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内容简介

　　《学术中国·院士系列：软件定义网络核心原理与应用实践》分为核心原理和应用实践两大部分，对软件定义网络(SDN)技术进行了全面剖析和深入解读。一、首先阐述了SDN的设计思想与体系架构，详细分析了软件定义网络的控制转发分离和可编程性两个突出属性，其次介绍了以OpenFlow为代表的SDN南向接口协议，以及北向和东向接口协议，接下来根据SDN的层次化架构，依次介绍了SDN数据平面、控制平面以及SDN应用案例，梳理总结了SDN标准化进展以及学术发展情况。二、着重讲述SDN应用实践，从系统架构、代码解析等方面详细介绍了虚拟交换机、开源控制器、仿真测试实验工具的基本知识，并结合模拟网络环境搭建、虚拟网络设备部署、实际业务开发等具体应用实践场景，深入讲解了利用SDN技术进行创新研发的过程。
　　《学术中国·院士系列：软件定义网络核心原理与应用实践》涉及的内容广泛、技术思想凝练，突出核心原理和基本概念的阐述，同时力图深入浅出地讲解SDN的业务应用开发过程。《学术中国·院士系列：软件定义网络核心原理与应用实践》对从事SDN技术研发的专业人士、网络运营管理人员、相关专业高校学生以及对SDN技术感兴趣的读者，都具有一定的参考价值。

作者简介

　　黄韬，北京邮电大学副教授，江苏省未来网络创新研究院院长助理。2002年毕业于南开大学获学士学位，2007年毕业于北京邮电大学获博士学位，2007～2009年在中国联通从事博士后科研工作。国家“863”课题“面向服务的软件定义网络体系架构与关键技术研究”负责人，并主持或参与多项未来网络相关的国家自然基金、“973”、“863”、江苏省科技成果转化等科研项目。在国内外重要期刊和国际会议上发表学术论文60余篇，获得技术发明专利10余项，提交国际标准提案8篇，出版个人专著3部。目前主要研究方向为未来网络体系架构、软件定义网络、网络融合与演进等。
　　
　　刘江，北京邮电大学讲师，2005年毕业于北京理工大学获学士学位，2012年毕业于北京邮电大学获博士学位。国家自然科学基金项目“基于SDN特征的虚拟网络映射问题研究”负责人，并参与了多项未来网络相关的国家级和省部级科研课题。在国内外重要期刊和国际会议上发表学术论文30余篇，申请技术发明专利10余项。目前主要研究方向为未来网络体系架构、网络虚拟化、软件定义网络、信息中心网络等。
　　
　　魏亮，北京邮电大学博士，现任江苏省未来网络创新研究院CDN团队副总监。参与了面向服务的未来互联网体系结构及机制研究（973项目）为代表的多项未来网络领域科研课题。目前正带领团队从事SDN创新实验平台、网络虚拟化平台、SDN控制器、基于云架构的网络资源管理平台等方面的研发工作。获得软件著作权9项，申请技术发明专利6项。目前主要研究方向为软件定义网络、云计算、网络试验床等。

目录

第一部分 SDN核心原理
第1章 SDN概述
第2章 SDN基本原理
2.1 SDN定义与架构
2.1.1 SDN定义
2.1.2 SDN架构
2.2 数据控制分离
2.2.1 基本概念
2.2.2 数据控制分离历史
2.2.3 SDN数据控制分离
2.3 网络可编程
2.3.1 基本概念
2.3.2 网络可编程历史
2.3.3 SDN可编程
2.4 本章小结
参考文献
第3章 SDN接口协议
3.1 OpenFlow协议
3.1.1 OpenFlow v1.0协议
3.1.2 OpenFlow协议的演进
3.1.3 OpenFlow协议面临的问题
3.2 OF-CONFIG协议
3.2.1 协议框架
3.2.2 设计需求
3.2.3 数据模型
3.2.4 协议演进
3.3 其他SDN南向接口协议
3.3.1 XMPP
3.3.2 PCEP
3.3.3 I2RS
3.3.4 OpFlex
3.3.5 OVSDB Mgmt
3.4 SDN北向接口
3.4.1 ONF北向接口
3.4.2 SDN其他北向接口
3.4.3 SDN北向接口的前景
3.5 SDN东西向接口协议
3.6 本章小结
参考文献
第4章 SDN数据平面
4.1 数据平面架构
4.2 SDN芯片
4.3 SDN硬件交换机
4.3.1 基于ASIC芯片的SDN品牌交换机
4.3.2 基于ASIC芯片的SDN白盒交换机
4.3.3 基于NP的SDN交换机
4.3.4 基于NetFPGA的SDN交换机
4.4 SDN软件交换机
4.4.1 Open vSwitch
4.4.2 Pantou
4.4.3 Indigo
4.4.4 LINC
4.4.5 OpenFlowClick
4.4.6 OF13SoftSwitch
4.5 本章小结
参考文献
第5章 SDN控制平面
5.1 SDN控制器
5.1.1 SDN控制器体系架构
5.1.2 SDN控制器评估要素
5.2 开源控制器
5.2.1 NOX/POX
5.2.2 Ryu
5.2.3 Floodlight
5.2.4 OpenDaylight
5.2.5 OpenContrail
5.2.6 其他开源控制器
5.3 商用控制器
5.3.1 Big Network Controller
5.3.2 XNC
5.3.3 Contrail
5.3.4 SOX
5.4 本章小结
参考文献
第6章 SDN应用案例
6.1 SDN在网络试验平台中的应用
6.1.1 GENI OpenFlow
6.1.2 OFELIA
6.1.3 RISE
6.1.4 TWAREN
6.1.5 FINE
6.1.6 C-Lab
6.2 SDN在网络虚拟化中的应用
6.2.1 基于SDN的网络虚拟化简介
6.2.2 网络虚拟化工具FlowVisor
6.2.3 网络虚拟化平台CNVP
6.3 SDN在流量工程中的应用
6.3.1 概述
6.3.2 B4的设计思路
6.3.3 B4的核心网络功能
6.3.4 基于SDN的流量工程实现
6.3.5 B4的部署与成效
6.4 本章小结
参考文献
第7章 SDN标准化与学术进展
7.1 SDN标准化进展
7.1.1 开放网络基金会
7.1.2 互联网工程任务组
7.1.3 国际电信联盟
7.1.4 欧洲电信标准化协会
7.1.5 中国通信标准化协会
7.2 SDN学术进展
7.2.1 控制平面可扩展性
7.2.2 交换机/数据平面设计
7.2.3 SDN编程语言
7.2.4 测试、调试及管理
7.2.5 数据中心应用
7.2.6 校园网应用
7.2.7 其他
7.3 本章小结
参考文献

第二部分 应用实践

精彩书摘

　　（1）SDN北向接口是上层应用与控制器交互的接口，可以是基于控制器本身提供的各种接口API函数，也可以是现在最为流行的REST（Representational State Transfer，表征状态转移）API。北向接口是直接为上层业务应用服务的，其设计需要密切考虑业务应用的需求，为业务提供底层网络的逻辑抽象和模型。北向接口的设计是否完善会直接影响整个SDN网络的可编程能力。虽然现在南向接口已有OpenFlow等诸多标准，但是北向接口方面还缺少一个业界公认的标准，不同的控制器厂商都有各自的北向接口。部分传统的网络设备厂商在其现有设备上提供了可编程接口供业务应用直接调用，也可被视作是北向接口的一种形式，目的是在不改变其现有设备架构的条件下提升配置管理灵活性，应对开放协议的竞争。
　　（2）SDN南向接口协议是集中式的控制平面和分布式的转发设备之间交互的接口协议，用于实现控制器对底层转发设备的管控。SDN交换机需要与控制平面进行协同后才能工作，而与之相关的消息都是通过南向接口协议传达的。当前，SDN中最为成熟的南向接口协议是ONF组织倡导的OpenFlow协议。OpenFlow使控制平面可以完全控制数据平面的转发行为，同时ONF还提出了OF-CONFIG协议，用于对SDN交换机进行远程配置和管理，其目标都是为了更好地对分散部署的SDN交换机实现集中化管控。OpenFlow协议作为SDN发展的代表性协议，已经获得了业界的广泛支持。同时它也体现了SDN的开放性，ONF希望通过OpenFlow协议实现南向接口的标准化，从而解除用户对厂商的锁定，同时希望厂商借此可以专注于提高转发设备的性能，但是由于协议本身不够完善和一些非技术因素，所以SDN南向接口协议的标准化进程进展的并不是一帆风顺，很多厂商提出了其他的南向接口协议，其中比较有代表性的有XMPP、PCEP、I2RS、LISP等。
　　（3）SDN的控制平面可以是分布式的，在这种情况下，就需要一种接口协议来负责控制器之间的通信。SDN东西向接口主要解决了控制器之间物理资源共享、身份认证、授权数据库间协作以及保持控制逻辑一致性等问题，实现多域间控制信息交互，从而实现底层基础设施透明化的多控制器组网策略。目前在SDN的东西向接口的研究方面，产业界还没有形成统一的标准，学术界更多地是从多种控制器处理机制的异同以及语言效率的角度，抽象出统一的控制器东西向接口协议及其消息封装格式，并在发送和接收控制消息时进行容错率校验和解析，实现基础设施透明的多控制器并存模式下的组网。同时，控制平面全局网络视图构建是SDN东西向接口设计必须考虑的关键问题。控制平面能够对全网资源进行统一管理，利用控制平面的这个特性可以动态创建并维护网络全局视图，将网络以最直观的形式呈现给网络管理者，极大地提高网管效率，简化故障定位，降低网管的复杂度，有利于网络管理者基于全局视图进行资源抽象，从而对业务适配层提供虚拟化的网络资源。
　　由上面的介绍可以看到，SDN技术的发展动机与主动网络相类似。Ethane作为SDN技术的雏形，最开始提出是因为企业需要通过集中式来实现一个更为可靠、安全的网络，同时为了更好地加速网络创新，SDN的先驱者在斯坦福建设了SDN的试验床。而推动主动网络发展的动机主要来自这几方面：网络服务提供商遇到了很多的挫折，所以他们急需新的技术来发展和部署新的网络服务；同时第三方希望有更多的附加价值、更好的管控能力并能满足他们在特定应用或网络场景中的需求；研究者也希望有一个可扩展的实验平台。由此看来，SDN和主动网络最初的目标是一致的，但它们的具体实现存在很大的差异，这直接导致它们的发展有了不同的结果。从下面几个方面分析SDN相比于主动网络的优势：
　　（1）SDN应用多集中在对控制平面的编程上，上层应用通过北向接口与控制器交互，然后控制器再通过南向接口与底层硬件交互，这样降低了程序与硬件的耦合程度，只需要实现不同的南向协议就可以在不同的硬件环境上执行相同的功能。而主动网络的许多早期应用思路集中在中间件（Middlebox）、防火墙、代理上，这些应用都需要分开部署，每个都有各自的编程模型。主动网络主要是在数据平面上增加可编程性，试图直接控制数据平面来实现这些功能，程序代码与数据平面耦合性较高，同样的应用功能对不同的硬件设备要有不同的实现，缺乏了灵活性，这无疑会影响到主动网络技术的普及。
　　（2）SDN有一些明确的应用场景，如在数据中心和网络试验床中，这很大程度上体现了SDN的商用能力，使得业界对于SDN的落地持有非常乐观的态度。而主动网络的应用主要在中间件和对数据平面的控制上，总体来说其应用场景相对狭窄。
　　（3）SDN出现时硬件技术能基本支撑它的发展，而主动网络出现的年代过早，当时许多技术都不是很先进，尤其是在硬件上，当时只能使用造价昂贵的ASIC去实现，造成了主动网络设备造价过高，很少有人去使用它。而现在可以使用TCAM、FPGA、NP去做，现在的CPU能力比过去提高了成百上千倍，价格也便宜了很多，而且有大批的厂商开发出了自己的SDN设备，因此，SDN设备的造价也会越来越低。
　　……

前言/序言

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