SDN（軟件定義網絡Software Defined Network）將控制同轉發分離，引入控制器（Controller）系統進行集中化管控，并通過控制器北向接口，向應用層或者上層控制器提供網絡抽象，使得網絡具備軟件編程的能力。開放的北向接口，是SDN生態系統的核心。本文重點介紹北向接口相關標準化進展。

北向接口概述

作為一種顛覆傳統網絡的新型網絡架構，SDN憑借其快速提供網絡服務、實現網絡靈活管理、加速網絡應用創新、降低運營開銷等諸多好處，一出現便吸引了眾多運營商的廣泛關注與青睞。SDN正在成為整個行業注目的焦點，越來越多的業界專家相信其將給傳統網絡架構帶來一種革命性的變革。ONF提供的SDN三層網絡架構獲得了業界普遍認可，SDN架構主要分為三個層次：聚焦各種網絡業務開發的應用層，負責資源編排，全局網絡管理的控制器層，負責數據轉發的基礎設施層。以控制器層為核心，其與應用層和數據轉發層之間的接口分別被定義為北向接口（NBI, Northbound Interface）和南向接口（SBI, Southbound Interface），是SDN架構中兩個重要的組成部分。

SDN的核心是實現網絡的可編程控制，推動網絡業務的創新，而北向接口恰恰是這一趨勢的最關鍵推動力，通過北向接口，網絡業務開發者能以軟件編程的形式調用各種網絡資源，同時上層的網絡資源管理系統可以通過北向接口全局把控整個網絡的資源狀態，并對資源進行統一調度。因為北向接口是直接為業務應用服務的，因此其設計必須能夠描述業務意圖，具有良好的可操作性，而網絡業務的復雜多樣性又要求SDN北向接口是靈活的、可擴展的，以滿足復雜多變的業務創新需求。同時，北向接口的設計是否合理、便捷、是否能夠被業務應用廣泛調用，也會直接影響到SDN控制器廠商的市場前景。與南向接口方面已有OpenFlow等國際標準不同，北向接口方面還缺少業界公認的標準。其主要原因是北向接口直接為業務應用服務，其設計需密切聯系業務應用需求，具有多樣化的特征，很難統一。目前，SDN市場上各種各樣的控制器，如Opendaylight、Floodlight、ONOS等，都會對外提供各自的北向接口用于上層應用開發和資源編排。這些北向接口的開放層次參差不齊，或者從用戶角度出發，或者從運營角度出發，或者從產品能力角度出發提出了很多方案，無法形成統一的標準的北向接口，給上層應用帶來了很大困擾，學習成本也很高。因此，北向接口的標準制定成為當前SDN領域競爭的焦點。

北向接口發展歷程

開放、可編程是SDN網絡的顯著特征。SDN網絡中，開放關注的焦點逐漸上移，主要經歷了三個階段。第一階段：關注設備開放接口

在這一階段，網絡開放關注在基礎設施層的設備開放接口，通過設備開放接口，直接實現對現有網絡設備的控制域編程。根據ONF中定義的OpenFlow協議標準，通過[match, action]的模型方式，直接生成并下發網絡基礎設備（如交換機、路由器以及網絡芯片）的轉發表項，實現對數據報文轉發行為的控制。在這一階段，應用層和控制器層之間的邊界是模糊的，應用層業務的開發需要感知底層物理網絡的細節，并且需要構造復雜表項實現業務開發，給新業務的開發帶來極大困難。第二階段：關注控制器能力開放接口

在這一階段，網絡開放關注在控制器能力開放，通過控制器的開放接口，可以實現特定的功能型、特定場景或技術方案的網絡控制能力實現。在ONF的North Bound Interface Work Group中，定義了大量的不同功能的開放接口，如Topology接口，L2VPN、L3VPN接口，Tunnel接口等，這些接口從具體的獨立的網絡能力角度，隱藏了具體網絡設備的轉發表項細節。此階段的控制能力開放接口，具備了一定的抽象，簡化了使用流程，利用這些功能接口的組合可以部署常見業務，但使用者仍需具備豐富的網絡知識和相關技術背景，同時，網絡應用和技術實現相綁定，隨著網絡功能的不斷創新，面向新功能的北向接口也需要不斷的增加或擴展。第三階段：關注系統能力開放接口

當前，在第三階段，網絡開放關注在系統能力的開放接口，更注重于網絡整體能力的抽象和開放，提供面向網絡操作意圖的網絡操作接口。使用這類用戶意圖的聲明式接口，網絡用戶、應用只需描述想要“What”，而無需關心“How”去實現，向用戶隱藏了網絡相關的技術信息，大大降低了網絡用戶、服務的網絡操作難度，使得網絡更容易被操作和使用。盡管面向用戶網絡操作意圖北向接口（Intent NBI）日益成為業界關注的熱點，但現階段大家對Intent的概念以及Intent NBI的描述形式和內容難于達成統一，源于Intent NBI的目標用戶群尚未明確。同時，這種面向用戶意圖的北向接口，勢必會為控制器實現的“智能化”、服務質量的保障性等帶來更多的挑戰。從SDN北向接口的發現過程來看，業界對網絡的關注點不斷上移，從關注具體的底層網絡實現到聚焦真正用戶業務需求，不斷提升SDN的價值。

北向接口發展現狀

北向接口連接SDN控制器和用戶應用之間的重要紐帶，決定了SDN的實際能力與價值，直接影響了整個SDN市場的發展方向。站在不同角度上，目前業界存在兩種NBI技術思路。第一種是技術方案相關接口，即“我能做什么”，從技術視角出發，暴露網絡系統能夠提供的具體能力，用戶通過選擇某種具體技術方案或組合實現其網絡應用，實現對網絡的精確控制。典型的技術方案相關接口有L2VPN、L3VPN、IP-TE等。第二種技術思路是技術方案無關接口，即“我要什么”，從用戶視角出發，屏蔽底層網絡細節，使用戶真正聚焦業務需求，而無需關心在紛繁復雜的網絡解決方案中如何選擇，大大降低了網絡用戶、服務的操作難度。目前，面向用戶意圖的Intent接口逐步成為業界關注的熱點，吸引了眾多運營商及服務提供方的關注與參與。目前，典型的Intent接口有NEMO、GBP、SUPA等。兩種技術觀點站在不同視角上，對SDN的發展的方向進行詮釋，目前。兩者一方面通過各個標準組織對北向接口的分類、框架、協議等進行標準化定義，另一面由各開源平臺推動，力圖通過支持更多網絡應用落地，造成事實標準。總之，SDN北向接口標準的制定在標準以及開源組織中都有了長足的發展。標準領域的發展ONF和IETF是對SDN進行標準化的最重要的兩大標準組織，也成為北向接口競爭的重要戰場。ONF（Open Networking Foundation）ONF是SDN技術重要的標準化組織之一，致力于創新和發展新型網絡架構，目前，ONF的會員數已經超過150家公司，其推動的SDN技術標準涵蓋SDN技術的各個方面，主要包括SDN架構、南向接口、北向接口、轉發模型、無線網絡等，并成功制定了大名鼎鼎的SDN南向接口協議OpenFlow。在北向接口的制定方面，ONF也做出了重要的貢獻。2013年10月，ONF成立北向接口工作組（North Bound Interface Working Group），致力于建立SDN中北向接口的原型及其信息模型，為應用開發者設計一個統一的層次清晰功能完善的北向接口。圖5的北向接口API范圍所示，不同抽象層及接口范圍需要發展不同的API，如應用于虛擬化管理及QoS等需要不同的API。

目前，針對北向接口中SFC、VPN等技術方案相關的標準還在進一步討論中，同時基于Intent的北向接口的信息模型、數據模型、應用實例等也都在積極的進行中。IETF（Internet Engineering Task Force）IETF是全球互聯網最具權威的技術標準化組織，主要任務是負責互聯網相關技術規范的研發和制定，重點是定義設備間的協議及技術規范。隨著SDN技術理念被業界廣泛接受，IETF也成立相應的工作組全面開展標準化工作，其研究更注重重用現有的協議和架構，立足于以演進的方式實現集中控制和網絡的可編程。在北向接口標準的制定方面，IETF也取得了很多進展。IETF前期側重于制定技術方案接口類北向接口，早期IETF成立ALTO（Application-layer Traffic Optimization）工作組，主要通過為應用層提供更多的網絡信息，完成應用層的流量優化。已經發布6篇RFC，包括需求、協議等內容，正在定義信息模型、數據模型等。在2013年，成立SFC工作組，主要職責是定義如何將多個業務功能通過業務鏈串接起來形成不同的業務功能集合，滿足不同場景的需求和部署場景。目前，已經發布SFC架構RFC，并在努力制定相應的數據模型。2015年成立OPS域的網絡級技術接口的工作組L3SM，旨在制定統一L3VPN部署的數據模型，以L3VPN為目標，探索IETF定義網絡級業務統一接口的可行性。目前，已有多篇drafts闡述VPN部署的自動化管理以及統一數據模型。隨著Intent概念被不斷熱議，IETF也開始成立專門的工作組來制定Intent接口標準。2014年底華為推動成立IB-NEMO討論組，聚焦Intent-Based Network Modeling相關工作的討論，旨在將現有網絡操作意圖抽象成Intent統一模型，實現對網絡資源的靈活操作與控制。目前，已有以提出統一信息模型草稿，數據模型也正在討論中。2015年華為推動成立SUPA（Simplified Use of Policy Abstractions）工作組，主要目標是制定通用的Policy模型，并且將Intent Policy作為其中重要的研究內容。目前，已經提交了關于Intent Policy的信息模型、數據模型以及應用場景實例等多篇草稿。開源領域的發展目前，已經有許多開源社區致力于推動SDN在網絡的應用，造成了極大的影響力。其中，從參與度和影響力上，OpenStack、Opendaylight和ONOS比較值得關注。OpenStackOpenStack是一個由NASA（美國國家航空航天局）和Rackspace合作研發并發起的，以Apache許可證授權的自由軟件和開放源代碼項目。OpenStack是目前最活躍的一個開源云計算管理平臺項目，作為SDN控制器的一個重要應用，其由多個組件組成，與網絡相關的組件有neutron、GBP、congress組件。NeutronNeutron為openstack提供了“網絡即服務”的功能，租戶在云中能夠自定義的構建起一套虛擬網絡環境，互聯其虛擬機，并提供網絡服務，真正構建起一個屬于租戶的虛擬DC。Neutron將網絡抽象為網絡Network、子網subnet、端口port、路由器router等，之后啟動的虛擬機就可以直接掛在這個網絡上。子網是由一組IP地址組成的地址池, OpenStack 可從中向虛擬機分配 IP 地址。端口是虛擬機和路由器或交換機掛接網絡的著附點，一個虛擬機實例可通過此端口將它的網絡適配器附加到一個虛擬網絡。

從Neutron的網絡抽象可以看出這是個典型的適用于云計算環境的北向抽象，沒有網絡拓撲的概念，以虛擬機為中心，是一種IT人對網絡的抽象。該抽象只能描述虛擬機之間的互通與隔離，不能描述大部分的網絡業務，比如SLA、QoS、ServiceChain等，雖然現在Neutron也在擴展，但只是case by case的擴展，針對一個業務需求就實現一個擴展，沒有一個通用的模型來支撐。GBP（Group Based Policy）Group based policy是由Cisco和IBM主導，在openstack平臺新增的一個關于北向接口的開源項目。2013年11月，Cisco收購了Insieme Networks公司，以該公司技術為核心，推出了以應用為中心的基礎設施解決方案“ACI”，同時，在其主導的OpenDayLight社區創建新的孵化項目Group Policy，隨后與IBM聯合提案，在Neutron項目中增加以應用為中心、面向策略、抽象的接口項目，并最終命名為“基于組的策略抽象（GBP）”，目前GBP也是OpenStack的一個孵化項目，未被工作組正式接納。GBP認為當前的neutron API只是在連接層面描述了業務的訪問與隔離需求，不直觀，也不靈活。針對當前大量的三層網絡業務需求，GBP引入了策略模型，使用group和policy rule來描述網絡業務需求，可以很方便的實現業務的自動化和安全性。GBP將策略作用的對象稱為group，將具有相同策略的虛擬機組合成group，策略是一些規則的集合，每個規則規定了兩個group之間的流量的行為，比如重定向、業務鏈等。

從GBP的模型描述可以看出GBP是一個可以動態的描述網絡策略的模型，彌補了Neutron只能靜態的描述虛擬機之間的互通隔離的缺陷。CongressCongress project是由VMware公司主導，在2014年初啟動的一個新項目，其目的是構建在OpenStack所有組件之上的通用的policy as a service，實現IT業務快速自動部署。Congress允許云管理員和租戶使用一種高層次的、通用的、聲明式的語言datalog去描述業務邏輯，策略語言不是包括一些確定的策略類型或內嵌的實施策略，而是一種簡單的定義哪些云狀態是允許的，那些是不允許的。盡管congress成立之初吸引了大批人的關注，并擴展了的Intent的表述方式，然而因其沒有清晰統一的抽象模型以及實現上需要多個項目的協同配合，發展的狀態沒有預期的理想。

ONOSONOS（Open Network Operating System）是由SDN技術最早創造發明的斯坦福、伯克利等知名大學聯合運營商、設備制造商發起的非營利性開源社區組織，對SDN的發展有著重要影響力，其目標是創建一個開源的SDN網絡操作系統，滿足運營商對網絡性能的電信級要求，滿足運營商網絡遷移到SDN網絡的需求。ONOS架構中有兩個強大的北向接口層：意圖框架和全局網絡視圖。意圖框架屏蔽服務運行的復雜性，允許應用向網絡請求服務而不需要了解服務運行的具體細節，這就意味著網絡運營商和應用開發者可以進行高級編程，只需提出操作意圖。目前，ONOS的Intent Framework中已經提出了集中類型的Intent，HostToHost、PathIntent等。目前，ONOS許多項目還處于起步階段，需要進一步的追蹤。總之，北向接口在決定SDN發展方向與價值上具有舉足輕重的意義，在開源和標準上勢必存在更加激烈的競爭，最終標準的制定還需要更多市場的考驗。Opendaylight2014年，IBM、Cisco、Brocade、Juniper等廠商發起Opendaylight項目（簡稱ODL），旨在打造一個統一的開放SDN平臺，以推動SDN技術的創新。ODL項目自成立以來就受到業界的廣泛關注，目前已擁有會員，并已經完成4次release，在2016年2月份發布最新版本Beryllium。作為極具影響力的開源社區，ODL吸引了許多關注北向接口項目的參與。NIC（Network Intent Composition）2014年底由HP提交了新的項目NIC，目的是提供一種通用的抽象的策略語法，讓用戶很方便的描述自己的意圖。其提出的Intent模型如圖9所示，利用對源節點、目的節點之間通信規則的指定和限制，實現對網絡通信的控制。另外，Intent期望做成一個統一的Intent平臺，整合面向用戶意圖的不同北向接口，目前，已經有GBP、VTN、NEMO等實現了對NIC的對接。

GBP（Group Based Policy）除了在OpenStack的貢獻之外，GBP也在ODL中提交了開源項目。ODL中的GBP將策略作用的最底層抽象命名為endpoint，可以對應物理網絡中的特定設備，可以是虛擬機接口，物理接口或其他網絡設備。將具有相同策略的endpoint組合成為group。contract是group之間的契約，契約有一些規則組成，每個規則規定了兩個group之間的流量的行為，比如重定向。用戶只需指定EPG的范圍以及EPG之間的通信規則，即可完成底層網絡規則的自動部署。其定義的Intent模型如圖10所示。

目前，GBP已經完成了Lithium和Beryllium版本的發布，并提議成為ODL的核心項目。NEMO（NEtwork MOdeling）2015年由華為公司提交了NEMO項目，目的是將現有網絡操作意圖抽象成一系列的網絡操作元語，通過這些元語的靈活組合即可靈活的操作網絡資源，編排網絡處理邏輯，形成豐富的網絡應用。NEMO項目提出的Intent模型如圖11所示。

NEMO將用戶關注的網絡操作意圖抽象為網絡資源和網絡行為，資源抽象為Object，即Node、Connection和Flow，對網絡行為的操作抽象為Operation（指定完成動作）或Result（指定達到的最終目標）。Intent可表示為Object+Operation， Object+Result等。目前，NEMO項目已經完成了Beryllium的release，并實現常見網絡應用場景。

華為的Intent NBI實踐

華為提出的NEMO項目一直引領Intent NBI的實踐，提供了一套完整的基于意圖的實現。 NEMO項目開發了一種面向網絡服務的編程語言作為一種新的SDN北向接口形式，打破了傳統上“煙囪式”基于場景逐一定義接口的方式，基于Intent的表述模型總結出一套面向網絡服務的原語，通過靈活的組合實現任意場景應用的描述與部署，并通過15種簡單的語句替代了傳統上成百上千的API。NEMO語言以更加自然和直接的方式表達用戶的意圖，網絡應用和開發者在使用NEMO語言描述網絡服務時，只需要告訴控制器做什么，而不需要指明如何去做。NEMO的Intent執行引擎實現了一個網絡中間件，隱藏網絡實現和部署的復雜性，將高層次的服務級別的Intent轉化成真正的網絡部署，并通過軟件自動化的方式解決網絡中資源和策略的沖突。創新提出的三層映射架構，簡化了Intent到網絡部署的轉換，使得每層映射功能清晰，第三方模塊和新的算法功能可以快速的集成。此外，NEMO還提供了一系列的支撐工具，比如沙箱，為測試、仿真和部署都提供了便利，為網絡應用提供了一套集成開發環境。業務定制與業務創新一直倍受運營商的關注。NEMO抓住運營商的需求，面向不同行業用戶的意圖，基于通用的網絡操作模式和以應用為中心的網絡模型，為運營商的業務設計人員提供一種簡單易用的網絡業務模板定制方式。使用NEMO語言可以快速的捕捉行業用戶的意圖，方便的在應用中描述其對網絡的需求，而將網絡實現層面的復雜性留給SDN控制器，并通過優化的軟件系統，自動實現資源的分配、網絡性能的監控、資源與策略的沖突解決，極大的簡化了運營商的設計工作并加速了業務創新和新業務的布放。NEMO將攜手標準組織IETF、ONF以及開源社區共同完成Intent NBI、相關模型、語言語法以及Intent引擎的定義和實現。