VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

Software Defined Network (SDN)

referát z předmětu Směrované a přepínané sítě

Vypracoval: Martin HALUZA

Login: hal293

Datum: 15. května 2013

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

1 Úvod

Do popředí se v počítačovém světě v posledních letech dostali především virtualizace a cloud computing.

Virtualizace označuje postupy a techniky umožňující přistupovat k dostupným zdrojům jiným způsobem než

jakým fyzicky existují, což zjednodušuje

přizpůsobování prostředků potřebám

uživatelů apod. Cloud computing je

model, založený na poskytování služeb a

programů, které jsou uloženy na

serverech a uživatelé k těmto službám

mohou přistupovat prakticky odkudkoli

bez nutnosti vlastnit samotné aplikace.

Tyto přístupy vyvolaly, především v

poslední době debatu nad změnou

přístupu k počítačovým sítím, kdy se nyní

dostávají do podvědomí softwarově definované sítě (SDN). Očekávaná změna bude vyžadovat nový přístup

k síťové architektuře, protože doposud známé monolitické prostředí se mění na dynamicky pestrý model, u

něhož je nezbytná velká míra izolace.To znamená, že nad klasickými přepínači, budou čím dál častěji

provozovány virtuální softwarové sítě, jejichž výhodou bude neomezená pružnost, a to po stránce síťové,

výpočetní i úložné. V datových centrech založených na cloudových řešeních vzniká při virtualizaci síťových

prvků na různých úrovních síťové či aplikační vrstvy prostředí „více nájmů“ (multi-tenancy) a právě díky

cloudu se v cloudových datových centrech mohou měnit nároky na změnu velikosti, škálovatelnosti i na

dynamické vlastnosti. Základním rysem je tedy virtualizace v LAN a WAN sítích. Softwarově definované

sítě tak rozšiřují výhody virtualizace na každou jednotlivou doménu datového centra – výpočetní, úložnou a

síťovou. Současně však i na všechny související služby, ať už v oblasti bezpečnosti, dostupnosti a přístupu.

Softwarové řešení umožní to, že všechny hardwarové zdroje budou sloučeny a následně budou

automatickými funkcemi jednotlivé zdroje přerozdělovány podle požadavků vysílaných aplikacemi. Řešení

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 2

Obr. 1: Cloud computing

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

je rychlé, efektivní a hlavně bezpečné.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 3

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

2 Software defined network

2.1 Co to přesně znamená SDN

Softwarově definované sítě mají snahu co nejvíce oddělit rovinu kontrolní od roviny vlastních dat v rámci

sítě, což jim umožňuje inteligence a stav sítě, která bude řízena centrálně, a zároveň oddělit složitost základní

fyzické sítě.

Cílem je mít lepší centralizovanou správu a možnosti pro jednoduché definice služeb, pružnost a vysoký

stupeň automatizace prostřednictvím

integrace s dalšími IT aplikacemi (přes

tzv. rozhraní API) v rámci definicí

nových služeb v síti – například

integrace virtualizovaných serverů v

datovém centru. Síťová infrastruktura

je z pohledu správce jednoduše logicky

rozdělena, tedy síťově virtualizována,

což by mělo při odpovídající

standardizaci ve výsledku přinést

značné úspory nákladů, protože síťová infrastruktura bude jednoduše zaměnitelná. Ačkoliv se o standardizaci

protokolu umožňujícího SDN pokusila komunita OpenFlow prostřednictvím Open Network Foundation,

právě v této oblasti je potřeba toho ještě hodně udělat. SDN je totiž mnohem víc než OpenFlow. Na základě

zkušeností s dostupnými řešeními OpenFlow je zřejmé, že jsme stále ještě příliš daleko od použitelného

výsledku, který musí být škálovatelný a dostatečně robustní. Jedná se totiž nový způsob nasazení síťové

infrastruktury, který se přizpůsobí požadavkům aplikací nasazených v síti. Současná generace sítí a

architektury je konfigurována staticky a vertikálně. Nové generace aplikací jako například video a

framework Hadoop určený pro zpracovávání velkého množství nestrukturovaných a distribuovaných dat,

vyžaduje aby byly sítě pružně a přizpůsobitelné podle požadavků jednotlivých aplikací. Z pohledu

architektury jsou softwarové sítě popisovány ve vrstvách.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 4

Obr. 2: Referenční architektura SDN

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

2.1.1 Síťové aplikace a služby

Vrchní vrstva se skládá z aplikací, které využívají síť pro běžnou síťovou komunikaci. V této vrstvě jsou

také zahrnuty obchodní a logické aplikace, které řídí, a sledují chování sítě.

2.1.2 Kontrolní a řídící vrstva

Střední vrstva je framework, v němž se projevuje abstrakce, poskytující řadu společných API pro

aplikační vrstvu, implementující jeden nebo více protokolů pro řízení a kontrolu fyzického hardware v síti.

2.1.3 Fyzická a virtuální síťová zařízení

Spodní vrstva se skládá z fyzických a virtuálních zařízení, přepínačů, směrovačů apod., které tvoří

konektivitu mezi všemi koncovými body v síti.

2.2 Počítačové Trendy jsou hnací změnou sítí

Jak už bylo řečeno dříve, SDN řeší skutečnost, že statická architektura běžných sítích je nevhodná k

dynamickému computingu a datovým potřebám dnešních datových center, kampusů apod. Mezi klíčové

trendy vyvolávající potřebu nového síťového paradigmatu patří:

2.2.1 Změna způsobu provozu

Aplikace, které běžně přístupují ke geograficky distribuovaným databázím a serverům prostřednictvím

veřejných a privátních cloudů vyžadují extrémně flexibilní řízení datového provozu a přístup k šířce pásma

na vyžádání.

2.2.2 "Konzumerizace IT"

Trend Bring Your Own Device (BYOD) vyžaduje sítě, které jsou zároveň flexibilní i bezpečné.

2.2.3 Vzestup cloudových služeb

Uživatelé očekávají přístup k aplikacím, infrastruktuře a dalším IT zdrojům na vyžádání.

2.2.4 "Objemná Data" znamenající větší šířku pásma

Manipulace s dnešními objemnými datovými soubory vyžaduje masivní paralelní zpracování, které je

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 5

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

podněcuje konstantní poptávku po dodatečných kapacitách na připojení.

Ve snaze splnit požadavky na síť, která představuje vyvíjející se počítačové trendy, návrháři se ocitli omezení

současnými sítěmi:

• Složitost, která vede k nehybnosti: Přidání nebo přesunutí zařízení a implementace síťové politiky

jsou složité, časově náročné a především nesoucí riziko narušení provozu, odrazují od změn v síti.

• Nemožnost rozšíření: starodávný přístup k poptávce škálovatelnosti není účinný v dynamických

modelech ve virtualizovaných sítích. Tento problém je ještě výraznější v sítích poskytovatelů služeb

s rozsáhlými paralelními výpočetními algoritmy a se souvisejícími datovými soubory v rámci celého

výpočetního fondu.

• Závislost na výrobcích: Dlouhé cykly vývojářů zařízení a nedostatek standardních, otevřených

rozhraní omezuje schopnost provozovatelů sítí přizpůsobit sítě pro svá individuální prostředí.

2.3 Co vše je potřeba vyřešit aneb možné problémy

Asi největším problémem je standardizace celého řešení. Dalším, ale přímo souvisejícím, je pak

dostupnost již prověřených funkcí, které známe z dnešních sítí. Otevřené kontroléry jsou navrženy jako

demonstrace schopností jednotlivých protokolů, avšak většina z nich nabízí pouze základní přepínání, jako

příklad API, vše ostatní je ponecháno na vlastním uživateli. Například často chybějící podpora Spanning

Tree může v těchto otevřených architekturách způsobovat postupem času smyčky.

Také nelze nic považovat za samozřejmost. OSPF, politiky, případně ověřování identit, nebo něco, co je

očekáváno v přepínači podnikové třídy, je potřeba vlastnoručně naprogramovat nebo využít některého z

modulů již vyvinutých a dostupných na internetu.

Každodenní běžné provozní úkoly jsou ponechány na uživateli, jako například udržování sítě v provozu

během upgradu softwaru apod. Dostupné produkty toto bohužel ještě ne vždy podporují. Určitou výjimkou

jsou kontroléry SNAC dostupné v rámci otevřené komunity. SNAC je původní vývoj od společnosti Nicira.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 6

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

Nabízí použitelné webové rozhraní, možnost nasazení politik a funkce řízení přístupu do sítě, které je však

stále daleko za jakýmkoliv komerčním řešením.

Nejzásadnějším problémem je však škálovatelnost celého řešení. Teoretické výhody kompletní

centralizace (vrstva řízení) jsou ze své podstaty zjevné. K dořešení zbývá především dostupnost a problém

škálování definice IP toků, jako je typické např. u testování OpenFlow v náročných podmínkách. V dnešních

implementacích je ve výsledku vše předem statické. To znamená, že musíte vědět předem, kdo s kým bude

komunikovat – typicky na IP subnet maskách (zástupné znaky pro klíčová slova, maskování částí IP hlavičky

jako TCP/UDP porty atd.).

2.4 Hybridní architektura

Využití hybridních architektur je pro rozvoj SDN velmi užitečné: řízení toků, management topologie a

rozhodnutí o směrování je prováděno lokálně a tak, jak je dnes běžné, vlastní definice je centralizovaná a je

následně distribuována do všech částí

sítě. Integrace s dalšími IT aplikacemi

skrze otevřené rozhraní API přináší

značné výhody, které s sebou nese

architektura SDN, a to v bezpečném,

robustním a škálovatelné provedení.

Tento způsob mnohem lépe odráží

požadavky kladené IT odděleními

jednotlivých podniků a organizací. V závislosti na vývoji jednotlivých protokolů je nahrazují otevřené

standardy. Vlastní otevřenost rozhraní API, je primárním parametrem užitečnosti SDN z hlediska flexibility a

automatizace činností. Na trhu jsou dnes již dostupné takové produkty pro pevné i bezdrátové sítě, které

třetím stranám umožňují přikázat síti, jakým způsobem je potřeba nastavit koncová zařízení či virtuální

servery, VOIP aplikace, o jaký telefon se jedná a jakou konfiguraci nastavit.

2.5 Pravidla na cestě k SDN

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 7

Obr. 3: Využití hybridní architektury

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

Existují rizika spojená s tímto druhem sítí - zejména těch, které vyplývají z toho, jak složité tyto druhy

operací mohou být.

V tradičních sítích byla "rozhodnutí" ponechána v rukou zařízení, na kterých síť skutečně běží. Vezmeme-

li těmto specializovaným zařízením kontrolu a embedded software, který zde bude běžet může být předehrou

ke katastrofě sítě, i když je vše uděláno správně. Bylo by to podobné jako kdyby každý řidič v nějakém

městě měl nezávislou kontrolu všech semaforů ve městě. Chaos. To je důvod, vznikla mezera mezi

teoretizováním o SDN a vlastní implementací.

Nyní jsou ve vývoji dva open source projekty, protokol OpenFlow od Open Networking Foundation a

nový projekt OpenDaylight od Linux Foundation, které pracují na vytvoření souborů pravidel SDN, které

zamezí takovému chaosu. Tyto protokoly by také měli výrazně zjednodušit práci vývojářům aplikací, kteří by

se nemuseli učit rozdíly řízení sítí, ale stačilo aby se zaměřili na jeden z těchto nástrojů, který by zvládl

těžkou práci naplánování správné cesty skrz sítě, v závislosti na potřebě aplikace. Je to stejné jako například

dostat se na neznámé místo v neznámém městě s policejním doprovodem – stačí jen sednout do auta a

sledovat majáky a věřit, že vědí co dělají a kam jedou.

2.6 Výhody SDN mohou být nepřeberné

Vzhledem ke své komplexnosti, nebudou SDN dostupné ihned. Jakmile ale budou realizovány, přínosy

budou patrné na první pohled. V prostředí cloud computingu ovládané pomocí SDN uvidíme výrazné

zvýšení rychlosti a účinnosti, neboť jejich sítě budou optimalizovány pro aplikace běžící v tomto prostředí

cloudu. Pravděpodobně i korporátní a mobilní sítě získají velké přínosy z implementace SDN, jelikož jsou v

dnešní době v popředí zájmu spíše datové služby než ty hlasové. To umožní mobilním operátorům například

nadefinovat nové datové tarify v závislosti na obsahu služeb, které budou zákazníci požadovat. Příkladem

může být třeba tarif zaměřený na sociální sítě nebo video, kde by v rámci balíčku byl zabezpečen neomezený

traffic na určitý druh služby a ostatní služby by byly řešeny v rámci standardního datového tarifu

Nejdříve se tedy budou muset stanovit určitá pravidla, ale nikdo nemůže popřít, že SDN má velký

potenciál, aby přizpůsobil síťové zdroje pro podniky i spotřebitele.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 8

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

3 Projekt Open Daylight

OpenDaylight je open source projekt s modulární, výměnnou a flexibilní platformou řadiče v jeho jádru

na kterém spolupracuje mnoho významných firem z oblasti IT, mezi které patří například CISCO, JUNIPER,

IBM, MICROSOFT, REDHAT, VMWARE, INTEL a mnoho dalších. Tento řídící prvek je realizován

výhradně

softwarově a je

obsažen ve

vlastním Java

Virtual Machine

(JVM). Jako

takový může být

nasazen na

jakémkoli hardware a OS platformě, která podporuje jazyk Java.

Řadič interpretuje otevřené API, které je použito u aplikací. Open Daylight podporuje OSGi framework a

obousměrný REST pro northbound API. Framework OSGi se používá pro aplikace, které běží ve stejném

adresním prostoru jako řadič, zatímco REST (webové) API se používá pro aplikace, které neběží ve stejném

adresním prostoru (nebo dokonce nutně na stejném stroji) jako řadič. Obchodní logika a algoritmy jsou

řešeny aplikací. Tyto aplikace používají ovladač ke shromažďování inteligence sítě, spouštění algoritmů pro

provádění analýz a poté využívají řadič k organizaci nových pravidel pro průchod sítí.

Platforma řadiče sama o sobě obsahuje sbírku dynamických zásuvných modulů provádějících potřebné

činnosti v rámci sítě. Existuje řada základních síťových služeb pro takové úlohy v rámci sítě jako například

shromažďování statistik atd. Kromě toho mohou být pro rozšíření funkčnosti vložena další rozšíření

orientovaná na různé služby.

Southbound rozhraní je schopno podporovat více protokolů (jako samostatné pluginy), např. OpenFlow

1.0, OpenFlow 1.3, BGP-LS, apod. Tyto moduly jsou dynamicky propojeny do vrstvy Abstraction Service

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 9

Obr. 4: Začlenění Open daylight do architektury SDN

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

(SAL). SAL určuje, jak splnit požadované služby bez ohledu na protokol použítý mezi Řadičem a síťovými

zařízeními.

3.1 Cisco ONE

Cisco do projektu Open Daylight přinesla jádro svého vlastního produktu s názvem Cisco Open Network

Environment a otevřela tento kód pod licencí Public Eclipse. Komunita Open Daylight začala pracovat

kolem tohoto kódu aby zformovala architekturu pro framework Open SDN. Cisco nyní vidí podporu open

source jako rozhodující pilíř jejich strategie, jelikož se open source stále více stává standardem pro

uspokojení potřeb zákazníků i vývojářů, jelikož odstraňuje bariéru závislosti na uzavřeném sw nějakého

výrobce. Tímto tedy umožňují vývojářům používat volně toto řešení a doufají, že tím vytvoří nový

ekosystém vývojářů, který by tím mohl realizovat SDN rychleji než dříve.

Cisco Open Network Environment je tedy

přizpůsobitelný framework využívající celou hodnotu

inteligentní sítě, nabízející otevřenost,

programovatelnost a abstrakci v různých vrstvách

evolučním způsobem. Nabízí možnost výběru

protokolů, průmyslových norem a integrace zkušeností.

Je dodáván prostřednictvím různých mechanismů,

včetně API rozhraní a řadičů. Mezi výhody patří vyšší agilita infrastruktury, zjednodušené operace apod. Ty

nabízejí flexibilní možnosti nasazení s konzistencí napříč fyzickým i virtuálním prostředím. Tento přístup

doplňuje tradiční přístupy k SDN (přístupy zaměřené především na oddělení roviny řízení a dat) a zároveň

zahrnující celé řešení od transportu k automatizaci a orchestraci.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 10

Obr. 5: Cisco ONE

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

4 Závěr

Pokud si tedy uvědomíme výhody spojené s virtualizací serverů (jakými jsou dynamické změny

vlastností, kapacity, snadnější správa a mnoho dalších), tak podobné benefity přinese i virtualiazace síťové

vrstvy, která umožní zvyšování kapacity rozhraní sítě, nejrůznější pokročilá nastavení i plnou automatizaci.

SDN se postupně dostává do popředí a virtuální sítě se stanou běžnou realitou, a to jak v cloudových sítích,

tak i v lokálním firemním prostředí.

Virtualizace sítě může být zrealizována bez jakéhokoliv přerušení existující sítě bez změny hardwaru

nebo může být postavena takzvaně na zelené louce. Každá vizualizovaná síť má nezávisle na dalších sítích

fungujících v daném datovém centru vlastní prostor, statistické počítadlo, QoS, bezpečnostní nastavení a jiné

síťové služby vysoké úrovně. Virtualizace sítě mění pravidla v oblasti sítí tak, jaké známe doposud.

Virtualizované sítě umožňují mobilitu vytížení napříč menšími sítěmi pod ní a zpřístupnění zón, zatímco

udrží škálovatelnou multi-tenantní izolaci a schopnost změnit fyzickou infrastrukturu na vyžádání. Čas, který

zabere bezpečné nasazení aplikací v cloudu se tak reálně zkracuje z týdnů na minuty a manuální proces se

stává automatickým. Oddělení virtuální sítě od fyzické významně sníží komplexitu fyzických sítí. Fyzická

síť, stejně jako fyzické servery, se stává sdíleným prostorem síťové kapacity, jež může být užívána a měněna

na vyžádání, dle aktuální potřeby a podpořit tak potřeby podniku.

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 11

SMĚROVANÉ A PŘEPÍNANÉ SÍTĚ

5 Použitá literatura

[1] Kam kráčí softwarově definované sítě [online]. [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://www.systemonline.cz/clanky/kam-kraci-softwarove-definovane-site.htm

[2] Software defined network. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Software_Defined_Networking

[3] Nový přístup k budování datových center - softwarově definované sítě. In: Business IT [online]. 2013 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://www.businessit.cz/cz/novy-pristup-k-budovani-datovych-center-softwarove-definovane-site.php

[4] Softwarově definované sítě se stanou novou érou budování datových center. In: Business World [online]. 21.1.2013 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://businessworld.cz/analyzy/softwarove-definovane-site-jsou-novou-erou-budovani-datovych-center-10308

[5] Software-Defined Networking (SDN): What It Is, How It Works, Why It Matters. In: PROFFITT, Brian. Readwrite [online]. April 23rd, 2013 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://readwrite.com/2013/04/23/software-defined-networking-sdn

[6] OPENDAYLIGHT. Opendaylight [online]. [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://www.opendaylight.org/

[7] OPEN NETWORKING FOUNDATION. Opennetworking [online]. [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: https://www.opennetworking.org

SOFTWARE DEFINED NETWORK (SDN) 12