网络可编程技术研究

doi:10.3969/j.issn.1000-0801.2016.02.001

摘要/Abstract

摘要：

网络可编程技术通过在网络设备提供开放的可编程接口，增强了网络的灵活配置能力和资源整合能力。首先从网络可编程技术的诞生背景入手，回顾了开放可编程思想、控制与转发分离架构以及目前典型的软件定义网络（software defined networking，SDN）和网络功能虚拟化（network function virtualization，NFV）架构。然后，详细阐述了SDN架构下的协议无关性、流表实现、高级编程语言以及与NFV融合方面的研究成果。最后，总结了网络可编程技术的研究趋势。

关键词: 网络可编程, 软件定义网络, 网络功能虚拟化, 协议无关性, 编程语言

Abstract:

Network programmable technologies enforce the capacity of flexible configuration and resource composition by providing network devices with programmable interfaces. Starting with the discussion on the background in the naissance and developments of network programmable technologies，the initial programmable technologies，frameworks of control and data plane and typical software defined networking （SDN）and network function virtualization（NFV）were reviewed. The research on protocol irrelevance，implementation of flow tables， high-level programming languages and integration with NFV were elaborated. Moreover，the future works were summarized in the end.

Key words: network programmability, software defined networking, network function virtualization, protocol irrelevance, programming language

谢立军,胡宇翔,汪斌强,兰巨龙,程国振,王志明. 网络可编程技术研究[J]. 电信科学, 2016, 32(2): 1-12.

Lijun XIE,Yuxiang HU,Binqiang WANG,Julong LAN,Guozhen CHENG,Zhiming WANG. Research on network programmable technologies[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(2): 1-12.

图/表 11

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表2

表3

图8

参考文献 65

[1]	FEAMSTER N ， REXFORD J ， ZEGURA E . The road to SDN[J]. Queue， 2013，11（12）： 20-27.
[2]	NUNES B A A ， MENDONCA M ， NGUYEN X N . A survey of software-defined networking：past，present and future of programmable networks[J]. IEEE Communications Surveys ＆Tutorials， 2014，16（3）： 1617-1634.
[3]	OpenFlow switch specication version 1.3.0[EB/OL]. [2004-02-28]. .
[4]	Network functions virtualisation：an introduction，benefits， enablers，challenges ＆ call for action[EB/OL]. [2015-03-22]. .
[5]	CAMPBELL A T ， KATZELA I ， MIKI K ， et al. Open signaling for ATM，internet and mobile networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 1999，29（2）： 97-108.
[6]	Multiservice switching forum[EB/OL]. [2015-05-18]. .
[7]	DORIA A ， HELLSTRAND F ， SUNDELL K ， et al. General switch management protocol[S/OL]. [2015-02-10]. .
[8]	Optical internetworking forum[EB/OL]. [2015-05-14]. .
[9]	TENNENHOUSE D L ， SMITH J M ， SINCOSKIE W D ， et al. A survey of active network research[J]. Communications Magazine IEEE， 1997，35（1）： 80-86.
[10]	Elliott C . GENI：opening up new classes of experiments in global networking[J]. IEEE Internet Computing， 2010，14（1）： 39-42.
[11]	NSF future internet design[EB/OL]. [2015-05-08]. .
[12]	GAVRAS A ， KARILA A ， FDIDA S ， et al. Future internet research and experimentation：the FIRE initiative[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2007，37（3）： 89-92.
[13]	BHATTACHARJEE S ， CALVERT K L ， ZEGURA E W . An Architecture for Active Networking[M]. New York： Springer US， 1997.
[14]	SMITH J M ， FARBER D J ， GUNTER C A ， et al. SwitchWare：accelerating network evolution （white paper）[R/OL]. [2015-05-29]. .
[15]	WETHERALL D J ， GUTTAG J V ， TENNENHOUSE D L . ANTS：a toolkit for building and dynamically deploying network protocols[C]// The IEEE 1st Conference on Open Architectures and Network Programming， April 3-4， 1998， San Francisco，CA，USA. New Jersey： IEEE Press， 1998： 117-129.
[16]	Devolved control of ATM networks[EB/OL]. [2015-05-20]. .
[17]	RFC 5810（Proposed Standard）[EB/OL]. [2014-10-30]. .
[18]	REXFORD J ， GREENBERG A ， HJALMTYSSON G ， et al. Network-wide decision making：toward a wafer-thin control plane[C]// The Third Workshop on Hot Topics in Networks， November 15-16， 2004， San Diego，CA，USA. [S.l.：s.n.]， 2004： 59-64.
[19]	GREENBERG A ， HJALMTYSSON G ， MALTZ D A ， et al. A clean slate 4d approach to network control and management[J]. ACM SIGCOMM Computer Communicaiton Review， 2005，35（5）： 41-54.
[20]	RFC4741（proposed standard）[S/OL]. [2015-04-30]. .
[21]	RFC1157[S/OL]. [2015-05-30]. .
[22]	CASADO M ， GARFINKEL T ， AKELLA A ， et al. SANE：a protection architecture for enterprise networks[C] //The 15th Conference on USENIX Security Symposium， July 3-August 4， 2006， Vancouver，B.C.，Canada. New York： ACM Press， 2006： 137-151.
[23]	CASADO M ， FREEDMAN M J ， PETTIT J ， et al. Ethane：taking control of the enterprise[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2007，37（4）： 1-12.
[24]	GUDE N ， KOPONEN T ， PETTIT J ， et al. Nox：towards an operating system for networks[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2008，38（3）： 105-110.
[25]	NOX[EB/OL]. [2015-03-15]. .
[26]	The preliminary design and implementation of the maestro network control platform[EB/OL]. [2008-01-30]. .
[27]	POX[EB/OL]. [2014-11-18]. .
[28]	Beacon[EB/OL]. [2015-01-10]. .
[29]	Floodlight[EB/OL]. [2015-01-10]. .
[30]	Ryu[EB/OL]. [2015-03-15]. .
[31]	SNAC[EB/OL]. [2015-02-18]. .
[32]	Trema[EB/OL]. [2015-04-13]. .
[33]	BERDE P ， GEROLA M ， HART J ， et al. ONOS：towards an open，distributed SDN OS[C]// The Third workshop on Hot Topics in Software Defined Networking， August 22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014： 1-6.
[34]	NASCIMENTO M R ， ROTHENBERG C E ， SALVADOR M R ， et al. Virtual routers as a service：the RouteFlow approach leveraging software-defined networks[C]// The 6th International Conference on Future Internet Technologies， June 13-15， 2010， New York，NY，USA. New York： ACM Press， 2011： 34-37.
[35]	TOOTOONCHAIN A ， GORBUNOV S ， GANJALI Y ， et al. On controller performance in software-defined networks[C] //The 9th USENIX Workshop on Hot Topics in Management of Internet，Cloud，and Enterprise Networks and Services， April 24， 2012， Berkeley，CA，USA. New York： ACM Press， 2012： 10.
[36]	KOPONEN T ， CASADO M ， GUDE N ， et al. Onix：a distributed control platform for large-scale production networks[C]// The 9th USENIX Conference on Operating Systems Design and Implementation， October 4-6， 2010， Vancouver. BC，Canada. New York： ACM Press， 2010： 351-364.
[37]	MEDVED J ， VARGA R ， TKACIK A ， et al. OpenDaylight：towards a model-driven SDN controller architecture[C]// The IEEE 15th International Symposium on a World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks （WoWMoM）， June 19， 2014， Sydney，Australia. New Jersey： IEEE Press， 2014： 1-6.
[38]	Network functions virtualisation infrastructure architecture；architecture of infrastructure network domain[EB/OL]. [2015-05-10]. .
[39]	Network functions virtualisation （NFV）：network operator perspectives on industry progress[EB/OL]. [2015-01-14]. .
[40]	Network functions virtualisation infrastructure architecture；overview[EB/OL]. [2014-12-01]. .
[41]	Network functions virtualisation（NFV）；virtual network functions architecture[EB/OL]. [2014-11-02]. .
[42]	RISSO F ， MANZALINI A ， NEMIROVSKY M ， et al. Some controversial opinions on software-defined data plane services[C]// IEEE SDN for Future Networks and Services（SDN4FNS）， October 3-4， 2011， Trento，Italy. New Jersey： IEEE Press， 2013： 1-7.
[43]	LU G ， SHI Y ， GUO C ， et al. CAFE：a configurable packet forwarding engine for data center networks[C]// The 2nd ACM SIGCOMM Workshop on Programmable Routers for Extensible Services of Tomorrow（PRESTO）， August 21， 2009， Barcelona，Spain. New York： ACM Press， 2009： 25-30.
[44]	ATTIG M ， BREBNER G . 400Gb/s programmable packet parsing on a single FPGA[C]// The Seventh ACM/IEEE Symposium on Architectures for Networking and Communications Systems （ANCS）， October 3-4， 2011， Brooklyn，NY，USA. New Jersey： IEEE Press， 2011： 12-23.
[45]	LV G F ， SUN Z G ， LI T ， et al. LabelCast：a general abstraction for the forwarding plane of SDN[J]. Chinese Journal of Computers， 2012，35（10）： 2037-2047.
[46]	DE CARLI L ， PAN Y ， KUMER A ， et al. PLUG：flexible lookup modules for rapid deployment of new protocols in high-speed routers[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2009，39（4）： 207-218.
[47]	SONG H Y . Protocol oblivious forwarding：unleash the power of SDN through a future-proof forwarding plane[C]// ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined Networking（HotSDN）， August 12-16， 2013， Hong Kong，China. New York： ACM Press， 2013： 127-132.
[48]	MEKKY H ， HAO F ， MUKHERJEE S ， et al. Application-aware data plane processing in SDN[C]// The Third Workshop on Hot Topics in Software Defined Networking， August 22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014： 13-18.
[49]	BOSSHART P ， GIBB G ， KiIM H S ， et al. Forwarding metamorphosis：fast programmable match- action processing in hardware for SDN[C]// ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined Networking （HotSDN）， August 12-16， 2013， Hong Kong，China. New York： ACM Press， 2013： 99-110.
[50]	MOSHREF M ， BHARGAVA A ， GUPTA A ， et al. Flow-level state transition as a new switch primitive for SDN[C]// The 2014 ACM Conference on SIGCOMM， August 17-22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014： 377-378.
[51]	KATTA N ， ALIPOURFARD O ， REXFORD J . Infinite CacheFlow in software-defined networks[C]// The 2014 ACM Conference on SIGCOMM， August 17-22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014.
[52]	MOGUL J C ， CONGDON P . Hey，you darned counters！：get off my ASIC[C]// The First Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks， August 13-17， 2012， Helsinki，Finland. New York： ACM Press， 2012： 25-30.
[53]	JEYAKUMAR V ， ALIZADEH M ， GENG Y ， et al. Millions of little minions：using packets for low latency network programming and visibility[C]// The 2014 ACM Conference on SIGCOMM， August 17-22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014： 17-22.
[54]	LI Y ， YAO G ， BI J ， et al. Flowinsight：decoupling visibility from operability in SDN data plane[C]// The 2014 ACM Conference on SIGCOMMM， August 17-22， 2014， Chicago，IL，USA. New York： ACM Press， 2014： 137-138.
[55]	FOSTER N ， HARRISON R ， FREEDMAN M J ， et al. Frenetic：a network programming language[J]. ACM Sigplan Notices， 2011，46（9）： 279-291.
[56]	NetCore[EB/OL]. [2015-01-05]. .
[57]	MONSANTO C ， REICH JR ， FOSTER N ， et al. Flowinsight：decoupling visibility from operability in SDN data plane[C]// The 10th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation， April 2-5， 2013， Lombard，IL，USA. New York： ACM Press， 2013： 1-13.
[58]	Nettle：functional reactive programming for OpenFlow networks[EB/OL]. [2015-01-30]. .
[59]	VOELLMY A ， KIM H ， FEAMSTER N ， . Procera：a language for high-level reactive network control[C]// The first Workshop on Hot Topics in Software Defined Networks， June 15， 2012， Helsinki，Finland. New York： ACM Press， 2012： 43-48.
[60]	Software-defined networking：the new norm for networks[EB/OL]. [2015-04-25]. .
[61]	OpenFlow-enabled SDN and network functions virtualization[EB/OL]. [2014-10-09]. .
[62]	QAZI Z A ， TU C C ， CHIANG L ， et al. Procera：a language for high-level reactive network control[C]// The ACM SIGCOMM 2013 Conference on SIGCOMM， August 12-16， 2013， Hong Kong，China. New York： ACM Press， 2013： 27-38.
[63]	GEMBER A ， PRABHU P ， GHADIYALI Z ， et al. Toward software-defined middlebox networking[C]// The 11th ACM Workshop on Hot Topics in Networks， October 29， 2012， Seattle，WA，USA. New York： ACM Press， 2012： 7-12.
[64]	GEMBER A ， VISWANATHAN R ， PRAKASH C ， et al. OpenNF：enabling innovation in network function control[C]// ACM Conference on Sigcomm， August 19， 2014， Chicago，USA. New York： ACM Press， 2014： 163-174.
[65]	MARTINS J ， AHMED M ， RAICIU C ， et al. ClickOS and the art of network function virtualization[C]// The 11th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation（NSDI 14）， April 2-4， 2014， Seattle，WA，USA. New York： ACM Press， 2014： 459-473.

发展阶段	可编程范围	可编程粒度	实现程度	可编程面向对象
早期可编程思想	设备级可编程	设备可编程	没有实现	科研人员和终端用户
控制与转发分离	网络级可编程	协议可编程	实验室环境下实现	网络管理者
SDN	网络级可编程	报文、流可编程	数据中心环境下实现	网络管理者
NFV	网络级可编程	报文、流可编程	电信运营商网络环境下实现	网络提供商

接口语言	技术特点
Frenetic	提供状态查询、规则组合和一致性更新的API抽象
Pyretic	提供转发和查询策略库，支持规则的串行和并行组合
NetCore	支持通配符规则、规则的预生成和自定义
Nettle	基于函数响应式编程（FRP）框架，提供离散事件流和连续属性的网络控制API
Procera	应用FRP框架，支持事件流的组合和自定义

发展阶段	分离架构	流量引导	高级网络功能	可编程粒度
SDN	支持	支持	不支持	每流
NFV	支持	不支持	支持	每流
SDN+NFV	支持	支持	支持	每流