第十六章 SDN与NFV概述
文章目录
- 一、SDN（Software-Defined Networking）
- 1、定义
- 2、原理
- （1）、基础设施层（Infrastructure Layer）
- （2）、控制层（Control Layer）
- （3）、应用层（Application Layer）
- （4）、 关键协议：OpenFlow
- 3、架构特点
- 4、应用场景
- 二、NFV（Network Functions Virtualization）
- 1、定义
- 2、原理
- 3、工作流程示例（部署一个虚拟防火墙）
- 4、应用场景
- 三、SDN 与 NFV 的关系与融合
- 四、优势与挑战
- 1、优势总结
- 2、挑战与问题
一、SDN（Software-Defined Networking）
1、定义
SDN（软件定义网络） 是一种将网络的控制平面（Control Plane）与数据转发平面（Data Plane）分离的网络架构设计思想，通过集中化的控制器实现对全网流量的统一管理和调度。
✅ 核心理念：解耦 + 集中控制 + 可编程
2、原理
传统网络设备（如交换机、路由器）中，控制逻辑和转发功能紧密耦合在同一个设备上。而 SDN 将这一过程拆分为三层：
（1）、基础设施层（Infrastructure Layer）
- 包括支持 OpenFlow 等协议的交换机、路由器等物理或虚拟设备
- 负责实际的数据包转发
- 接收来自控制器的流表（Flow Table）指令
（2）、控制层（Control Layer）
- 由一个或多个 SDN 控制器 组成（如 OpenDaylight、ONOS、Ryu、Floodlight）
- 掌握全网拓扑信息，负责生成并下发流表规则
- 提供北向接口供应用调用
（3）、应用层（Application Layer）
- 实现各种网络服务：防火墙、负载均衡、QoS、流量工程等
- 通过北向 API 向控制器发送策略请求
（4）、 关键协议：OpenFlow
- 最早且最广泛使用的南向协议
- 控制器通过 OpenFlow 协议向交换机下发流表项：
匹配特定字段后执行动作（转发、丢弃、修改等）
3、架构特点
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 控制与转发分离 | 控制逻辑集中于控制器，转发设备仅执行命令 |
| 集中式管理 | 全局视图，便于优化路径、实施安全策略 |
| 开放可编程性 | 支持第三方开发网络应用 |
| 动态配置能力 | 实现秒级策略变更，适应云环境需求 |
4、应用场景
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 数据中心网络 | Google B4、Microsoft Azure 使用 SDN 实现跨地域流量调度 |
| 校园网/企业网 | 动态 VLAN 分配、用户准入控制 |
| WAN 优化（SD-WAN） | 基于应用类型智能选路（如视频走专线，普通流量走互联网） |
| 网络安全 | 实时阻断攻击源 IP，动态部署 ACL 规则 |
| 网络切片（5G） | 为不同业务（eMBB、uRLLC、mMTC）提供独立逻辑网络 |
二、NFV（Network Functions Virtualization）
1、定义
NFV（网络功能虚拟化） 是由 ETSI 提出的一种将传统专用硬件设备上的网络功能（如防火墙、路由器、DPI、IMS）以软件形式运行在通用服务器上的技术。
✅ 核心理念：用软件代替专用设备
例如：
- 传统：一台 Cisco ASA 防火墙 = 专用硬件 + 封闭系统
- NFV：防火墙功能作为虚拟机（VM）或容器运行在 x86 服务器上
2、原理
NFV 的核心是将网络功能“去硬件化”，使其可以在标准化的 IT 基础设施上运行。
| 缩写 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| VNF | Virtualized Network Function | 虚拟化的网络功能实例（如虚拟防火墙） |
| NFVI | NFV Infrastructure | 包括硬件和虚拟化层，承载 VNF 运行 |
| VIM | Virtual Infrastructure Manager | 管理虚拟资源（如 OpenStack Nova/Cinder） |
| MANO | Management and Orchestration | 编排与管理系统，负责 VNF 生命周期管理 |
3、工作流程示例（部署一个虚拟防火墙）
- 用户通过门户提交“部署防火墙”请求
- NFV Orchestrator 解析需求，选择合适模板（TOSCA 模板）
- Orchestrator 调用 VIM（如 OpenStack）创建 VM 实例
- 自动加载 vFW 镜像（如 Fortinet FortiGate-VM）
- 配置网络连接（接入内网和外网子网）
- 返回服务地址，完成部署
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4、应用场景
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 运营商核心网（EPC/5GC） | 虚拟化 MME、SGW、UPF 等网元 |
| 边缘计算（MEC） | 在基站侧部署 vCDN、AI 推理服务 |
| 企业分支 CPE 替代 | uCPE 上集成路由、防火墙、IPSec VPN 等多种功能 |
| 云数据中心安全网关 | 租户级虚拟防火墙、负载均衡器按需开通 |
| 灾备与弹性扩容 | 流量高峰时自动克隆 VNF 实例进行负载分担 |
三、SDN 与 NFV 的关系与融合
虽然 SDN 和 NFV 是两个独立的技术，但在实践中常常协同使用。
| 对比维度 | SDN | NFV |
|---|---|---|
| 目标 | 网络架构重构（控制集中化） | 设备形态重构（软硬解耦） |
| 核心 | 控制与转发分离 | 专有设备通用化 |
| 是否依赖对方 | 可独立存在 | 可借助 SDN 实现高效互联 |
| 典型结合点 | 使用 SDN 控制器管理 VNF 之间的流量路径 |
✅ 融合场景示例：
在 NFV 环境中，多个 VNF（如 vFW → vIPS → vLoadBalancer）需要串联成一条服务链（Service Chaining）。
利用 SDN 控制器精确引导流量经过这些虚拟节点，实现灵活的服务编排。
四、优势与挑战
1、优势总结
| 技术 | 优势 |
|---|---|
| SDN | 灵活调度、快速创新、全局优化、自动化运维 |
| NFV | 降低成本、加快上线、弹性伸缩、避免厂商锁定 |
2、挑战与问题
| 问题 | 说明 |
|---|---|
| 性能开销 | 虚拟化带来延迟增加（尤其是 I/O） |
| 跨厂商兼容性 | 不同厂商 VNF 与控制器之间接口不一致 |
| 可靠性保障 | 单台服务器故障影响多个 VNF |
| 安全性风险 | 多租户环境下资源隔离难度大 |
| 跨厂商兼容性 | 不同厂商 VNF 与控制器之间接口不一致 |
| 可靠性保障 | 单台服务器故障影响多个 VNF |
| 安全性风险 | 多租户环境下资源隔离难度大 |
| 运维复杂度上升 | 需要掌握 IT 与 CT 双重技能 |