《软件定义网络SDN：由下到上剖析网络分层架构》
一、软件定义网络SDN概述
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软件定义网络（SDN）是一种新型的网络架构理念，它将网络的控制平面与数据平面分离开来，通过软件定义的方式实现对网络的集中控制和管理，这种架构为网络的灵活性、可扩展性和创新性提供了巨大的潜力。
二、SDN网络的分层架构由下到上
1、基础设施层（数据平面）
- 这是SDN网络的最底层，主要由网络设备组成，如交换机、路由器等，在传统网络中，这些设备不仅要负责数据的转发，还要处理复杂的路由协议和访问控制策略，在SDN架构下，这些设备变得更加“单纯”，它们主要负责按照控制平面下发的流表规则进行数据转发。
- SDN交换机接收来自控制器的流表，流表中包含了诸如匹配字段（如源IP地址、目的IP地址、端口号等）和对应的动作（转发到特定端口、丢弃等），交换机根据进入端口的数据包的特征与流表中的匹配字段进行比对，然后执行相应的动作，这种方式使得数据转发更加高效和可预测。
- 基础设施层的设备还具有一些基本的硬件特性，如端口速率、缓存大小等，这些特性影响着网络的性能，在大规模的数据中心网络或者企业网络中，底层交换机的端口数量和速率直接关系到网络的整体吞吐量，这些设备的可靠性也至关重要，例如采用冗余电源、冗余链路等技术来避免单点故障。
2、控制层
- 控制层是SDN的核心部分，它负责对整个网络进行集中控制和管理，在这一层，SDN控制器起着关键的作用，控制器通过南向接口与基础设施层的网络设备进行通信。
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- 控制器的主要功能包括拓扑发现、路径计算和流表管理等，它首先要发现网络的拓扑结构，通过与底层设备的交互，获取设备之间的连接关系、端口状态等信息，根据网络的需求，如用户的流量请求或者特定的服务质量（QoS）要求，计算出合适的转发路径，在一个多路径的网络中，控制器可以根据链路的负载情况，为数据包选择最优的转发路径。
- 流表管理也是控制层的重要任务，控制器根据网络的策略和流量需求，生成流表并下发到相应的网络设备，它还可以根据网络的动态变化，如链路故障或者流量突发，对已有的流表进行更新，控制层还可以实现网络的虚拟化，为不同的用户或者应用创建虚拟网络，提供隔离的网络服务。
3、应用层（网络操作系统及上层应用）
- 应用层位于SDN架构的最上层，它包括网络操作系统（NOS）和各种网络应用，网络操作系统为网络管理员和开发者提供了一个统一的平台，用于管理和配置整个网络。
- 在网络操作系统之上，有各种各样的网络应用，流量工程应用可以根据网络的流量模式，对网络资源进行优化分配，网络安全应用可以通过控制器获取网络的全局视图，实时监测和防范网络攻击，还有网络服务编排应用，它可以将多个网络服务按照一定的顺序和逻辑进行组合，为用户提供更加复杂和个性化的网络服务。
- 对于企业用户来说，应用层可以实现定制化的网络功能，企业可以开发自己的应用来满足特定的业务需求，如视频会议的优化、企业内部资源的安全访问等，应用层还可以与其他企业系统进行集成，如与企业的资源管理系统（ERP）相结合，实现网络资源与企业业务资源的协同管理。
三、各层之间的交互与协同
1、控制层与基础设施层的交互
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- 控制层通过南向接口与基础设施层交互，南向接口有多种协议，如OpenFlow等，OpenFlow协议定义了控制器与交换机之间的通信标准，包括控制器如何查询交换机的状态、如何下发流表等操作，这种交互使得控制层能够实时掌握基础设施层的状态，并对其进行有效的控制。
- 当交换机检测到一个新的未知流量时，它会向控制器发送消息，请求控制器为该流量制定转发规则，控制器根据网络的策略和拓扑结构，计算出合适的转发规则，并将其以流表的形式下发给交换机。
2、应用层与控制层的交互
- 应用层通过北向接口与控制层进行通信，北向接口为应用层提供了调用控制层功能的途径，不同的网络应用可以通过北向接口向控制器发送请求，如创建一个新的虚拟网络、查询网络的流量统计信息等。
- 一个网络流量监控应用可以通过北向接口向控制器请求获取特定链路或者设备的流量数据，控制器根据应用的请求，从其管理的网络状态信息中提取相关数据并返回给应用，这种交互方式使得应用层能够根据业务需求灵活地利用控制层提供的网络管理功能。
软件定义网络SDN由下到上的分层架构为网络的构建、管理和创新提供了一种全新的模式，通过各层之间的明确分工和协同工作，SDN能够更好地满足现代网络对灵活性、可扩展性和智能化的需求。
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