作者 王齐
计算、通信与人类文明形影不离。不同的时代赋予了计算不同的内涵，也赋予了通信不同的内涵。在每一个时代，计算与通信总是密不可分，相辅相承。计算离不开网络，反之亦然。在今天，计算领域无法突破冯诺伊曼体系，通信领域面临着香农极限。几乎在同一个时间点起步的IT基础设施的两大领域，计算与通信，也几乎在同一个时间点止步不前。
在上世纪的四十年代末期，近代IT历史上，出现了两个对电子与电信行业的发展产生深远影响的事件，香农发现了以自己名字命名的三大定律，香农的三大定律奠定了信息论与编码理论的基础，也给人类带来了一个新的词汇比特（Bit）。与此同时肖克利发明了晶体管，晶体管的出现极大促进了计算与通信的发展。
晶体管很快应用在电话系统中，也同时出现在计算领域。集成电路的出现进一步加快了现代的计算与通信系统的演进。在Intel的第一个处理器4004正式推出之后，以太网如影随形。计算与网络两大领域，在硅工业的持续进步过程中，在自身与自身的剧烈碰撞与相互繁殖中，持续扩展着各自的应用边界，之至今日的云基础设施。
1973年，施乐的BobMetcalfe发明以太网，之后DEC与Intel的加入极大促进了以太网的发展，以太网的第一个版本DIX (DEC Intel Xerox) V1于1980年正式发布[11]。以太网在陆续战胜FDDI (Fiber Distributed Data Interface)、ATM (Asynchronous Transfer Mode)等一系列竞争者之后，一路绝尘。在局域网领域，建立了一个不可匹敌的以太帝国。
上世纪末出现的IB (InfiniBand) 试图对以太网发起挑战，却在近期无法看到动摇以太帝国的丝毫可能。IB的V1.0版本出现在2000年，设计野心是替代处理器系统的局部总线PCI，互联网中大规模应用的以太网，与SAN (Storage Area Networks)中的FC (Fibre Channel)。IB最本分的应用依然在大规模处理器集群应用中。
IB从诞生起的十年中备受磨难，Intel不会坐视IB与PCI Express总线竞争；比IB诞生更早的FC在SAN领域已根深蒂固；无所不能而且无处不在的以太网最后还是将IB挤压至其本分的应用领域，集群服务器。TOP500处理器一直是IB不能失守的最后阵营。IB是学术界的宠儿，在对高性能计算有所追求的领域，IB在许多应用场景中凭借着出色的性能与较低的延时胜出，而在HPC (High Performance Computing)和高性能云计算领域得到的广泛应用[12]。
IB架构唯美，干净，一秋若水。这个一秋若水缘于在其漫长的发展过程中，一直被忽略也乐于被忽略，没有经受过多的干扰，二十几年前，我第一次去喀纳斯湖，除了震撼外，体会的是寂静而后的肃杀。偶尔为之，别样风景。人的存在会打破自然的静谧，也带来勃勃生机，缺少万物之灵的景色，难抵极境。我喜欢现在这样的，有三两好友陪伴着的喀纳斯。因为人的存在，风景格外精彩。
以太网精彩世界源自于诸人参与的熙熙攘攘。InfiniBand很少有机会去介入而分享这份精彩。纵观IT史册，能取得流行而大获成功的技术不会唯美，多数是黑大傻粗，成本低廉的。Unix的设计哲学KISS (Keep It Simple and Stupid)在今天无限接近真理。有所长的丑战胜无缺的美发生在此时此刻，而且在不断的演绎进化与升级。
以太网从诞生之日起至今日，从未完美过，与优雅ATM (AsynchronousTransfer Mode)相比，始终是下里巴人，直到把阳春白雪的ATM彻底赶出历史舞台。如果IB的所有优点，都能通过以太网进行应用场景微调，或者上层协议补充，IB依然还叫IB，无法更近一步。以太帝国是有日出不穷的缺陷，但是以太帝国还是以太帝国。
私有数据中心的兴起，使得以太网与其身后的Ecosystem愈显臃肿。在一个数据中心所使用的传统交换机与路由器中，大多数软件协议栈并没有太多的用武之地，其中许多协议是为了解决广域网存在的各类问题。在广域网技术持续发展，取得显著进步的同时，也不可避免的积累了一系列问题，在解决这些问题的过程中，更多的新协议在持续产生的同时，必须要兼容旧协议。不同厂商因为各自的利益，所提供的网络设备在互联互通上并没有想象中完美。
以太网的使用过于广泛，这个广泛在带给以太网无限空间的同时，也带给设计者不小的麻烦。以太网所面对的问题绝不是TCP/IP协议栈的低效，不是存储转发模式带来的延迟，不是吞吐量不足，不是流控机制，也不是QoS。这些问题在理论上全部可以解决。
以太网所面临的主要问题在于自身使用的过于广泛，参与者过于众多，Ecosystem过于强大。这使得以太帝国在长期以来只能有变化而无真正变革。治大国如烹小鲜，基于以太网的网络基础架构设计者，对任何一个微小调整都会陷入”什么是权衡，什么是掣肘，什么是不得已，什么是怎样做都是错的”，这样深重的哲学思考中。
Internet网络组成的复杂程度已经不能用任何词汇去描述。从最末梢的移动设备，引申到2G、3G、LTE (Long Term Evaluation)、IP RUN到核心网；从最末端的PC机，引申到Wi-Fi、交换机，各级路由器到骨干网。即便我们不去讨论国家级的网络基础设施这样的深重话题，一个大型跨国公司的网络拓扑结构也足以复杂到令人无法直视。
网络设备价格始终居高不下，但是对于许多应用场景而言，这些昂贵的网络设备所提供的多如牛毛的Feature，除了必不可少的硬件通路部分，只有部分功能真正有用。在交换机与各类路由器中，硬件成本所占比例很低，其售价的多数是为了补贴软件上的投入。这些盈篇满籍的软件投入，所体现更多的是商业利益，而非技术驱动所带来的需求。
移动互联网的兴起重置了网络基础设施的发展轨迹。承载着数以亿计用户的互联网应用背后，是庞大的数据中心。互联网数据中心的野蛮成长，逐步触发了云计算与云存储技术的诞生与发展，云时代的到来对网络基础设施提出了新的挑战。来自这个领域的精英，首先面对的挑战是理解已有的网络基础设施。摆在这些人面前的第一道难关不是温习基础的网络经典著作，而是去理解在他们眼中，毫无道理，不知所云，只能死记硬背的几千种RFC与ITU制定的协议。
RFC与ITU标准已多如牛毛，从TCP/IP到OSPF、BGP、IGMP、STP多达几千种。这些协议无法消除不同提供商的网络设备，在数据交换层面上的统一；在控制与管理层面每家厂商的做法更加不会相同。最为重要的是，传统的交换机与路由器并不能满足一些新增的业务需求。
一个新增协议，从制定、讨论、发布到实际部署的周期之长，使得最有耐心之人亦无法忍受。这些协议是否被接受，在很多情况下并无至深的理论依据，所遵循的只是质朴的商业丛林法则。
人类文明得以持续向前的动力，在某种程度上，是因为总有一些不安现状的精英们，敢于持续地挑战现有的丛林法则，并创建新的秩序。这些精英通常是近乎强迫症的完美主义者。他们的病态只有两种解药可救，一是融入旧的体制用时间与精力换取空间，或是另辟蹊径。待到直面成千上万，不知所云的网络协议时，他们最终选择另辟蹊径。
基础网络设施在经历了最初爆发期之后，步履蹒跚。网络运营商与设备制造商，在各种商业利益，甚至是在国与国的利益间周旋，腾挪空间有限，这种空间有限所带来的直接后果是各种类型的低效，这一低效使得在这个行业的精英进一步流失，使这个行业事实上止步不前；也进一步使得这个行业持续发生着各类并购重组，使得从事这个行业的公司总量在逐步缩小。
一个曾在华为数通的朋友与我讲，我们打败甚至打死了一个又一个对手，却也每况愈下。我的回答是你们熬死了一个又一个对手，对手是自己打败了自己，他们的精英不是英雄迟暮，就是转行做了其他事情，只有你们坚持了下来。这种坚持对这个产业是一种维持，也使得依靠自身驱动带给这个产业的创新乏善可陈。
这些问题使得SDN (Software Define Network)的出现顺理成章。我们很难将SDN定义为一种新技术。从上世纪七八十年代至今，IT基础设施始终处于高速螺旋的上升阶段，我们在并不算长的四十年间，在同一片领域完成了多次迭代，以至于在信息科学领域，几乎很难再次出现诸如Shannon的”A Mathematical Theory of Communication“这类革命性文章。SDN并不例外。
2007年，MartinCasado在他的博士毕业论文《ArchitectureSupport for Security Management in Enterprise Network》中，提出目前的企业网规模较大，运行着各类网络应用与协议栈，对网络安全配置管理带来了一系列问题。在这些企业内，网络安全策略由复杂的路由、桥接策略以及ACL表、包过滤等机制组成，导致整个网络管理的复杂性，并带来的一些网络安全问题。
为此Martin Casado提出了一种理想化的网络架构，称作SANE解决这些问题。在SANE中，控制器通过其分发能力对请求转发的数据流进行授权，SANE交换机仅仅负责报文的转发。SANE介绍了一种全新的网络分层，并且该设计可以很容易扩展到几十甚至几百个网络节点[15]。
我不认为当时的Martin Casado能够真正理解，这个世界的基础网络设施可以复杂到何等程度，强大如Stanford这样的世界级院校，搭建一个诸如Intel这样跨国企业的网络环境也很困难，更不用说运行其上承载的各类应用。也许当时的Martin Casado只是认识到了这些网络的复杂性，见识到了多如牛毛的网络协议栈与诸多术语后，决定不再去理解，而另辟蹊径。
在此后的第二年，Nick McKeown et al. 在ACM SIGCOMM上发布了一篇题为《OpenFlow: enablinginnovation in campus networks》[16]的论文，正式提出了OpenFlow的概念。这两篇论文宣告了SDN的诞生。
SDN诞生后，这一新型的网络设计框架首先得到了互联网厂商的热捧。2011年，Google、FaceBook、Microsoft与Yahoo等厂商成立了ONF (Open Networking Foundation)，聚焦于OpenFlow技术标准[17]。2012年，Linux内核集成了OVS (Open vSwtich)[18]。2013年4月，以思科为首的网络厂商如梦初醒，成立ODL(OpenDayLight)，致力于开源的SDN控制器框架的实现，这个框架的名称也被称为OpenDayLight[19]。
思科类传统网络设备提供商的参与，在某种程度上极大促进，也极大制约了SDN的进一步发展。网络设备提供商的参与，使得SDN技术有机会进入国家层面的网络基础设施领域；也因为这些既有利益的获得者首先也是既有投资的保护者，他们的参与使得SDN技术在遵循商业原则的前提下在迟钝且平缓的演进，不再是一个剧烈的变革。
即便如此，SDN的发展依然超乎了Martin的想象，以至于Martin在回答什么是SDN时，总是在回答”I actually don’t know whatSDN means anymore, to be honest“。或许Martin认为，SDN在容纳着各类不完美的不断前行中，已物是人非，偏离了至清至澈的论文轨迹。
2016年2月，Martin Casado离开VMware加入著名的风险投资公司Andreessen Horowitz并成为合伙人[20]。如同Andy Robin离开Android，这些创始人的离开无论是因为什么外因，最重要的内因依然是，他们认为在这个领域他们已经完成了历史使命。或者说在Martin Casado的内心深处，SDN尚未开始，就已经结束。
SDN所解决的最重要的问题首先是解耦，分离底层硬件与网络操作系统。无论是思科的IOS (Internetwork OperatingSystem)，还是华为的VRP (VersatileRouting Platform)都是耗费了成千上万人年的产品。我们在购买这些传统路由器的时候，都在为这些人年埋单。在多数应用场景，我们所购买的路由器使用的仅是IOS和VRP提供的极少数功能。而且IOS和VRP虽然在尽最大可能包罗万象，依然无法解决所有问题，一些用户的自定义需求依然无法得到满足。
通常网络设备在逻辑上分为控制平面（Control Plane）和数据通路（Data Plane）。其中控制平面的主要由两大部分组成。一是设备硬件资源的维护，包括网络端口状态的扫描和系统的初始化与监控等；二是运行网络协议，如BGP、OSPF、ISIS与ARP等。网络设备通过运行这些网络协议，生成用于数据通路的各类查找表。
网络设备的数据通路则使用这些查找表，尽最大的可能性快速地进行报文转发。对于一些交换机和路由器以外的网络设备，如DPI、防火墙、Load Balancer类设备，数据通路的设计稍有不同，这些设备偏向于根据控制平面配置的策略决定如何处理网络报文。
在SDN理论正式定型以前，每个网络设备同时具备控制平面和数据通路。对于性能要求高的企业级设备，控制平面采用的是专用CPU，以及围绕该CPU的存储、总线、和外设来实现。数据通路多采用专用ASIC，并作为一个外设连接到控制平面的CPU。
对于家用级别的设备，如Wireless Access Point而言，数据通路和控制平面往往做在同一个以嵌入式 CPU 为核心的系统中。Linux是最常见的针对家用设备的操作系统。控制平面的程序，如DHCP服务器、Web服务器、Iptables、NAT等运行在Linux的用户层。Linux 的内核负责报文转发。在这样的小设备中，Linux用户层和内核之间的Netlink，有时也加上一些POSIX API做辅助，构成了数据通路和控制平面的通信方式。
SDN的核心思想是，进一步分离网络设备的数据通路和控制平面，并定义两者之间的通信标准。这个思想解决了很多实际存在的问题，首先是数据通路设备和控制平面设备可以分别演化；其次是在不同的应用场景中，对数据通路的性能和控制平台的 Scaling 要求各有不同，设计者可以针对应用环境来自由搭配。对于网络设备的用户和运营商来说，更为关键的一点是 SDN 体系结构减轻了对硬件厂商的依赖。
在SDN出现之前，用户购买的网络设备，由于每个厂商设备的配置方法不同，其上控制平面的协议设计并不相同，彼此间很难做到完全兼容。这使得用户在初期选定了某个厂商的产品，后续更新的时候有时也必须继续选择该厂商的产品，否则前期网络运营获得的经验和固定下来使用方式都将失效。
SDN把数据通路设备仅仅定义为一个必须支持公开接口的黑盒子，而控制平面的程序通过这个公开的接口对数据通路设备编程。采用这种方法，传统硬件厂商提供的一系列控制平面的程序失去了原有的作用。用户只需要维护自己的控制平面程序就可以保证网络运营的连续性。数据通路设备可以随时随意进行更换。
SDN引入了Flow Table。在传统的交换机与路由器中，每支持一种新的协议，不是在固有表中添加表项，就是添加一张新的表格。网络世界经过了几十年的发展，在传统路由器与交换机中已经积累了过多的表项。Flow Table的引入在提高了端口控制灵活度的同时，对所有表项进行了归一化处理，这也使得SDN网络有机会从逻辑上实现集中管理。SDN使用的集中管理策略，与传统网络设备采用的自适应管理，原本谈不上孰优孰劣。只是事物发展螺旋上升中的不同状态。
SDN的出现，依然为本已死气沉沉的网络基础设施带来了一丝活力，SDN在持续着辉煌的同时，也在按照几乎不可控制的态势引入更多的功能。但是当我们从整个网络基础架构的更上层俯视SDN时，却很难体会得出SDN是一次颠覆性变革的结论。整个网络基础架构并无根本的变化，只是一次管理策略的调整与重构，路由器与交换机内部基础的缓冲管理与算法几乎丝毫未变。
事实上SDN的前缀软件定义SD (Software Design)更加令人关注，在SDN崭露头角后不太长的一段时间里，各类软件定义风起云涌，有软件定义云计算，软件定义数据中心，软件定义存储，软件定义基础设备，直到Software Design Everything。在这些种类繁杂的软件定义中，恐怕最有共性的一件事情莫过于把之前配置各类设备所使用CLI (Command Line Interface)方式，换成了RESTful API。
本已停滞不前的x86处理器一夜间重回中心，似乎x86处理器重新强大到了无所无能。NFV (Network FunctionVirtualization)的提出，进一步神话了x86处理器与其下的虚拟化部件。却在有意无意中无视x86 XEON处理器自从Nehalem起，在微架构层面的创新已乏善可陈的事实。即将大规模推广的KabyLake仅在计算层面上，与Nehalem相比并无质得提高。x86处理器在计算领域完败于GPU之后，Kaby Lake所做出的选择是重归这个公司的起点，存储。
