1. SDN概述

1.1 SDN的起源

SDN（Software Defined Network）即軟件定義網絡。是由斯坦福大學Clean Slate研究組提出的一種新型網絡創新架構。其核心理念通過將網絡設備控制平面與數據平面分離，從而實現了網絡控制平面的集中控制，為網絡應用的創新提供了良好的支撐。
SDN起源提出了三個特征， “轉控分離”、“集中控制”和“開放可編程接口”。

SDN的本質訴求是讓網絡更加開放、靈活和簡單。它的實現方式是。為網絡構建一個集中的大腦，通過全局視圖集中控制，實現或業務快速部署、或流量調優、或網絡業務開放等目標。
SDN的價值是：

• 集中管理，簡化網絡管理與運維；
• 屏蔽技術細節，降低網絡復雜度，降低運維成本；
• 自動化調優，提高網絡利用率；
• 快速業務部署，縮短業務上線時間；

1.2 OpenFlow

控制器與交換機之間的一種南向接口協議。它定義了三種類型的消息:

? Controller-to-Switch：由Controller發送。用于管理Switch和查詢Switch的相關信息。

Features消息：在SSL/TCP會話建立后，Controller給Switch發送Features請求Switch的相關信息。Switch必須應答自己支持的功能，包括接口名、接口MAC地址、接口支持的速率等等基本信息。
Configuration消息：Controller可以設置或查詢Switch的狀態。
Modify-State消息：Controller發送該消息給Switch，來管理Switch的狀態，即增加/刪除、更改流表，并設置Switch的端口屬性。
Read-State消息：Controller用該消息收集Switch上的統計信息。
Send-Packet消息：Controller發送該消息到Switch的特定端口。

? Asynchronous：由Switch發起。當Switch狀態發生改變時，發送該消息告訴Controller狀態變化。

Packet-in消息：當Flow Table中沒有匹配的表項或者匹配“send to Controller”，Switch將給Controller發送packet-in消息。
Packet-out消息：從控制器回復的消息。
Flow-Removed消息：當給Switch增加一條表項時，會設定超時周期。當時間超時后，該條目就會被刪除。這時Switch就會給Controller發送Flow-Removed消息；當流表中有條目要刪除時，Switch也會給Controller發送該消息。
Port-status消息：當數據路徑接口被添加、刪除、修改的時候，此消息用于通知控制器。

? Symmetric：

Hello消息：當一個OpenFlow連接建立時，Controller和Switch都會立刻向對端發送OFPT_HELLO消息，該消息中的version域填充發送方支持的OpenFlow協議最高的版本號；接收方收到該消息后，接收方會計算協議版本號，即在發送方和接收方的版本號中選擇一個較小的；如果接收方支持該版本，則繼續處理連接，連接成功；否則，接收者回復一個OFPT_ERROR消息，類型域中填充ofp_error_type.OFPET_HELLO_FAILED
Echo消息： Switch和Controller任何一方都可以發起Echo request消息，但收到的一方必須回應Echo reply消息。這個消息可以來測量latency、Controller-Switch之間的連接性，即心跳消息；
Error消息：當交換機需要通知控制器發生問題或錯誤時，Switch給Controller 發送Error消息。

流表

OpenFlow交換機基于流表（Flow Table）轉發報文。

流表中關于轉發的關鍵的兩個內容：

• 匹配字段是匹配規則，支持自定義。
• 指令是用來描述匹配后的處理方式。

和傳統轉發方式的對比

1. 傳統模式

經典的網絡轉發方式是網絡設備通過查詢路由表指導流量轉發。
路由表的條目由網絡設備之間運行路由協議而計算生成。
路由表是定長的。路由表通過最長匹配原則執行報文轉發。一臺網絡設備只有一張路由表。

2. 基于流表轉發

運行OpenFlow的交換機通過查詢流表指導流量轉發。
流表一般是由OF控制器統一計算，然后下發到交換機。
流表是變長的，擁有豐富的匹配規則和轉發規則。一臺網絡設備有多張流表。

流表的匹配原則是對于存在的“table0-table255”，優先從table0開始匹配。同一table內部按照優先級匹配，優先級高優先匹配。

1.3 SDN架構

SDN的架構如下圖，不同層次之間通過開放接口連接。以控制器層為主要視角，區分面向設備層的南向接口和面向協同應用層的北向接口。

①協同應用層：主要完成用戶意圖的各種上層應用，典型的協同層應用包括OSS、OpenStack等。OSS可以負責整網的業務協同，OpenStack云平臺一般用于數據中心負責網絡、計算、存儲的業務協同。
②控制器層：控制器層的實體就是SDN控制器，是SDN網絡架構下最核心的部分。控制層是SDN系統的大腦，其核心功能是實現網絡業務編排。
③設備層：網絡設備接收控制器指令，執行設備轉發。
④NBI北向接口：北向接口為控制器對接協同應用層的接口，主要為RESTful。
⑤SBI南向接口：南向接口為控制器與設備交互的協議，包括NETCONF、SNMP、OpenFlow、OVSDB等。

華為SDN架構

華為SDN網絡架構如下：

?云平臺：云數據中心內資源管理平臺。云平臺包含對網絡資源、計算資源和存儲資源的管理。OpenStack是最主流的開源云平臺。
?EMS（Element Management System，網元管理系統）是管理特定類型的一個或多個電信NE（Network Element，網絡單元）的系統。
?Orchestration（容器編排）：容器編排工具也可以包含網絡業務編排功能。Kubernetes是主流的工具。
MTOSI/CORBA用于對接BSS/OSS。Kafka/SFTP可用于對接大數據平臺。

華為SDN解決方案架構：

IMaster NCE

iMaster NCE，自動駕駛網絡管理與控制系統，是華為集管理、控制、分析和AI智能功能于一體的網絡自動化與智能化平臺。集成了原華為的網管系統（eSight）、控制器（Agile Controller）、分析器（Insight）。有如下特性：
自動化+智能化——SDN自動化業務配置部署，AI智能分析預測排障
管理+控制+分析——統一數據底座，感知定位處理一氣呵成
規+建+維+優——全生命周期管理，仿真校驗監控優化

iMaster NCE有效連接了物理網絡與商業意圖。南向實現全局網絡的集中管理、控制和分析。面向商業和業務意圖使能資源云化、全生命周期網絡自動化，以及數據分析驅動的智能閉環。北向提供開放網絡API與IT快速集成。
iMaster NCE的產品線如下：

• 數據中心——iMaster NCE-Fabric
• 園區網——iMaster NCE-Campus
• SD-WAN——iMaster NCE-WAN
• 廣域IP——iMaster NCE-IP
• 廣域傳輸——iMaster NCE-T

數據中心CloudFabric

基于iMaster NCE-Fabric，為數據中心網絡提供從規劃-建設-運維-調優全生命周期服務

?規建一體：規劃工具對接NCE，實現規劃建設一體化。ZTP（Zero Touch Provisioning，零配置開局）
?極簡部署：業務意圖自理解和轉換部署。網絡變更仿真評估，杜絕人為錯誤。
?智能運維：基于知識圖譜和專家規則的快速故障發現定位。基于專家規則和仿真分析的快速故障恢復。
?實時調優：面向AI-Fabric的流量本地推理，在線模型訓練調優。用戶行為預測、資源調優建議。

?極簡ZTP部署

ZTP部署流程：

1. 網絡管理員點擊啟動ZTP任務。
2. 設備自動獲取IP地址訪問控制器。
3. 控制器判斷設備角色（Spine or Leaf），對上線設備下發管理IP、SNMP、NETCONF等配置，并通過管理IP納管設備。
4. 控制器全局下發互聯配置及OSPF、BGP等配置。
5. 設備上線成功，管理員NCE查看全網信息。

?網絡意圖自理解，業務快速部署

iMaster NCE-Fabric支持對接用戶IT系統，為用戶意圖匹配意圖模型，通過NETCONF下發配置到設備上實現業務快速部署。
iMaster NCE-Fabric支持對接主流云平臺（OpenStack）、虛擬化平臺（vCenter/SystemCenter）和容器編排平臺（Kubernetes）。

?網絡變更仿真，預判變更風險

建模求解：建立物理/邏輯/應用網絡模型；通過形式化驗證算法求解
校驗結果：校驗現網資源是否足夠、連通性等；變更對原有業務影響分析和呈現

?數據中心網絡AI智能運維

AI只能運維需要借助Insight模塊。

園區CloudCampus

1. 網絡開通”快”，部署效率提升600%

設備即插即用：設備極簡開局，場景導航，模板配置
網絡極簡部署：網絡資源池化，一網多用，業務自動化發放

2. 業務發放”快”，用戶體驗提升100%

業務隨行：圖形化策略配置，用戶隨時隨地接入，漫游權限不變，體驗不變
終端智能識別：終端接入防仿冒，終端智能識別準確率95+%
智能HQos：基于應用調度和整形，帶寬精細化管理，保證關鍵用戶業務體驗

3. 智能運維“快”，整網性能提升50%+

實時體驗可視：基于Telemetry的每時刻、每用戶、每區域的網絡體驗可視
精準故障分析：主動識別85%的典型網絡問題并給出建議，實時數據對比分析故障預測
智能網絡調優：基于歷史數據的無線網絡預測性調優，整網性能提升50%+（來源：Tolly認證）

?設備即插即用

注冊中心：華為設備注冊查詢中心，簡稱注冊中心，是華為云管理網絡解決方案的主要部件之一，用于設備的管理模式和注冊歸屬查詢。設備根據查詢結果確定是否切換到云管理模式，需要注冊到哪個云管理平臺。以AP為例，對于華為支持云管理特性的設備均會預置華為設備注冊中心的URL（register.naas.huawei.com）和端口號（10020）。

?構建一網多用的虛擬化園區

通過引入虛擬化技術，在園區網絡中，基于一張物理網絡創建多張虛擬網絡（VN，Virtual Network）。不同的虛擬網絡應用于不同的業務，例如辦公、研發或物聯網等。
通過iMaster NCE實現全網設備集中管理，管理員通過圖形化界面實現網絡配置。
iMaster NCE將管理員的網絡業務配置意圖“翻譯”成設備命令，通過NETCONF協議將配置下發到各臺設備，實現網絡的自動駕駛。

VN通常用VRF來實現

?業務隨行，基于安全組的策略管理

業務隨行：不管用戶身處何地，使用哪個IP地址，都保證該用戶擁有相同的網絡權限和一致的用戶策略。

𝟙 引入安全組。安全組即擁有相同網絡訪問策略的一組用戶。
𝟚 定義基于安全組的權限控制策略、用戶體驗策略，將策略下發到網絡設備。
𝟛 用戶的流量進入網絡后，網絡設備根據流量所述的源、目的安全組執行策略。
𝟜 用戶執行準入認證后，獲得授權的安全組。

?有線與無線融合

傳統獨立AC和隨板AC的問題：有線及無線認證點分離、策略控制分散、流量轉發分離、故障排除困難、管理困難

有線無線融合（隨板AC，Native AC）：

交換機融合AC功能，無線流量轉發無瓶頸，并且減少故障點，有線無線集中管理：
①有線及無線業務統一管理、融合轉發
②有線及無線用戶融合管理、網關融合
③有線及無線認證點融合
④有線及無線統一策略執行

?終端智能識別，安全接入

智能終端識別是思科在ISE中最先推出

?園區網絡AI智能運維

利用算法提升效率，通過場景化的持續學習和專家經驗，智能運維將運維人員從復雜的告警和噪聲解放出來，使運維更加自動化和智能化。

TO-BE：以用戶體驗為中心的AI智能運維

體驗可視化：基于Telemetry秒級數據采集，每用戶每應用每時刻體驗可視
分鐘級潛在故障識別和根因定位：基于動態基線、大數據關聯等識別潛在故障；KPI關聯分析和協議回放，精準定位問題根因
網絡預測性調優：通過AI 智能分析AP的負載趨勢，完成無線網絡的預測性調優閉環

2. NFV概述

2.1 NFV的起源

來自IT界的啟示，給網絡產業帶來了網絡架構和設備架構兩個層面的思考。網絡架構層面引入對SDN控制器的思考，設備架構層面引入對設備部署形態的思考。
網絡產業思考：能否以軟件化的方式部署網絡應用呢?這些思考引發了NFV（Network Functional Virtualization，網絡功能虛擬化）。

虛擬化之后的網絡功能被稱為VNF（Virtualized Network Function）。當我們談“VNF”時，我們指運營商IMS、CPE這些傳統網元在虛擬化之后的實現。在硬件通用化后，傳統的網元不再是嵌入式的軟硬結合的產品，而是以純軟件的方式安裝在通用硬件（即NFVI）上。

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2012年10月，13家Top運營商（AT&T、Verizon、VDF、DT、T-Mobile、BT、Telefonica等）在SDN和Open Flow世界大會上發布NFV （Network Functions Virtualization）第一版白皮書，同時成立了ISG（Industry Specification Group）來推動網絡虛擬化的需求定義和系統架構制定。
2013年，ETSI下NFV ISG（行業規范工作組）進行第一階段研究，已完成相關標準制定。主要定義網絡功能虛擬化的需求和架構，并梳理不同接口的標準化進程。
2015年，NFV研究進入第二階段。其主要研究目標是建設一個可互操作的NFV生態，推動更廣泛的行業參與，并且確保滿足階段一中定義的需求。同時明確NFV與SDN等相關標準、開源項目的協作關系等。NFV階段二主要分為5個工作組：IFA（架構與接口）、 EVE（生態圈）、 REL（可靠性）、 SEC（安全）、TST（測試、執行、開源）。各工作組主要討論交付件文檔框架和交付計劃。

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NFV是運營商為了解決電信網絡硬件繁多、部署運維復雜、業務創新困難等問題而提出的。NFV在重構電信網絡的同時，給運營商帶來的價值如下：

1. 縮短業務上線時間：在NFV架構的網絡中，增加新的業務節點變得異常簡單。不再需要復雜的工勘、硬件安裝過程。業務部署只需申請虛擬化資源，加載軟件即可，網絡部署變得更加簡單。同時，如果需要更新業務邏輯，也只需要更新軟件或加載新業務模塊，完成業務編排即可，業務創新變得更加簡單。
2. 降低建網成本：首先，虛擬化后的網元能夠合并到通用設備（COTS）中，獲取規模經濟效應。其次，提升網絡資源利用率和能效，降低整網成本。NFV采用云計算技術，利用通用化硬件構建統一的資源池，根據業務的實際需要動態按需分配資源，實現資源共享，提高資源使用效率。如通過自動擴縮容解決業務潮汐效應下資源利用問題。
3. 提升網絡運維效率：自動化集中式管理提升運營效率，降低運維成本。例如數據中心的硬件單元的集中管理的自動化，基于MANO的應用生命周期管理的自動化，基于NFV/SDN協同的網絡自動化。
4. 構建開放的生態系統 ：傳統電信網絡專有軟硬件的模式，決定了它是一個封閉系統。NFV架構下的電信網絡，基于標準的硬件平臺和虛擬化的軟件架構，更易于開放平臺和開放接口，引入第三方開發者，使得運營商可以共同和第三方合作伙伴共建開放的生態系統。

2.2 NFV關鍵技術

1. 虛擬化

在NFV的道路上，虛擬化是基礎，云化是關鍵。
傳統電信網絡中，各個網元都是由專用硬件實現，成本高、運維難。虛擬化具有分區、隔離、封裝和相對于硬件獨立的特征，能夠很好匹配NFV的需求。運營商引入此模式，將網元軟件化，運行在通用基礎設施上。

2. 云化

美國國家標準與技術研究院（NIST）定義：云計算是一種模型，它可以實現隨時隨地，便捷地，隨需應變地從可配置計算資源共享池中獲取所需的資源（例如，網絡、服務器、存儲、應用、及服務），資源能夠快速供應并釋放，使管理資源的工作量和與服務提供商的交互減小到最低限度。
云計算擁有諸多好處。運營商網絡中網絡功能的云化更多的是利用了資源池化和快速彈性伸縮兩個特征。

2.3 NFV架構

NFVI包含硬件層和虛擬化層，業界也有說法稱作COTS和CloudOS：

• COTS（commercial off-the-shelf，商用現貨），即通用硬件，強調了易獲得性和通用性。例如Huawei FusionServer系列硬件服務器。
• CloudOS：設備云化的平臺軟件，可以理解為電信業的操作系統。CloudOS提供了硬件設備的虛擬化能力，將物理的計算/存儲/網絡資源變成虛擬資源供上層的軟件使用。例如華為的云操作系統FusionSphere。

VNF：VNF可以理解為各種不同網絡功能的APP，是運營商傳統網元（IMS，EPC，BRAS，CPE…）的軟件實現。
MANO：MANO的引入是要解決NFV多CT/IT廠家環境下的網絡業務的發放問題，包括：分配物理/虛擬資源，垂直打通管理各層，快速適配對接新廠家新網元。MANO包括NFVO（Network Functions Virtualization Orchestrator，負責網絡服務的生命周期的管理）、VNFM（Virtualized Network Function Manager, 負責VNF的生命周期管理）、VIM（Virtualized Infrastructure Manager，負責NFVI的資源管理）三部分。
OSS/BSS：服務提供商的管理功能，不屬于NFV框架內的功能組件，但MANO和網元需要提供對 OSS/BSS 的接口支持。

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MANO負責NFV管理和編排。包括VIM，VNFM及NFVO，提供對VNF及I層統一的管理和編排功能。

1. VIM：Virtualized Infrastructure Managers, NFVI管理模塊，通常運行于對應的基礎設施站點中，主要功能包括：資源的發現、虛擬資源的管理分配、故障處理等。
2. VNFM：VNF Managers ，VNF管理模塊，主要對VNF的生命周期（實例化、配置、關閉等）進行控制。
3. NFVO：NFV Orchestration，實現對整個NFV基礎架構、軟件資源、網絡服務的編排和管理。

NFVI是NFV的基礎設施，包括所需的硬件及軟件。為VNF提供運行環境。

1. Hardware：硬件層，包括提供計算、網絡、存儲資源能力的硬件設備。
2. Virtualization Layer：虛擬化層，主要完成對硬件資源的抽象，形成虛擬資源，如虛擬計算資源、虛擬存儲資源、虛擬網絡資源。其虛擬化功能由Hypervisor[1] 實現。

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ETSI定義了NFV標準架構，由NFVI、VNF以及MANO主要組件組成。NFVI包括通用的硬件設施及其虛擬化，VNF使用軟件實現虛擬化網絡功能，MANO實現NFV架構的管理和編排。

NFV架構結構：

接口類型	功能描述
Vi-Ha	虛擬化層與基礎硬件之間的接口。虛擬化層滿足基礎硬件兼容性要求。
Vn-Nf	虛擬機（VM）與NFVI之間的接口。它確保虛擬機可以部署在NFVI上，滿足性能、可靠性和可擴展性要求。NFVI滿足虛擬機操作系統兼容性要求。
Vf-Vi	虛擬化層管理軟件與NFVI之間的接口，提供NFVI虛擬計算、存儲和網絡系統管理；提供虛擬基礎架構配置和連接；提供系統利用率、性能監控和故障管理。
Ve-Vnfm	VNFM與VNF之間的接口，實現VNF生命周期管理、VNF配置、VNF性能和故障管理。
OS-Ma	實現網絡服務生命周期管理，VNF生命周期管理。
Vi-Vnfm	提供業務應用管理系統/業務編排系統與虛擬化層管理軟件之間交互接口。
Or-Vnfm	給VNFM發送配置信息，對VNFM進行配置，完成Orchestrator與VNFM的對接；分配給一個VNF的NFVI資源的交互；VNF信息的交換。
Or-Vi	Orchestrator需要的資源預定及資源分配的請求；虛擬硬件資源配置及狀態信息的交換。

華為NFV解決方案

華為NFV架構中，虛擬化層及VIM的功能由華為云Stack NFVI平臺實現。華為云Stack可以實現計算資源、存儲資源和網絡資源的全面虛擬化，并能夠對物理硬件虛擬化資源進行統一的管理、監控和優化。
華為提供運營商無線網、承載網、傳輸網、接入網、核心網等全面云化的解決方案。