的黑名单处理10.4.3 黑名单： 监听器10.4.4 黑名单： 分组处理器10.4.5 黑名单： 流管理器10.5 控制器的背景10.6 使用Floodlight控制器10.6.1

译 者 序我们非常高兴地向广大读者推荐本书。软件定义网络是近年来网络发展的一个重点方向， 它与大数据、 云计算一起吸引了众多科技工作者、 管理者和广大用户的注意力。铺天盖地的宣传与产品已经在市场上涌现， 但对于大多数读者来说， 仍存在“到底什么是软件定义网络？”“软件定义网络到底好在哪里？”“软件定义网络是否适合我？”的疑问。本书以通俗易懂的语言、 全面广泛的图表， 精确、 全面地解答了上述问题。今天， 在互联网上从来不缺少有关软件定义网络的信息， 包括各种形式的博客、 播客、 微博等。然而， 正如读者将在本书里看到的那样， 软件定义网络这个名词下面实际上囊括了多种完全不同的技术、 体制以及具体的实现系统， 大部分针对软件定义网络的介绍都只是讨论了这些技术的一部分， 并且由于观察角度和观察对象的不同， 难免以偏概全， 这也是很多专业人士对软件定义网络的观点大相径庭的原因。市面上关于软件定义网络的书也有不少， 但从整体看， 有的书侧重描述协议细节， 对于技术的整体缺乏阐述， 只见树木不见森林；有的又过于宏观， 缺乏细节。本书作者Paul Gransson博士和Chuck Black先生凭借他们多年浸淫在软件定义网络里的工程和实践经验里， 站在相对公正的立场上巨细靡遗地揭示了软件定义网络的宏大家族， 从历史、 发展、 应用、 未来、 生态链、 周边产业等多个角度介绍了软件定义网络。清晰准确地告诉我们软件定义网络是什么、 不是什么， 它能帮助我们跳入软件定义网络这一浩瀚的海洋， 同时又能避开迷思的漩涡。本书宏观与微观兼具， 树木与森林并览， 读此书， 您会惊讶于作者从如此多的视角来观察一项技术， 给读者提供了充足的实例来认识一项技术的全貌。任何对网络和软件定义网络感兴趣的读者， 都能轻而易举地理解本书的内容， 包括本科生和研究生、 网络专业人员和IT经理。本书内容包容性很强， 不需要广泛的网络知识， 就能让读者充分了解其价值。本书通过对网络发展史的简介及其技术的描述， 再加上对OpenFlow和软件定义网络行业全景的描绘， 为读者提供了丰富的背景知识。如果您是一位网络架构师或IT经理， 可能经常会在市面上发现多种解决方案， 它们的名字都是软件定义网络， 但是其细节却大相径庭， 此时您往往会感到困惑， 不知道哪种方案适合您。阅读本书可以为您理解和评估市场上相互竞争的各种软件定义网络技术手段提供坚实的基础。本书内容涵盖之广， 超出您想象。甚至包括软件定义网络对未来IT职业的影响。作为一个IT从业者， 您的职业生涯会受到软件定义网络的影响吗？您应该如何改变自己以适应这个发展大潮？建议您阅读本书。限于水平， 翻译不妥和错误之处在所难免。敬请广大读者批评指正。来信请发至[email protected]。译 者序 言什么是软件定义网络？它为什么会风靡网络界？这似乎是一个十分简单的问题， 但是却让我花了将近三年的时间去世界各地为上至大型网络运营商的首席技术官， 下至本科工程专业的学生反复解答此问题。当我在2010年7月首次公开谈论SDN的核心协议OpenFlow时， 几乎还没有人听说过OpenFlow或软件定义网络， 即使在大学校园的网络技术社区里也是如此。然而仅仅过了10个月， 在2011年5月， OpenFlow已然成为Interop Las Vegas的热点话题， 并且在这个展会上有15个供应商展示了自己的OpenFlow原型。此时， 以促进和规范SDN为宗旨的开放网络基金会（ONF）已经成立， 而每一本网络技术方面的出版物都在讲述着与这种新技术有关的故事。那可真是一段SDN的美好时光！在2010年至2011年期间， 作为美国印第安纳大学的网络架构师， 我和大多数网络运营商一起致力于向大家解释OpenFlow以及SDN能够为大型企业及服务提供商的网络提供的价值。与此同时， 我也参加了很多会议， 接听了无数电话， 并且喝着啤酒与来自思科、 Juniper（瞻博网络）、 惠普、 IBM、 戴尔、 Brocad(博科)这些行业巨头以及其他许多后起之秀的工程师及管理人员展开热烈讨论。我的团队在早期的试点工作中曾与Nicira和Big Switch Networks之间有过合作， 这两家公司是早， 也是受关注的SDN初创公司。我甚至在早于谷歌首次公开谈论其OpenFlow Network项目的两年之前就有幸面晤来自谷歌的研发人员， 并就此事交换了意见。在这段时间里， 我不断向人们解释什么是SDN以及它为什么非同凡响且能惠及成千上万的人， 从学生到网络工程师， 再到高管层， 甚至包括一些大学校长。有些人在听了几分钟的讲解后立刻就“领悟”了， 此时我往往还没来得及放映第三张幻灯片； 而有些人则要上完整个全天课程才能“明白”。比较普遍的现象是， 能够快理解SDN对行业产生潜在影响的人， 恰恰是那些能回忆起因特网之前时代的网络界元老， 是实际上构筑了这些网络产品的人以及熟悉网络行业的人。这就是为什么当Paul和Chuck带着本书的写作计划找到我时， 我会感到如此兴奋的原因。Paul和Chuck都拥有丰富的网络从业经验， 从业史甚至比他们自己认可的经历还要长。他们通过一代又一代的技术构建了各种各样的网络解决方案。Paul有过两个成功的初创企业， 因而熟识网络行业中的各项工作。他的博大精深的工作经验对于解释SDN以及定位SDN在过去三十年的计算机网络界的地位， 并预测它对未来几年的网络所具有的潜在影响来说是无价之宝。也许本书的灵感来自Chuck与我的一次谈话， 当时Chuck刚编写完他的个基于SDN控制器的网络接入控制（NAC）解决方案。Chuck在惠普担任了多年的网络架构师， 负责该公司的NAC解决方案， 并且对基于“遗留”的技术来构建NAC解决方案的困难之处有着亲身体验， 这些技术包括简单网络管理协议（SNMP）和远程认证拨号用户服务（RADIUS）。当他在数天之内， 而不是花了数月的时间， 在开源SDN控制器上实现了可以正常工作的NAC方案后， Chuck就对SDN坚信不疑了。今天， 在因特网上从来不缺有关SDN的各种信息， 包括博客、 播客、 微博， 等等。甚至还有一本关于OpenFlow协议的自助出版读物。然而， 对于那些在过去几年未能直接参与SDN而又想要迎头赶上的公司来说， 在本书出现之前却很难找到一本能够全面详尽地介绍与SDN相关信息的书籍。任何人， 只要对网络和SDN感兴趣， 都不难理解本书的内容， 包括本科生、 研究生、 网络专业人员和IT经理。本书内容的自包容性很强， 不需要广泛的网络知识就能让读者充分了解其价值。本书通过对网络发展史的概述以及对各种网络技术的介绍， 再加上对引发OpenFlow和SDN出现的网络行业格局的描绘， 为读者提供丰富的背景知识。如果你是一位网络架构师或IT经理， 正在试图比较多个都声称自己是基于SDN的， 但又似乎是完全不同的解决方案时， 本书可以为你理解和评估市场上相互竞争的各种SDN方案提供坚实的基础。在过去三年中， 我花了超出自己意愿的时间来回答这个简单的问题， “什么是SDN？它的价值在哪里？”经常有人通过电子邮件或者在各种会议中告诉我说他们想要更多了解SDN， 并咨询我应该阅读哪些资料。迄今为止， 我不得不指点给他们一长串的播客、 白皮书、 博客以及会议视频， 而这些资料对SDN的看法非常零散、 不连贯， 并且往往带有一些偏见。本书的出现， 带来了与SDN相关的内容全面、 详细地介绍， 令我深感满意， 在此很愿意将此书推荐给大家。Matt DavyTallac Networks公司2013年10月7日Matt Davy 世界知名软件定义网络技术专家， 在美国印第安那大学担任InCNTRE、 SDN 互操作实验室、 网络研究部以及实习和训练部门的执行主任。Matt Davy是拥有超过十二万用户、 十万以太网端口和五千个无线接入点的企业网络的首席设计师， 在大型服务提供商网络和企业网络的设计和运行方面拥有16年的丰富经验。前 言当初我们着手构思这样一本书时， 部分动机是出于很难找到一本完整且详细介绍SDN的出色读物。虽然身为作者的我们是SDN技术的内行， 但也不得不承认无法从某个单一来源获得完整的SDN信息。我们意识到， 对于很多没有直接接触SDN但却需要对其有所了解的专业人员而言， 这真是一个大问题。因此， 泛泛而言， 本书的目标就是描述产生SDN的环境， 勾画SDN区别于其他竞争技术的特点， 并解释这种新兴技术已展现出的许多重要的商业影响。为这样一种快速发展的技术撰写其早期著作所面临的一个挑战就是目标的不稳定性。在此期间， SDN技术进展速度之快使得我们只能争取对其当前状态做出尽量准确、 详实的临摹。在本书出版之后， SDN技术肯定还会继续发展。我们选择了使用“全面的解决方案”作为本书标题的一部分。目前有许多设计思想正处于相互竞争之中， 而其创造者都希望赶上SDN的潮流。不论读者需要应对的是哪种类型的SDN技术或SDN技术的哪些方面， 至少我们希望他或她通过阅读本书能够在更广泛的SDN背景中找到自己的位置。为此， 我们试图全面介绍SDN的各种定义。在本书中， 我们对SDN定义的应用没有教条可寻， 希望读者能够理解。有兴趣了解软件定义网络或者对下面任何主题感兴趣的读者都将在阅读本书后有所收获： ● 组网技术● 交换技术● 软件定义网络● OpenFlow● OpenStack● 网络虚拟化软件定义网络是一个正在迅速扩张的广阔领域。虽然我们试图尽可能做到全面和翔实， 但感兴趣的读者可能还是需要根据本书提供的参考资料就某些技术专题做更深入的探索。我们假设读者除了对计算机的概念有基本了解之外， 并不具备专业知识