深度剖析软件定义网络（SDN）（第二版）

软件定义网络（SDN）是一种新型网络架构，旨在帮助网络适应快速变化的业务需求。本书全面介绍了SDN的基本概念、原理和商业应用。全书共15 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*新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 的开源代码及相关资源，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。第二版新增了网络功能虚拟化（NFV）以及新兴的协议、控制器和应用模型两章，并更新了部分技术知识。

Paul Goransson是Elbrys网络的创始人和主席，目前领导公司战略并指导公司的知识产权组合。他曾在安捷伦公司的先进网络技术部门和思科无线网络商业部门担任高管。Paul曾与人合著《802.11网络安全》，并在计算机网络方面在多家期刊发表多篇文章，他还经常在技术论坛上发言。Chuck Black是Tallac网络的联合创始人和首席软件架构师，他拥有计算机网络领域30年的工作经验。创业前，他一直在惠普公司的研究和开发实验室工作，是惠普公司网络接入控制和安全方向多个网络产品的创新者和创造者，他开发了惠普软件组织在网络管理领域的产品。在局域网的早期，他是首批行业应用中网络拓扑发现协议的作者之一。
王海 陆军工程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50余项。发表论文100余篇。

本书从多个角度阐释软件定义网络技术，利用充足的实例展示SDN技术全貌；

采用先整体、后局部，先宏观、后微观的阐述方式，深度揭示了软件定义网络的宏大家族及相关技术的嬗变史，从历史、发展、应用、未来、生态链、周边产业等多个角度剖析软件定义网络。0

译 者 序

我们非常高兴有机会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，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、涵盖广泛的图表，全面、深入、准确地解答了上述问题。

今天，在互联网上充斥着各种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，站在相对公正的，或者说更贴近SDN起源意图的立场上，采用先整体、后局部，先宏观、后微观的阐述方式，深度揭示了软件定义网络的宏大家族及相关技术的嬗变史，从历史、发展、应用、未来、生态链、周边产业等多个角度剖析了软件定义网络。清晰准确地告诉你软件定义网络是什么，不是什么，它能帮你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，你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。如果你是软件定义网络相关领域的用户或工程师，读此书也许可以解答困扰了你很长时间的疑惑，而针对这个疑惑你曾经从不同专家那里得到的却是完全相反的答案。读此书你会明白，这些答案只不过是从不同角度看问题的结果。

任何对网络和软件定义网络感兴趣的读者，都能无障碍地理解本书的内容，包括本科生和研究生、网络专业人员和IT经理、已有的和潜在的软件定义网络用户。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，再加上对引发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。如果你是一位网络架构师或IT经理，你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，阅读本书可以为你理解和评估市场上各种相互竞争的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，超出你的想象，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，你的职业会受到软件定义网络的影响吗？你应该如何改变自己以适应这个发展大潮？建议你阅读本书。

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？为什么它会成为网络界炙手可热的技术？对于一个诞生在五年前的术语来说，这个问题貌似简单，然而与“云计算”等其他一些术语一样，在一些营销团队为了达到自己的目的而对这些术语进行多年的重塑之后，已经变得越来越让人难以琢磨了。更加令人困扰的是新术语的出现，例如开放网络（open networking）、可编程网络（programmable network）和软件驱动网络（software-driven network）。由此引发很多人的好奇心，他们想知道SDN到底是什么？在其背后是否真的存在炒作？

对于像我们这样一直以来都在深度关注SDN发展的人来说，要想区分炒作与真相并不困难，我们也能够透过表象看到问题的本质及其来龙去脉。但是，从日常的授课情况来看，很多想要了解SDN的人正在被围绕这个话题产生的来自各个方面和各个角度的言论所困扰，这使得他们很难弄清楚真正发生的事情的核心所在。

2010年7月，当我第一次公开谈论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。此后，我不断向数以千计的学生、网络工程师和以首席二字打头的高管们解释什么是SDN。有些人在倾听了数分钟的解释之后立刻就“懂了”，此时往往我还没来得及放映第三张幻灯片，而另一些人则要花费整个全天课程的时间才能“明白”。比较普遍的现象是，能够最快理解SDN对行业所具有的潜在影响的人，正是那些网络界的元老，是那些能回忆起因特网前时代的人，那些实际上构建了这些网络产品的人，以及能够理解这些网络商业价值的人。

这就是为什么Paul和Chuck完全能够担当得起解释SDN所具有的价值的原因。他们都拥有非常丰富的网络从业经验，甚至可以追溯到比他们自己愿意承认的更为久远的时光。他们使用一代又一代的技术建立起各种网络解决方案。Paul有两家成功的初创公司，他非常熟悉网络行业的各项业务工作。对于解释SDN、定位SDN过去30年来在计算机网络界中的地位以及预测它在未来几年对网络具有的潜在影响来说，如此深厚宽广的从业经验绝对是无价之宝。

今天的因特网上并不缺乏有关SDN的信息，包括各种形式的博客、白皮书、播客和视频。然而，对于那些在过去几年里没有跟SDN打过交道而又想要加速赶上的人来说，我还没有发现有哪一本书能够像作者在本书中所做到的那样，从一个不偏不倚的角度来全面详尽地介绍SDN。

任何读者只要对网络和SDN感兴趣，都可以轻松理解本书的内容，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，读者不需要丰富的网络知识就能充分认识到SDN的价值。它通过对网络发展史及其相关技术的简单介绍，以及对引发OpenFlow和SDN的行业全景的描绘，为读者提供了丰富的背景知识。如果你是一位网络架构师或IT经理，并且正

在试图比较多个都声称是基于SDN解决方案但又似乎是完全不同的技术时，本书可以帮助你理解和评估市场上互相竞争的各种SDN方案。

事实上，网络行业正在发生巨大的转变，而驱动这场变革的原因很简单，你可以从云计算及移动通信的兴起到SDN（也可称之为开放网络或可编程网络，随便你怎么称呼）的发展之间直接画一条直线。如果你想绕过市场营销和炒作来对SDN做深入全面的了解，并弄清楚它是如何帮助重塑网络行业的，我绝对建议你阅读本书。

Matt Davy

Tallac Networks 公司

2016年4月26日

Matt Davy是软件定义网络技术的世界知名专家。在印第安纳大学，他曾担任InCNTRE、SDN Interoperability Lab、Network Research以及Internships and Training的执行主任。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架构师，并且在大型网络运营商及企业网的设计和运行方面拥有19年的丰富经验。

前 言

当初，在我们着手构思本书时，部分动机是出于能够全面介绍软件定义网络（SDN）的读物少之又少。虽然作为作者，我们的专业就是与SDN打交道，但即便如此我们也不得不承认无法从某个单一的来源获得SDN的全面知识。我们意识到有相当数量的专业人员并没有直接接触SDN，但他们很需要对其有所了解，这真是一个大问题。因此，简单地讲，本书的目的就是介绍产生SDN的环境，勾勒SDN区别于其他竞争技术的特点，并解释这种新兴技术已经展现出的众多重要的商业影响。为这样一种快速发展的技术撰写著作所面临的挑战正是这种技术不断发生的变化。

上面这段文字是为本书三年前出版的第一版所撰写的，不过今天看来仍然适用。很多没有在第一版中得到重视的技术现如今已被普遍承认是SDN的一部分。我们选择使用了“深度剖析”作为本书标题的一部分。有许多相互竞争的思想目前都在实际应用当中，而它们的开发者也都希望能够加入SDN的大潮。事实上，SDN技术所涉及的范围也似乎在不断扩展。不论我们的读者需要应对哪些方面或哪种类型的SDN技术，至少我们希望通过阅读本书，读者能够在一个更加广泛的SDN环境之中对自己的需求加以考虑。为此，我们尝试讨论SDN的各种不同定义。本书在使用SDN定义时没有教条可寻，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会通过阅读本书有所收获：

? 组网

? 交换

? 软件定义网络

? OpenFlow ? OpenStack

? OpenDaylight

? 网络虚拟化

? 网络功能虚拟化

软件定义网络是一个正在迅速扩张的领域。虽然我们试图尽力考虑得全面且详尽，但感兴趣的读者或许还需要使用本书提供的参考资料对某些技术主题做更深入的探索。我们假设读者除对计算机的概念有基本了解外，并不具备专业知识。计算机编程和计算机组网的某些经验将会有助于理解本书的内容。本书包含了大量的数据和图表来解释和说明那些被定义或讨论的网络概念。这些图表帮助读者在不需要使用其他参考资料的前提下也能通读全书。

本书的第一版非常受欢迎。出版三年来，我们收到了许多以本书内容作为课程基础的大学教师的询问。第二版出版的动机包括以下两个方面：首先，本书在内容上需要紧跟SDN的发展而变化；其次，为了更加适用于SDN的研究生课程，我们做了一些针对性的调整。为此，我们在每一章都增添了一些文本框，其中包含的是与上文内容相关的讨论题。这些题目可以用来作为课堂讨论，也可以作为测验基础。此外，在链接https://textbooks.elsevier.com/web/product_ details.aspx?isbn=9780128045558中可以注册下载与课程相关的辅导资料，如讲义和实验练习等。

建议和纠错

虽然我们已经尽可能细心，但本书仍然会有一些错误，并且某些读者感到尤为关心的主题

目 录
第1 章 引言???????????????????????????????????????????? 1
1．1 分组交换的基本术语???????????????????????? 2
1．2 历史背景??????????????????????????????????????? 4
1．3 现代数据中心????????????????????????????????? 5
1．4 传统交换机体系结构???????????????????????? 7
1．5 自治的和动态的转发表????????????????????11
1．6 能提高分组转发的智商吗?????????????????16
1．7 开源和技术转变?????????????????????????????17
1．8 本书的组织结构?????????????????????????????18
参考文献?????????????????????????????????????????????19
第2 章 为什么需要SDN????????????????????????20
2．1 交换机及控制平面的发展历程???????????20
2．2 成本????????????????????????????????????????????24
2．3 SDN 意味着不断的探索和革新??????????26
2．4 数据中心的创新?????????????????????????????28
2．5 数据中心的需求?????????????????????????????30
2．6 结论????????????????????????????????????????????32
参考文献?????????????????????????????????????????????32
第3 章 SDN 的起源???????????????????????????????33
3．1 网络技术的发展历程???????????????????????33
3．2 SDN 的前身??????????????????????????????????36
3．3 传统机器向SDN 的演化???????????????????44
3．4 软件定义网络的诞生???????????????????????45
3．5 维护SDN 的互操作性??????????????????????47
3．6 开源软件的积极作用???????????????????????48
3．7 网络虚拟化???????????????????????????????????49
3．8 我可以把自己的网络称为SDN 吗???????50
3．9 结论????????????????????????????????????????????51
参考文献?????????????????????????????????????????????51
第4 章 SDN 的工作原理????????????????????????53
4．1 SDN 的基本特点????????????????????????????53
4．2 SDN 的工作原理????????????????????????????56
4．3 SDN 网络设备???????????????????????????????58
4．4 SDN 控制器??????????????????????????????????62
4．5 SDN 应用程序??????????????????????????????? 66
4．6 替代的SDN 方法??????????????????????????? 68
4．7 结论???????????????????????????????????????????? 76
参考文献???????????????????????????????????????????? 76
第5 章 OpenFlow 规范?????????????????????????? 78
5．1 本章使用的术语????????????????????????????? 78
5．2 OpenFlow 概述?????????????????????????????? 79
5．3 OpenFlow V．1．0 和OpenFlow 基本概念? ? 83
5．4 OpenFlow V．1．1 的新增功能?????????????? 94
5．5 OpenFlow V．1．2 的新增功能?????????????101
5．6 OpenFlow V．1．3 的新增功能?????????????104
5．7 OpenFlow V．1．4 的新增功能?????????????110
5．8 OpenFlow V．1．5 的新增功能?????????????113
5．9 OpenFlow 互操作性的改进??????????????115
5．10 光传输协议扩展??????????????????????????117
5．11 OpenFlow 的局限性??????????????????????119
5．12 结论?????????????????????????????????????????120
参考文献???????????????????????????????????????????121
第6 章 SDN 的替代定义???????????????????????122
6．1 开放SDN 潜在的缺点????????????????????122
6．2 SDN-via-API ????????????????????????????????133
6．3 SDN-via-Overlay ???????????????????????????139
6．4 利用开放设备的SDN ?????????????????????143
6．5 网络功能虚拟化????????????????????????????145
6．6 各种替代方法之间的重叠与评比???????146
6．7 结论???????????????????????????????????????????147
参考文献???????????????????????????????????????????147
第7 章 新兴的协议、控制器和应用模型 ???149
7．1 扩展的SDN 定义??????????????????????????149
7．2 更多SDN 协议模型???????????????????????151
7．3 更多的SDN 控制器模型?????????????????158
7．4 更多的应用程序模型??????????????????????164
?10?
7．5 保护SDN 安全性的新方式?????????????? 166
7．6 P4 编程语言???????????????????????????????? 168
7．7 结论?????????????????????????????????????????? 168
参考文献??????????????????????????????????????????? 169
第8 章 数据中心的SDN?????????????????????? 170
8．1 数据中心的定义??????????????????????????? 170
8．2 数据中心的需求??????????????????????????? 172
8．3 数据中心的隧道技术????????????????????? 177
8．4 数据中心的路径技术????????????????????? 180
8．5 数据中心的以太网矩阵?????????????????? 183
8．6 数据中心的SDN 应用场景?????????????? 184
8．7 开放SDN、SDN-via-Overlay 和SDN-via-API 的比较 189
8．8 现实世界的数据中心实现??????????????? 191
8．9 结论?????????????????????????????????????????? 191
参考文献??????????????????????????????????????????? 192
第9 章 其他环境下的SDN??????????????????? 193
9．1 广域网??????????????????????????????????????? 195
9．2 服务提供商和电信运营商网络????????? 198
9．3 园区网??????????????????????????????????????? 202
9．4 酒店网络???????????????????????????????????? 207
9．5 移动网络???????????????????????????????????? 207
9．6 光网络??????????????????????????????????????? 209
9．7 SDN 与P2P/覆盖网络之比较??????????? 212
9．8 结论?????????????????????????????????????????? 212
参考文献??????????????????????????????????????????? 213
第10 章 网络功能虚拟化????????????????????? 214
10．1 NFV 的定义??????????????????????????????? 214
10．2 我们能虚拟化些什么???????????????????? 216
10．3 标准????????????????????????????????????????? 218
10．4 OPNFV????????????????????????????????????? 218
10．5 领先的NFV 供应商????????????????????? 219
10．6 比较SDN 与NFV ??????????????????????? 219
10．7 在线网络功能????????????????????????????? 221
10．8 结论????????????????????????????????????????? 223
参考文献??????????????????????????????????????????? 224
第11 章 SDN 生态圈参与者????????????????? 225
11．1 学术研究机构????????????????????????????? 226
11．2 产业研究实验室?????????????????????????? 228
11．3 网络设备制造商?????????????????????????? 228
11．4 软件供应商????????????????????????????????231
11．5 白盒交换机????????????????????????????????232
11．6 商用芯片生产商??????????????????????????233
11．7 原始设备制造商??????????????????????????234
11．8 云服务和服务提供商????????????????????235
11．9 标准机构和产业联盟????????????????????235
11．10 结论????????????????????????????????????????239
参考文献???????????????????????????????????????????240
第12 章 SDN 应用程序????????????????????????242
12．1 术语?????????????????????????????????????????242
12．2 前期工作???????????????????????????????????243
12．3 应用程序类型?????????????????????????????244
12．4 SDN 控制器简史?????????????????????????251
12．5 用于培训的Floodlight ???????????????????251
12．6 一个简单的Java 被动应用程序????????252
12．7 关于控制器的考虑???????????????????????261
12．8 关于网络设备的考虑????????????????????262
12．9 创建网络虚拟隧道???????????????????????264
12．10 数据中心的流卸载??????????????????????266
12．11 用于园区网的接入控制????????????????267
12．12 服务提供商的流量工程????????????????268
12．13 结论????????????????????????????????????????269
参考文献???????????????????????????????????????????270
第13 章 SDN 开放源码????????????????????????271
13．1 SDN 开源概况????????????????????????????271
13．2 OpenFlow 的开源环境???????????????????271
13．3 本章特定术语?????????????????????????????273
13．4 开源许可证相关事宜????????????????????273
13．5 SDN 开源用户的特征???????????????????275
13．6 OpenFlow 的源代码??????????????????????276
13．7 交换机实现????????????????????????????????277
13．8 控制器实现????????????????????????????????279
13．9 SDN 应用程序????????????????????????????283
13．10 编排和网络虚拟化??????????????????????285
13．11 仿真、测试和工具??????????????????????285
13．12 开源云计算软件?????????????????????????286
13．13 举例：SDN 开源代码的应用?????????288
13．14 结论????????????????????????????????????????290
参考文献???????????????????????????????????????????291
?11?
第14 章 商业影响???????????????????????????????? 292
14．1 一切皆服务???????????????????????????????? 293
14．2 市场规模??????????????????????????????????? 293
14．3 SDN 供应商分类????????????????????????? 294
14．4 对传统网络设备制造商的影响???????? 295
14．5 对企业客户的影响??????????????????????? 297
14．6 网络行业中引发的风暴????????????????? 298
14．7 风险投资??????????????????????????????????? 300
14．8 重要的SDN 收购案????????????????????? 301
14．9 SDN 初创公司???????????????????????????? 305
14．10 职业影响??????????????????????????????????312
14．11 结论????????????????????????????????????????313
参考文献???????????????????????????????????????????313
第15 章 SDN 的未来????????????????????????????316
15．1 现状?????????????????????????????????????????316
15．2 SD-WAN ???????????????????????????????????318
15．3 开放SDN 潜在的创新应用?????????????323
15．4 结论?????????????????????????????????????????332
参考文献???????????????????????????????????????????333
附录 缩略语表??????????????????????????????????????336