虽然电子通信系统的早期历史可以追溯到 19世纪 30年代，但是人们通常将亚历山大 • 格雷厄姆• 贝尔（AlexanderGrahamBell）1876 年发明的电话视为现代电信的曙光。在最初的 100年里，电信网络主要是固定的—用户受限于固定的位置（而不是由无绳电话提供的有限移动性），这些位置通过固定线路连接到电信基础设施。20世纪 80年代，移动电话的出现使用户在通话期间四处走动成为现实，并最终推动“个人通信服务”概念出现，它支持每个用户使用自己的手机在任何时间、任何地方进行呼叫。为了实现这一目标，可以使用与现有基础设施互通的特殊移动设备（它具有无线天线塔和用于跟踪用户移动情况的数据库等）来增强固定网络功能。
如今，世界各地和各行各业的人们广泛使用互联网，使互联网协议（IP，Internet Protocol）不仅成为首选的数据网络协议，还几乎成为所有形式的未来网络构建的基础技术，包括传统的公共电话网络。20世纪 90年代中期，浏览器的发明推动了互联网的快速发展。与移动网络一样，互联网同样基于固定电信网络基础设施构建，并通过增加特殊设备（如调制解调器、路由器、服务器等）来实现。然而，互联网的发展不仅使为数十亿人提供通信服务成为可能，还极大地改变了商业和整个社会。
在较高层次上，电信网络可以看作是由两个主要部分构成的：一部分是核心网，它拥有地理上分布的共享设施，这些共享设施通过信息传输系统实现互联；另一部分是接入网，它包含将各用户（或其驻地）连接到核心网的专用链路（如铜缆、光纤或无线链路）。基础设施提供的效用在很大程度上取决于可用传输能力。1934年通过的《通信法案》要求采用完善的基础设施，向“全美人民”提供快速高效、收费合理的覆盖全球的有线和无线通信服务。这一通用服务原则有助于实现电话服务泛在化。传输设备的部署需要大量资本投资，以便在广泛的地理区域内部连接电话服务用户。
部署的传输容量远远高于基本话音服务所需的容量，且随着新技术解决方案（如数字用户、光纤等）的陆续开发应用，网络显然具备比提供话音服务更强的能力。支持泛在话音服务的基础设施逐渐发展为支持数据服务并提供互联网宽带接入能力的基础设施。根据美国联邦通信委员会（FCC，FederalCommunicationsCommission）的说法，高速（宽带）互联网是一种不可或缺的通信技术，应该像话音服务一样无处不在。政治、经济和社会生活的质量对电信网络高度依赖，以至于人们通常会将其视为一个国家的关键基础设施。
移动电话和互联网的发展历史是一种渐进历程，且逐步得到应用。创新步伐已经呈指数级加速，从而使服务产品的爆炸式增长与新应用的迅猛增长相匹配。20世纪 70年代，第一代移动通信系统（1G，1stGeneration）首次推出，鼎盛时期话音用户数最高达到2000万，而当前的第四代移动通信系统（4G，4thGeneration）则为全球近 20亿智能手机用户提供服务。
“智能手机的变革力量源于其小尺寸和高连通性。”小尺寸使智能手机易于携带；高连通性意味着智能手机不仅可以将人们联系在一起，还可以提供在线能力和体验的全部功能，从而催生 了诸如 Uber和 Airbnb等新型业务模式。此外，全世界拥有20亿部智能手机，且每部智能手机都可以“充当数字普查员”，这一事实使人们以高分辨率实时查看喜欢和不喜欢的内容成为可能。但是，该技术框架的强大功能受限于设备与网站以必要的速度进行互联的能力以及近实时业务的时延需求管理能力。这些都可以通过传输层来实现，以确保任何两个端点之间具有足够的带宽和吞吐量。
传输技术从早期本地接入和长途传输网络不断演进。铜线、无线和光纤技术的迅猛发展提供了更廉价、更耐用和更简单的传输网管理方法。传输的流量已经从模拟发展到数字（时分复用），然后又从数字发展到 IP。分层协议支持诸多不同服务共享公共传输基础设施。辐射型、固定带宽、固定电路和长时间交换会话（以及伴随话音服务增长而增长的架构）不再是主导模式，而 是由诸如视频分发、互联网接入、机器对机器（M2M，MachinetoMachine）通信等新应用驱动的众多不同流量模式主导。在这些新应用中，移动性已经成为提供服务的重要组成部分。目前， 这种演进使全球电信网络不仅成为人与人之间话音、数据和视频通信的基础，还成为全世界数十 亿人所从事的各种社会和经济活动的基础。接下来出现的是物联网（IoT，InternetofThings），它由数百亿台远程设备连接和控制能力驱动，促进下一轮生产力的提高，跨行业运营得到大大简化。
传统上，运营商网络的用户通常是静态和可预测的，与其相关的流量也是如此。因此，运营商当时所依赖的基础架构往往基于固定的、专用的网络硬件。由于电信运营商的运营环境遵循将IT和网络组分开的组织方法，因而流量增长和需要支持的各种服务创造了一种环境。在这一环境中，响应业务需求的能力会受到越来越多的限制。当前网络支持数十亿项应用—重应用、照片共享、视频流、移动设备和新兴物联网应用，所有这些应用都要求具备按需扩展、高弹性和实时动态服务修改的能力。
如今，网络连通性是每项创新的核心，从汽车到手机再到视频等，无不如此。连接和网络使用正呈现爆炸式增长：2007—2014年，仅美国电话电报公司（AT&T，American Telephone &Telegraph）移动网络的数据流量就增长了近150000%。这一趋势将持续下去，预计到 2020年底，无线数据流量将会再增长 10倍。截至本书编写时，视频流量占到 AT&T总网络流量的 60% 左右（大约每天114PB）。从这一角度来看，114PB相当于大约1.3亿小时的高清视频。目前，发送1分钟视频需要大约 4MB的数据。相比之下，发送 1分钟的虚拟现实（VR，VirtualReality）视频需要数百兆字节。随着 VR越来越流行，急需一种简单方便的方式来访问这些需要大量数据的内容。与此同时，物联网也在产生大量需要存储和分析的数据。预计到 2020年底，联网设备将达到 200亿～500亿台。
公共网络（特别是预计覆盖范围大的公共网络）部署成本一直很高。为了支持网络增长和应用（网络用户越多，网络的价值越高），运营商需要依靠技术进步来持续提高性能并降低成本。与 20世纪的公共网络相比，当前能够提供高级服务的全 IP网络从根本上改变了诸多要求。在移动设备功能、社交媒体以及可用内容和应用创造价值的推动下，任何时候的可用服务或应用数量都增长了几个数量级，且服务也在持续演进。
为了跟上新应用的步伐，并能在流量不断增长和收入不断降低的情况下提供可靠的网络服务，我们需要一种新型网络方法。几十年来，传统电信网络设计和实现方案都采用了尝试验证的方法。
当新的网络需求确定时，运营商发布招标书（RFP，RequestForProposal）。供应商采用符合互操作性标准的专有解决方案进行响应，然后每个网络运营商选择符合其要求的解决方案。网络是通过将功能实体的物理实现方案进行互连来构建的。如今的电信网络部署了超过250种不同的网络功能—交换机、路由器、接入节点、复用器、网关和服务器等。这些网络的大多数功能都是作为独立设备来实现的具有独特硬件和软件的物理“盒子”，它可实现上述功能且符合标准接口，易于实现与其他“盒子”的互操作。通常情况下，为了便于操作，网络运营商更喜欢由一家或两家供应商来提供给定类型设备（如路由器）。设备供应商通常使用自定义硬件来优化成本/性能；软件与硬件配合，产品可以被认为是“封闭的”。这会导致供应商相对固定，且由于大多数已部署设备很少进行替换，因而导致平台也相对固定，随着技术进步而升级的选择非常有限。
图1.1定性描述了10年间成本的变化情况。为便于说明，单位成本表示执行一项网络功能的成本（如1GBIP业务的分组处理成本）。由于平台相对固定，因而任何成本变化要么来自使用更便宜部件对硬件重新进行插件级设计，要么来自供应商为确保市场地位而提供的优惠价格。另外，以部件技术进步（摩尔定律）和竞争性市场动态变化为特征的技术进步促进了单位成本的快速下降，更加符合流量快速增长催生的各种需求。当前网络设计和实现面临的第二个问题是，面对流量的激增，网络规划人员需要部署远超过需求的容量（因为除了简单的插件附件外挂之外，扩充部署容量可能会需要消耗几个月的时间），从而导致利用率降低。
图1.1 成本变化
我们需要从以硬件为中心的网络设计方法转向以软件为中心的网络设计方法。在可能的情况下，部署的硬件应该是标准化和商品化硬件（如云硬件），且可以独立升级，以便在技术发展时受益。网络功能实体应该主要通过在商用硬件上运行软件来实现。硬件可以在多个网络功能实体之间进行共享，因而可以实现利用率最大化。网络容量以流畅的方式进行升级，并在需要时连续部署新型硬件资源和网络功能软件。此外，SDN的实现将提供三大主要优势：（1）控制平面与数据平面分离，支持更高的操作灵活性；（2）物理层通过软件进行控制，支持实时容量配置；（3）采用与实时网络数据相结合的先进高效算法进行全局集中式SDN控制，支持在路由、流量工程、服务提供、故障恢复等方面实现更好的多层网络资源优化性能。这种新型网络设计方法（如图 1.2所示）的资本支出和持续运营成本较低，能够更加灵活地应对流量激增和故障情况，且具备更强的创建新服务的能力。
图1.2 ⽹络转换
