SDN：為什么要分離控制平面和數(shù)據(jù)平面

1、SDN為什么要分離控制平面和數(shù)據(jù)平面控制面和數(shù)據(jù)面的分離并不是一個(gè)新概念。例如，在過(guò)去 10余年中制造的 任何多插槽路由器/交換機(jī)內(nèi)都有運(yùn)行于專用處理器或板卡 （為了確保冗余保護(hù)， 通常是兩個(gè)）的控制平面，以及獨(dú)立運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)線路卡 一一每個(gè)線路卡都 有一個(gè)專用處理器和/或分組處理器一一的數(shù)據(jù)平面交換功能。圖1通過(guò)顯示路 由處理器引擎架構(gòu)（圖1中的路由處理器框圖）說(shuō)明了這一點(diǎn)。在圖1中，下面的方框 這是一個(gè)單獨(dú)的線路卡，有專用的端口處理ASICs 連接線路卡上的輸入端口和輸出端口（例如以太網(wǎng)接口）是數(shù)據(jù)平面。在正常的運(yùn)行中，圖1中的端口都由轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)決定它們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)從進(jìn)入到流出的 接口轉(zhuǎn)

2、換。這些表是由路由處理器的 CPU或控制面程序進(jìn)行填寫和管理。當(dāng)這 些接口收到控制面消息或未知的數(shù)據(jù)包時(shí)， 它們一般會(huì)將這些數(shù)據(jù)上推至路由處 理器作進(jìn)一步處理。請(qǐng)將路由處理器和線路卡之間連接想成是通過(guò)小而高速的內(nèi) 部網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，因?yàn)檫@實(shí)際上便是一臺(tái)現(xiàn)代交換機(jī)的工作原理。Route ProcessorManagementCentralServicesDataEgressInterfaceIngressInterface圖1控制平面和數(shù)據(jù)平面的實(shí)現(xiàn)實(shí)例除了這些，一些協(xié)議采用這一架構(gòu)實(shí)際上是為了優(yōu)化和提高其行為。例如， 多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS協(xié)議使用IP協(xié)議族承載控制流量，其理想情況是部署 在一個(gè)

3、運(yùn)行于通用 CPU 的專用路由處理器引擎上；同時(shí)在另一個(gè)線路接口卡上 實(shí)現(xiàn)一個(gè)（最適合于更簡(jiǎn)單但性能更強(qiáng)的分組數(shù)據(jù)包處理器引擎） 固有的基于標(biāo) 簽的交換范例。到目前為止，有關(guān) SDN 以及其控制平面和數(shù)據(jù)平面之間的距離都是在米的 數(shù)量級(jí)上（例如，在單個(gè)機(jī)架內(nèi)，或一個(gè)直連的多機(jī)架系統(tǒng)內(nèi)） ，上一節(jié)中描述 的控制平面和數(shù)據(jù)平面是分布式的， 但被作為緊密集成 （位置也相對(duì)接近） 的軟 件和硬件包被建造和管理。 除了這些外部系統(tǒng)觀察者看不到的組件和眾多內(nèi)部架 構(gòu)，對(duì)這些組件的封裝導(dǎo)致了目的導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)組件的大量出現(xiàn)。 這些網(wǎng)元經(jīng)常都 建立在相同的硬件家族的基礎(chǔ)上， 但由于在服務(wù)、 管理、 控制平面和數(shù)據(jù)

4、平面之 間的不同權(quán)衡，它們會(huì)有不同的吞吐效率（和復(fù)雜度） 。平面之間的緊密耦合產(chǎn) 生的相互依賴產(chǎn)生很多有關(guān)創(chuàng)新、穩(wěn)定和規(guī)模的問(wèn)題（激勵(lì)） 最終導(dǎo)致這些 領(lǐng)域的性能提高。 然而，這些設(shè)計(jì)由于極其復(fù)雜而導(dǎo)致其成本很高， 這也是激勵(lì) SDN改進(jìn)的一個(gè)因素。接下來(lái)將會(huì)探討每一個(gè)組件，因?yàn)檫@個(gè)討論會(huì)突出每一個(gè) 問(wèn)題，或優(yōu)勢(shì)，而這些看法是因人而異的。1， 規(guī)模因素一個(gè)路由和交換系統(tǒng)可以用很多方式進(jìn)行擴(kuò)展， 再加上一些問(wèn)題 從單純 的原始數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能， 到需要考慮功耗。 最終， 這些可擴(kuò)展性問(wèn)題成為成本和 性能之間的不斷地平衡角力：服務(wù)線路卡（Service Card）被限定為一定數(shù)量的用戶/流/服務(wù)狀態(tài)

5、一一 這些狀態(tài)只能支持特定一代的線路卡。此外，由于服務(wù)線路卡（尤其是 那些使用特殊的嵌入式CPU必須使用制造商特有的互聯(lián)方式和交換陣 列，因此在（新處理器可以使用）和（一個(gè)新的服務(wù)線路卡能使用這個(gè) 創(chuàng)新）之間存在明顯的滯后。這里的底線是，它需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間做額 外的用戶定制設(shè)計(jì)。很不幸這導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。對(duì)于特定一代的轉(zhuǎn)發(fā)芯片設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)發(fā)卡（Forwarding cards能夠支持特 定規(guī)模的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，但是其中有些板卡相對(duì)于控制板卡（ control bo a rd ）上的控制處理器而言 有著自己獨(dú)立的本地從屬處理器或者 協(xié)處理器，而這些處理器反過(guò)來(lái)有著自己的處理限制比如，在某些 設(shè)計(jì)類型的轉(zhuǎn)

6、發(fā)卡CPU上運(yùn)行數(shù)據(jù)流采樣，可能導(dǎo)致本地 CPU使用率 上升，并且消耗系統(tǒng)的 CPU處理資源?？刂瓢蹇▋?nèi)存能夠處理一定的路由規(guī)?；蚱渌鼱顟B(tài)， 并且受限于于板卡 上的CPU能力的更新?lián)Q代而產(chǎn)生的處理能力限制， 但內(nèi)存也同時(shí)用于儲(chǔ) 存控制協(xié)議狀態(tài)和管理信息（比如BFD或SNMP）。這些設(shè)計(jì)的另一個(gè)限 制是這些內(nèi)存是花錢可以買到的最快的內(nèi)存，因此成本是非常高的。2， 演進(jìn) 因此在過(guò)去，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商不得不遵循硬件升級(jí)路徑來(lái)解決控制平面上與擴(kuò)展 性或處理性能相關(guān)的問(wèn)題。 在做這些事情的時(shí)候， 運(yùn)營(yíng)商不得不時(shí)刻關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)板 卡的擴(kuò)展性和性價(jià)比， 以便在合適的時(shí)間進(jìn)行升級(jí)。 雖然在高度專用的平臺(tái)解決 方案中更適

7、合討論控制平面的分離， 但是運(yùn)營(yíng)商們或許不得不平衡業(yè)務(wù)板卡和轉(zhuǎn) 發(fā)板卡的數(shù)量比例 這可能嚴(yán)重縮減設(shè)備的整體轉(zhuǎn)發(fā)性能 （當(dāng)將轉(zhuǎn)發(fā)插槽用作 業(yè)務(wù)插槽）。設(shè)備廠商試圖改善這種情況的一個(gè)方法是將數(shù)據(jù)平面與控制平面分 開(kāi)，以便它們可以分開(kāi)獨(dú)立演進(jìn)和擴(kuò)展 或者至少比它們合在一起時(shí)更好處理。SDN驅(qū)動(dòng)對(duì)典型設(shè)備演進(jìn)的改變?cè)谟冢?雖然在控制（和業(yè)務(wù)）平面或許仍然 存在增長(zhǎng)/擴(kuò)展和升級(jí)”循環(huán)以適應(yīng)擴(kuò)展性，但這些在商用現(xiàn)貨（COTS計(jì)算市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)卻容易得多。有了云計(jì)算驅(qū)動(dòng)環(huán)境中的眾多創(chuàng)新之后，就更是如此。 而且，將控制平面從管理過(guò)程中切開(kāi)，更進(jìn)一步地（通過(guò)在路由器/交換機(jī)內(nèi)的COTS硬件上運(yùn)行一一甚至是遠(yuǎn)程運(yùn)行一一

8、那些用戶級(jí)的過(guò)程）提供一些層面的 擴(kuò)展影響隔離。硬件轉(zhuǎn)發(fā)組件仍然將遵循自身的升級(jí)周期規(guī)律來(lái)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的擴(kuò)展需求， 而不用考慮控制平面（即路由處理器）的配置。處于帶寬 /吞吐量需求的轉(zhuǎn)發(fā)平 臺(tái)的升級(jí)是一個(gè)正常匯聚方案的一部分，那里大部分低速轉(zhuǎn)發(fā)組件被有代表性地 重置到靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的層級(jí)（當(dāng)它們的功能變得更加通用時(shí)，這會(huì)是潛在的更有 可能發(fā)生的場(chǎng)景）。圖2描述了這些。圖2將集成在一起的管理、控制、服務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，使它們能獨(dú)立擴(kuò)展3， 成本成本分成投資成本CAPE冷口運(yùn)營(yíng)成本OPEX成本開(kāi)銷由這些因素驅(qū)動(dòng)：規(guī) 模（投資成本的驅(qū)動(dòng)力）、復(fù)雜性和穩(wěn)定性（運(yùn)營(yíng)成本的驅(qū)動(dòng)力）。在投資成本這 塊，對(duì)于很

9、多使用者（特別是業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商或運(yùn)行數(shù)據(jù)中心的大型企業(yè)）來(lái)說(shuō)，基 于通用計(jì)算設(shè)備（COTS的處理開(kāi)銷的成本是很便宜的， 而與之相比，基于網(wǎng)元 的處理開(kāi)銷的成本則高得多。 而業(yè)務(wù)板卡和控制板卡的集成產(chǎn)生的集成成本則會(huì) 導(dǎo)致成本的變數(shù)。 必須承認(rèn)， 有些成本變數(shù)收到生產(chǎn)這些系統(tǒng)控制、 管理和 業(yè)務(wù)部分的許可權(quán)常常不會(huì)分開(kāi)授予的設(shè)備商的利潤(rùn)預(yù)期所驅(qū)動(dòng)。 這是一種 回收它們對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的投資和資助后續(xù)維護(hù)及開(kāi)發(fā)的方法。雖然 SDN 無(wú)疑將減少成本中的硬件集成部分，與設(shè)備商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（控制 或業(yè)務(wù)）相關(guān)的那部分成本有可能被重新定價(jià)， 達(dá)到設(shè)備商感覺(jué)應(yīng)該達(dá)到的價(jià)值 （當(dāng)然需要被市場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)） 。另外，軟件中的集成

10、成本依然存在。4， 創(chuàng)新可能有這樣一個(gè)觀點(diǎn)， 認(rèn)為將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離會(huì)帶來(lái)創(chuàng)新收益 （當(dāng) 考慮到分離業(yè)務(wù)平面時(shí)，這種呼聲就更高了） 。理論上，分離通過(guò)改變軟件發(fā)布 模式允許任何一個(gè)平面都能夠相對(duì)獨(dú)立地創(chuàng)新發(fā)展 （與之相比的現(xiàn)有模式是 任何一個(gè)平面上的創(chuàng)新都受限于目的復(fù)雜的集成的龐然大物的建設(shè)周期） 能 給用戶帶來(lái)好處。與控制/數(shù)據(jù)的分離更相關(guān)的是獲得（支持在轉(zhuǎn)發(fā)平面引入新硬件而不需要 重復(fù)改動(dòng)控制平面的） 能力，比如設(shè)備的物理層處理可以通過(guò)新的驅(qū)動(dòng)程序獲得 數(shù)據(jù)平面的創(chuàng)新。5， 穩(wěn)定性在討論 SDN 環(huán)境下這些平面的分離時(shí)，有可能控制平面的有些子部件不能 被集中化，并且采用一個(gè)（也許不止

11、一個(gè)） 本地代理來(lái)接受對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的修改和 （或） 將管理信息匯聚反饋給中央控制節(jié)點(diǎn)。 盡管有這些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題， 通過(guò)將控制平面和 數(shù)據(jù)平面分離，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元設(shè)備由于基礎(chǔ)代碼變得更小變化更少而有可能變得更加 穩(wěn)定。6， 復(fù)雜性和其導(dǎo)致的脆弱性 關(guān)于存在多少控制平面和這些控制平面的位置的問(wèn)題直接影響到網(wǎng)絡(luò)的規(guī) 模、性能和彈性（或者因缺少?gòu)椥远鴮?dǎo)致的脆弱性） 。具體來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商計(jì) 劃在網(wǎng)絡(luò)上部署足夠多的設(shè)備， 以便能以一定比例處理峰值需求。 當(dāng)使用量接近 容量時(shí)，必須部署新的設(shè)備以滿足需求。 在傳統(tǒng)的路由和交換系統(tǒng)中， 有一點(diǎn)非 常重要，就是要知道在不增加網(wǎng)絡(luò)中被管理的設(shè)備和它們的控制協(xié)議實(shí)體的情況 下，能

12、夠滿足多少的本地轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量需求。 通常的路由器和交換機(jī)的設(shè)計(jì)范例是 堅(jiān)定地使用分布式控制平面模式， 這意味著對(duì)每個(gè)被部署的設(shè)備， 都需要在機(jī)架 上配置一個(gè)控制平面實(shí)例。 問(wèn)題在于： 這個(gè)新加入的控制平面會(huì)怎樣影響整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)的控制平面的整體表現(xiàn)， 例如在網(wǎng)絡(luò)融合方面的表現(xiàn) （即運(yùn)行中的控制平面整 體達(dá)到無(wú)回路狀態(tài)需要的時(shí)間） ？答案是，這的確會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的彈性和性能， 并且控制平面實(shí)例的數(shù)量越多， 系統(tǒng)增加的潛在脆弱性越大。 如果能恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整 網(wǎng)絡(luò)，的確能增加系統(tǒng)的彈性， 但是這也將產(chǎn)生一個(gè)不能與外界狀況變化保持一 致的系統(tǒng)。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，在分布式或最終一致性控制模式中， 交互協(xié)議的數(shù)量的增 加

13、會(huì)制造管理和運(yùn)行的復(fù)雜性。起初，通過(guò)使用單獨(dú)網(wǎng)元的小型集群系統(tǒng)來(lái)減少控制平面數(shù)量的增加。 集群 中的每一個(gè)網(wǎng)元通過(guò)一個(gè)公共的跨機(jī)架的數(shù)據(jù)和控制陣列通常部署為一個(gè) 小型的專用的交換式以太網(wǎng)捆綁起來(lái)。 多機(jī)架系統(tǒng)又將這個(gè)概念向前推進(jìn)了 一步，在分架之間提供了交互陣列， 從而表現(xiàn)得就像一個(gè)單獨(dú)的本地系統(tǒng)， 由一 個(gè)單獨(dú)的控制平面控制。 分架之間的連接性通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)現(xiàn)， 而集中控制 平面使用多個(gè)虛擬的控制平面實(shí)例一個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)分架。 由于它對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn) 維人員顯示一個(gè)單一的 IP 地址，它可以被作為一個(gè)單一的邏輯實(shí)體來(lái)管理。 圖 3顯示了這種方法。1IIIGrd IfNLine Cardline tad Shelf 1 If2H RERE卯Active1) Met wknetwork Fabric Contro