序　　言

Software-Defined Networks: A Systems Approach

1993年，當(dāng)我看到最初的Mosaic瀏覽器時(shí)，感到非常驚奇。很明顯，有大事要發(fā)生了，但當(dāng)時(shí)的我并不知道這件事的影響將會(huì)有多么巨大。Internet（因特網(wǎng)）的規(guī)模迅速擴(kuò)大，成千上萬家新的ISP（Internet Service Provider，因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商）在各地涌現(xiàn)，根植于一片片新的網(wǎng)絡(luò)中。這些新的ISP需要做的只是將現(xiàn)有的商用交換機(jī)、路由器、基站和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商銷售的接入點(diǎn)連接在一起，而無須獲得中央控制機(jī)構(gòu)的許可。早期的路由器簡單而精練，它們只需要支持Internet協(xié)議。這樣的分散控制促使Internet迅速發(fā)展。

路由器制造商面臨一個(gè)困境：很難通過銷售簡單而精練的設(shè)備來維持繁榮的盈利業(yè)務(wù)。再者，如果由簡單設(shè)備組成的大型網(wǎng)絡(luò)容易遠(yuǎn)程管理，那么所有的智能（和價(jià)值）都會(huì)由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而非路由器制造商提供。因此，路由器的外部API被控制在了最低限度（“網(wǎng)絡(luò)管理”被認(rèn)為是一個(gè)笑話）。另外，為了使路由器具有各種用途，路由器里“擠滿”了新的功能。到了21世紀(jì)00年代中期，ISP所使用的路由器就非常復(fù)雜了，能支持?jǐn)?shù)百種協(xié)議，運(yùn)行的源代碼超過了一億行—具有諷刺意味的是，這比有史以來最龐大的電話交換機(jī)復(fù)雜十倍以上。Internet為這種復(fù)雜度付出了巨大的代價(jià)：路由器臃腫、耗電、不可靠、難以保證安全，而且價(jià)格貴得離譜。最糟糕的是，它們很難改進(jìn)（ISP需要請(qǐng)求設(shè)備供應(yīng)商添加新的功能），ISP無法自己添加新的功能。網(wǎng)絡(luò)所有者抱怨路由器供應(yīng)商的“壟斷”行為，研究界則警告說Internet已經(jīng)“僵化”了。

這本書講述接下來發(fā)生的事情，這也是一個(gè)令人興奮的故事。Larry、Carmelo、Brian、Thomas和Bruce通過具體的示例和開源代碼清楚地記錄下這段故事：那些擁有并運(yùn)營大型網(wǎng)絡(luò)的組織開始編寫自己的代碼，構(gòu)建自己的交換機(jī)和路由器。一些組織選擇用更簡單、更易于維護(hù)的國產(chǎn)設(shè)備取代路由器，另一些組織選擇將軟件從路由器中轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程的集中控制平面上。無論選擇哪條道路，開源技術(shù)都成為越來越重要的一部分。一旦開源技術(shù)在Linux、Apache、Mozilla和Kubernetes上證明了自己，它就可以被信任，也能用來運(yùn)行我們的網(wǎng)絡(luò)。

這本書解釋了SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原因。它本質(zhì)上是關(guān)于控制的改變：大型網(wǎng)絡(luò)的所有者和運(yùn)營商控制了網(wǎng)絡(luò)的工作方式，從設(shè)備供應(yīng)商那里奪得了創(chuàng)新的主動(dòng)權(quán)。SDN始于各種數(shù)據(jù)中心公司，因?yàn)檫@些公司無法使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建足夠大的、可向外擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。于是它們購買了交換芯片，自己編寫了軟件。這的確幫它們省了錢（通常能夠把成本降低到1/5，或降低更多），但它們更期望的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制。這些公司雇了大量的軟件工程師，試圖激起一次網(wǎng)絡(luò)新思想的“寒武紀(jì)”大爆發(fā)，使其網(wǎng)絡(luò)更加可靠，擁有更快的修復(fù)速度，并且能夠更好地控制網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。2021年的今天，所有的大型數(shù)據(jù)中心公司都構(gòu)建了自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：這些公司下載并修改開源的控制軟件，由自己或委托他人編寫新的軟件來控制其網(wǎng)絡(luò)。這些公司已經(jīng)控制了自己的網(wǎng)絡(luò)，接下來登場的將是ISP和5G運(yùn)營商�？梢灶A(yù)見，在十年內(nèi)，企業(yè)和校園網(wǎng)絡(luò)也將運(yùn)行在開源的控制軟件上，并且通過云進(jìn)行管理。

這是一個(gè)很好的變化，因?yàn)橹挥心切┐笠?guī)模網(wǎng)絡(luò)的擁有者和運(yùn)營商才知道如何做到最好。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的革命將朝著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商開發(fā)和維護(hù)國產(chǎn)軟件的方向發(fā)展，這種變化就是軟件定義網(wǎng)絡(luò)。本書作者從一開始就參與了這場革命，他們知道這場革命如何發(fā)生以及為什么發(fā)生。

他們還幫助我們了解未來的網(wǎng)絡(luò)將是什么樣子。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將不再是一堆運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化互操作協(xié)議的箱子，而是一個(gè)可以自己編程的平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)所有者將通過對(duì)其所期望的行為編程來決定網(wǎng)絡(luò)的工作方式。網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的學(xué)生將學(xué)習(xí)如何規(guī)劃一個(gè)分布式系統(tǒng)，而不是去學(xué)習(xí)各種遺留協(xié)議中那些晦澀難懂的細(xì)節(jié)。

對(duì)于任何對(duì)編程感興趣的人來說，網(wǎng)絡(luò)又變得有趣了。這本書將會(huì)是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

Nick McKeown

加利福尼亞州，斯坦福

前　　言

Software-Defined Networks: A Systems Approach

Internet正在經(jīng)歷一場變革，即遠(yuǎn)離捆綁式的專有設(shè)備，取而代之的是，將網(wǎng)絡(luò)硬件（之后將成為商品）從控制它的軟件（在云中進(jìn)行擴(kuò)展）中分離出來。這種變革通常被稱為SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)），但由于它正在顛覆市場，因此很難將業(yè)務(wù)定位與技術(shù)基礎(chǔ)、短期工程決策分開。本書提供了一種分解方式，我們希望讀者從本書中學(xué)到的最重要的東西是，將基于SDN的網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)運(yùn)行在商業(yè)硬件上的、可擴(kuò)展的分布式系統(tǒng)。

任何學(xué)習(xí)過網(wǎng)絡(luò)入門課程的人都認(rèn)為協(xié)議棧是描述網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范框架。不管這個(gè)協(xié)議棧有七層還是只有三層，它塑造并限制了我們思考計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方式。教科書也是據(jù)此進(jìn)行組織和編寫的。SDN提出了另一種世界觀—一種由新的軟件棧產(chǎn)生的世界觀。本書就是圍繞這個(gè)新的軟件棧進(jìn)行組織和編寫的，目的是呈現(xiàn)從上到下的SDN之旅，不留下任何可能會(huì)被讀者懷疑而只能用魔術(shù)或?qū)Ｓ写�碼來填補(bǔ)的明顯空白。本書末尾處，我們邀請(qǐng)你親自做一些編程練習(xí)，從而向自己證明這個(gè)軟件棧既是真實(shí)的，又是完整的。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)重要方面是使用開源代碼。我們?cè)诤艽蟪潭壬鲜峭ㄟ^利用兩個(gè)先進(jìn)的社區(qū)組織來做到這一點(diǎn)的。第一個(gè)社區(qū)組織是OCP（Open Compute Project，開放計(jì)算項(xiàng)目），它正在積極指定和認(rèn)證運(yùn)行SDN軟件棧的商業(yè)硬件（例如裸機(jī)交換機(jī)）。第二個(gè)社區(qū)組織是ONF（Open Networking Foundation，開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)），它正在積極實(shí)施一套可以被集成到端到端解決方案中的軟件組件。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)還有許多其他的參與者，從現(xiàn)有的供應(yīng)商到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、初創(chuàng)公司、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和其他開源項(xiàng)目，它們每一個(gè)都對(duì)SDN是什么、不是什么提供了不同的解釋。我們討論這些不同的觀點(diǎn)，并解釋它們將如何融入更大的計(jì)劃中，但是不會(huì)讓這些觀點(diǎn)阻礙我們描述SDN的全面性。只有時(shí)間會(huì)告訴我們，SDN之旅將帶我們?nèi)ハ蚝畏�，但我們相信，理解“機(jī)會(huì)的范圍”是十分重要的。

本書假定讀者對(duì)Internet僅有大致了解，當(dāng)然，對(duì)交換機(jī)和路由器在轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀和IP（Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）數(shù)據(jù)包的過程中所起的作用有更深入的理解，將會(huì)有助于讀者閱讀本書。本書還包括指向相關(guān)背景信息的鏈接，以幫助讀者彌補(bǔ)知識(shí)空白。本書還有待完善，我們渴望得到你的反饋和建議。

致謝

本書中介紹的軟件源于ONF工程團(tuán)隊(duì)以及與該團(tuán)隊(duì)一起工作的開源社區(qū)的辛勤工作。我們感謝團(tuán)隊(duì)和社區(qū)成員的貢獻(xiàn)，并特別感謝Yi Tseng、Max Pudelko和Charles Chan，感謝他們對(duì)本書所包含的實(shí)踐練習(xí)教程所做的貢獻(xiàn)。我們也要感謝Charles Chan、Jennifer Rexford和Nick McKeown對(duì)初稿的反饋。

Larry Peterson、Carmelo Cascone、Brian O扖onnor、Thomas Vachuska和 Bruce Davie

2020年12月