SDN北向接口标准化简介以及相关标准化进展

1.概述

SDN（软件定义网络Software Defined Network）将控制同转发分离，引入控制器（Controller）系统进行集中化管控，并通过控制器北向接口，向应用层或者上层控制器提供网络抽象，使得网络具备软件编程的能力。

开放的北向接口，是SDN生态系统的核心。本文重点介绍北向接口相关标准化进展。

2.SDN架构及北向接口简介

SDN包含数据平面、控制平面以及应用平面。基于控制器的视角，面向应用的接口为北向接口,面向基础架构层的接口为南向接口。在层次化控制器的场景，控制器和控制器之间的接口也称为北向接口。

 

图 1 SDN架构及北向接口

3.SDN北向接口标准化

3.1.传统电信网络北向接口
ITU-T(国际电联电信标准化部门 ITU Telecommunication Standardization Sector)定义了电信管理网络(TMN)分层架构原则，提出管理分层结构和五大功能，应用到SDH、OTN以及MPLS-TP等技术领域。电信运营商采用这种模型，引入了EMS、NMS、BOSS等系统，各系统的功能定义相对明确。

 

图 2 TMN架构及产品形态

TMN中提供的Q3接口复杂度高，使用CMIP协议（涉及OSI七层协议栈以及信息模型），未广泛采纳；Qx接口通常也是各厂商自定义，标准化程度不高。

TMF(电信管理论坛 TeleManagement Forum)关注网络运营、维护、管理等，TOM、e-TOM模型及相关规范在电信网络被广泛采纳。MTNMv3.5版本已经涵盖SDH、WDM、OTN、PTN、Ethernet、RTN、GPON、DSLAM、ASON等技术领域业务模型。但MTNM所采用的CORBA技术因专业性强、复杂度高，不再适用当前开放的软件架构；MTOSI系列标准的制定，在继承MTNM网络资源模型的基础上，接口采用XML技术，并增加了面向Service的业务模型和操作。

BOSS系统由于商业模式原因，接口的标准化程度相对不高。

网络IP化，业务IP化的普及，推动运营商网络由CT向ICT转型。但IP网络最初采用分布式路由及信令，偏向单个设备的配置/管理，重点在南向接口，而北向接口缺少标准化。各厂商结合自身业务实现，对IP/MPLS相关北向接口进行定制，不利于运营商系统和设备商系统的集成。

3.2.ONF北向接口标准化
2011年3月ONF(Open Networking Foundation开放网络基金会)成立，致力于推动SDN技术和标准，当前有多个工作组制定北向接口。

3.2.1.CIM工作组
信息模型是对物理资源的抽象表示，它包含了一组对象、对象之间的关系、对象属性和对象可以执行的操作。北向接口根据信息模型来定义接口上交互的数据内容和操作。虽然不同的网络技术具有不同的特点，但是这些技术所共有的一些信息模型应该是一致的。采用不同的信息模型会增加北向接口的复杂度，降低接口互操作性和可扩展性。因此CIM（Common Information Model通用信息模型）工作组致力于定义一个对于各种网络技术公共的信息模型，即通用信息模型。

CIM工作组采用面向对象的方法，定义了网络资源相关的对象以及对象之间的关联，采用通用建模语言（UML）进行定义，与北向接口实现所采用的具体接口协议无关。CIM继承了ITU-T、TMF等标准组织对于电信网络的建模方法。通用信息模型包含与具体网络技术无关的核心信息模型（例如拓扑、转发等对象）、与特定网络技术相关的信息模型（比如OTN、IP等）以及应用相关模型（比如NBI工作组当前定义的一些接口）。CIM工作组主要定义与技术无关的核心信息模型，2015年3月和11月，CIM工作组分别发布了CIM1.0和CIM1.1版本。

与技术相关的信息模型在各技术工作组中研究（如NBI、OTWG等）。

定义面向技术的北向接口标准时，针对不同的应用场景，可以对通用信息模型进行剪裁/重构，将信息模型映射为数据编码以及接口代码。

 

图 3 通用信息模型

ONF下属的开源SDN社区2015年底成立了EAGLE项目，提供自动化工具，能够将UML信息模型转化为程序代码。

3.2.2.NBI工作组
NBI(北向接口Northbound Interfaces)是ONF最早定义北向接口的工作组，在NBI引入了北向接口“维度”的概念——底层抽象接口，向网络资源及功能；上层抽象接口，面向应用。

 

图 4 北向接口抽象维度

ONF NBI的工作经历了两个阶段：

1、功能型北向接口(Functional NBI):自下而上看网络，重点在网络资源抽象及控制能力的开放，包括Topology、L2VPN、L3VPN、Tunnel等接口；CIM工作得到ONF认可后，NBI采纳了CIM的方法论，尝试集成部分信息模型。

 

图 5 功能型北向接口

2、基于意图的接口(Intent-based Interface):自上而下看网络，关注应用或者服务的需求，同具体的网络技术无关。此部分工作目前依然处于探索阶段。

开源SDN社区的BOULDER项目提供面向意图的北向接口软件，能够屏蔽不同控制器的差异，并已经在ODL和ONOS上进行相关演示。

3.2.3.OTWG工作组
OTWG（光传送工作组Optical Transport Working Group）采纳CIM的模型，对OTN、ETH、MPLS-TP等传送技术建模。2016年6月，OTWG发布TR527版本1.0(TAPI Function Requirement)，描述了控制器间接口功能需求以及控制器和协同器/应用层间功能需求，其中包括拓扑服务(Topology Service)、连接服务(Connectivity Service)、路径计算服务(Path Computation Service)、虚拟网络服务(Virtual Network Service for Transport)、通告服务(Notification Service)等。同时，OTWG启动2.0版本的制定工作，包含节点配置、保护/OAM、多点/多层/多域等内容。

如图6所示，基于OTWG功能需求描述，对ONF核心信息模型以及技术信息模型进行剪裁，生成北向接口UML信息模型。EAGLE项目提供了一组工具，能够将UML最终转化为Python代码。SNOWMASS项目计划2016年7月发布北向接口软件开发包(SDKv1.0)。

 

图 6 T-API相关项目

2015年9月，华为在开源SDN社区推动成立ENGLEWOOD项目，提供平台无关的抽象层，屏蔽各种控制器实现的差异性（如图7所示）。

 

图 7 ENGLEWOOD项目软件架构

3.3.IETF北向接口标准化
IETF(互联网工程任务组Internet Engineering Task Force)负责互联网相关技术规范的制定，最初关注分布式路由及信令协议，并制定SNMP协议及MIB、Netconf等南向接口。IETF最早有两个SDN相关工作组： ForCES（forwarding and control element separation）和ALTO（application-layer traffic optimization）。随着SDN理念逐步被业界所追捧，成立了越来越多的工作组，包括I2RS（Interface to the Routing System）、Spring(Source Packet Routing in Networking）、SFC(Service Function Chaining）、BIER(Bit Indexed Explicit Replication）、NetMod（NETCONF Data Modeling Language）、L3SM(L3VPN Service Model)等。

IETF并没有独立的北向接口工作组，各个工作组都在制定网络功能相关的接口，并统一使用YANG数据模型进行接口描述。目前TEAS工作组开展了网络拓扑、业务隧道等北向接口YANG模型的标准制定，CCAMP工作组开展与具体传送技术相关的北向接口YANG模型标准研究。

2015年华为推动成立SUPA（Simplified Use of Policy Abstractions）工作组，主要目标是制定通用的Policy模型，并且将Intent Policy作为其中重要的研究内容。

3.4.MEF北向接口标准化
MEF(城域以太网论坛Metro Ethernet Forum)将以太网作为一种业务，定义业务的需求、属性、OAM等，所有能够提供这种业务的网络，都能够得到MEF的认证。MEF当前定义的以太网服务接口，可以认为是一种基于意图的Intent接口。

3.5.各标准模型演进
北向接口的开放及标准化，对SDN产业的发展至关重要。业界各厂商以及标准组织，包括一些顶级技术专家，都致力于北向接口的统一。经历两年多的努力，当前ITU-T、TMF、ONF、MEF等组织，基本达成共识，使用统一的网络资源信息模型。同时，在IETF，也逐渐有一些提案，建议采用通用信息模型。

 

图 8 信息模型演进历史

4.总结

SDN应用的多样性，使得北向接口的需求多变，进而导致北向接口标准化面临挑战。各标准组织逐渐倾向采用统一的信息模型，前景美好，任重而道远。

参考文献
[1] ONF TR-502, “SDN Architecture 1.0”, 2014.06
[2] ONF TR-521, “SDN Architecture 1.1”, 2016.02
[3] ONF TR-512, “Core Information Model 1.1”, 2015.11
[4] ITU-T G.805, “Generic Functional Architecture of Transport Networks”, 2000.03
[5] ITU-T G.800, “Unified Functional Architecture of Transport Networks”, 2016.04
[6] ITU-T G.7711， “Generic protocol-neutral information model for transport resources”, 2015.08
[7] TMF TR215, “Logical Resource- Network Model Advancement and Insights”
[8] TMF TR225, “Logical Resource: Network Function Model”
[9] MEF 7.2, “Carrier Ethernet Management Information Model”,2013.04