Организация программноконфигурируемой сети на базе протокола OpenFlow

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.372.542

Организация программноконфигурируемой сети на базе протокола OpenFlow

Коляденко Ю.Ю.,

Белоусова Е.Э.

В работе показаны несомненные преимущества использования программно-конфигурируемых сетей, а также их взаимовыгодной эксплуатации на базе современного протокола OpenFlow. Для этого были отмечены принципы работы стандарта, особенности функционирования коммутаторов OpenFlow, обозначены выгоды и достоинства использования такой технологии для дальнейшего развития телекоммуникационных систем.

Ключевые слова: телекоммуникационная сеть, протокол OpenFlow, пропускная способность, загруженность каналов, коммутаторы OpenFlow.

У роботі показано безперечні переваги використання мереж, що програмно-конфігурувалися, а також їх взаємовигідної експлуатації на базі сучасного протоколу OpenFlow. Для цього були відмічені принципи роботи стандарту, особливості функціонування комутаторів OpenFlow, позначені вигоди та переваги використання такої технології для подальшого розвитку телекомунікаційних систем.

Ключові слова: телекомунікаційна мережа, протокол OpenFlow, пропускна спроможність, завантаженість каналів, комутатори OpenFlow.

The number of public and corporate networks in the world is increased. In this regard, it is increasing the number of consumers who wish to enjoy high quality and secure transmission of data over the network channels. Thus, the legacy network is no longer coping with the increased requirements of successful operation and increased load. The way out of this situation is to use software-defined network SDN.

SDN no need to increase the number of network elements or procurement of improved routers, switches, firewalls. This technology offers the implementation of networks, which are based on software platforms that are easy to administer, and make adjustments to the management operators. With the mediation of specially designed software applications, such as OpenFlow protocol, it is possible to ensure the optimization of traffic flow, efficient data processing and secure transfer of the channel.

The aim of this study was to identify the main features and benefits of using software-defined network, the principles of OpenFlow protocol and highlight the main benefits of joint operation of OpenFlow networks.

It is concluded that the use of OpenFlow-based software-defined network is a modern, relevant and promising solution to the problem of the effectiveness and efficiency of existing networks.

In the future OpenFlow-based software-defined network will be needed in all modern telecommunication networks. OpenFlow can be used in the networks of mobile operators, but this would require upgrading or replacement of network equipment.

Keywords: telecommunication network, OpenFlow protocol, channel capacity, channel utilization, OpenFlow switches.

В связи с постоянным развитием и появлением новых технологий, сети нуждаются в реализации повышенных требований к скорости передачи и усовершенствования инструментов, использующихся для сетевого управления и мониторинга. Такая ситуация наблюдается из-за появления новых функциональных и технологичных сетей, что имеет оборотную сторону - усложнение их структуры, ведь операторы требуют более «умные сети», но старые методы мониторинга и управления уже не справляются со своими функциями.

Поэтому в последнее время возрос интерес к программно-конфигурируемым сетям SDN (Software-Defined Networks). Самой идее сетей SDN уже десять лет, но в последние годы известными компаниями были предложены новые реализации, которые открывают широкие возможности, например, организация сети SDN с совместным применением протокола OpenFlow. Преимущество представленной технологии в том, что она работает отдельно от сетевых устройств и ее контроль может осуществляться операторами посредством стандартного сервера.

Анализ литературных данных и постановка проблемы

Протокол OpenFlow предназначен для реализации абсолютно нового механизма обработки динамических сетевых нагрузок [1]. Он способен обеспечить сетям SDN высокую производительность, интероперабельность и отличную эффективность. В сети OpenFlow за принятие решения о высокоуровневой маршрутизации всю ответственность несет контроллер, а не коммутатор как в классических сетях. Это позволяет процессорные ресурсы коммутаторов использовать для более скоростной переадресации пакетов. Благодаря установке контроллеров и коммутаторов OpenFlow для управления, оператор сети сможет осуществлять контроль над потоками трафика с центрального сервера или даже персонального компьютера.

Такое управление эффективно заменяет, работающую на маршрутизаторе встроенную программу, предназначенную для построения маршрутов и карт коммутации. Контролер же используется для качественного и точного руководства таблицами потоков коммутаторов, на основании анализа которых принимается решение о дальнейшей передаче принятого пакета.

Следовательно, используя сеть SDN с протоколом OpenFlow можно создавать гибкие и защищенные сети, которые будут иметь минимум проблем с трафиком, так как в сети формируются прямые соединения с минимальными задержками передачи данных, и при этом отличаться меньшей стоимостью по сравнению с традиционными сетями [2].

Современный протокол OpenFlow, который был разработан не так давно, все еще находится в режиме тестирования и развития. В результате проведенной работы, были рассмотрены разнообразные публикации признанных авторов [1-10]. Был сделан вывод, что для разрабатываемого протокола OpenFlow необходима выработка системной информационной модели передачи данных, а также выбора их представления. При этом не был обнаружен алгоритм мониторинга и обработки данных, направленный на совместное функционирование программно-конфигурируемых сетей с коммутаторами OpenFlow. В связи с этим было проведено настоящее исследование, которое поможет в дальнейшем создать усовершенствованный алгоритм мониторинга состояния каналов с учетом всех необходимых для высококачественного управления параметров в сети SDN, функционирующих на базе сетевых устройств OpenFlow.

Объект, цель и задачи исследования

Объект исследования - программно-конфигурируемая сеть SDN.

Цель исследования - выявить основные особенности функционирования протокола OpenFlow и определить выгодно ли взаимодействие данного протокола с сетями SDN.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи:

1. Провести обзор протокола OpenFlow.

2. Осветить главные характеристики, принцип работы и достоинства протокола OpenFlow.

3. Обозначить несомненные выгоды совместного взаимодействия сетей SDN на базе протокола OpenFlow.

4. Определить дальнейшие пути развития программно-конфигурируемых сетей SDN и протокола OpenFlow.

Принцип функционирования и особенности сетей SDN

В отличие от классических сетей архитектура SDN предусматривает отделение уровня передачи данных от уровня управления. Благодаря такому разделению и использованию протокола OpenFlow для обмена информацией между двумя этими уровнями, удается оптимизировать все процессы администрирования и улучшить качество передачи пакетов по каналам.

Теперь все процессы в сети становятся программируемыми, что позволяет оператору видеть инфраструктуру порученной ему сети как единое целое и быстро вносить необходимые коррективы виртуально. Контроль за сетью является централизованным, благодаря контроллерам SDN поддерживается общее представление о сети. Используя технологию SDN, операторы могут осуществлять независимый от кого-либо контроль над сетью с одной логической точки, что особенно выгодно для провайдеров. К тому же для организации сети не придется закупать сложное сетевое оборудование, которое к тому же требует постоянной модернизации в связи с возрастающими нагрузками с каждым годом.

Стоит также отметить, что виртуализация сети дает возможность операторам избежать необходимости настройки вручную сотен конфигураций в небольших сетях и тысяч в больших корпорациях. Теперь посредством централизованной логики можно корректировать поведение сети в зависимости от необходимости. Например, развертывать новые приложения в режиме реального времени и проводить их быстрое тестирование перед запуском в работу. На рис. 1 приведены основные направления применения программно-конфигурируемых сетей [3, 4].

К основным несомненным достоинствам SDN следует также отнести централизованное управление, возможность автоматизации сетевых процессов, усовершенствование надежности и отказоустойчивости сети, эффективная защита от попадания в канал вирусных данных, а также возможность постоянной модернизации сети и внедрение инноваций для улучшения работы.

Рис. 1. Основные направления применения технологии SDN на практике

Архитектура сети SDN представлена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура сети SDN

Как видно из рис. 2, в SDN выделяются три уровня: инфраструктурный (сетевые устройства и коммутаторы для передачи информации), управления (операционная система, обеспечивающая управление сетевыми приложениями и сервисами), сетевых приложений (гибкий и эффективный контроль за сетью) [5].

Взаимовыгодная связь ПКС с протоколом OpenFlow

Протокол OpenFlow был создан в 2011 г. с целью развития технологии SDN. На данный момент реализацией сетевого оборудования для сетей, функционирующих при посредничестве протокола OpenFlow, занимаются такие крупные корпорации как Cisco, Dell, Ericsson, Alcate-Lucent, HP и Huawei. Главным предназначением нового стандарта OpenFlow было обеспечивать удаленное управление уровнем передачи данных в сети SDN.

Спецификация OpenFlow подразумевает под собой взаимодействие коммутаторов с контроллером, при котором каждый из коммутаторов содержит и передает специальную таблицу потоков (flow table), а также групповую таблицу (group table) через канал связи (OpenFlow channel), соединенный с удаленным сервером. Каждая таблица потоков коммутаторов содержит в себе данные о потоках и правила их обработки, прописанные оператором. Группы представляют собой набор действий, составленный для широковещательной рассылки. Группы используются для того, чтобы быстро менять выходные данные для потоков.

Следует отметить, что управление приходящими данными производится в OpenFlow не на уровне отдельных пакетов, а на уровне потоков пакетов. Правила для обработки пакетов в коммутаторах устанавливаются в контроллере для каждого типа пакета, которые и будут в дальнейшем использоваться при функционировании сети. Такие правила могут быть разработаны и прописаны администраторами сети как заранее, так и после прихода пакета, не подпадающего ни под одно уже существующее правило [6-8].

В сети OpenFlow обрабатываются три типа сообщений:

1) симметричные;

2) асинхронные;

3) контроллер-коммутатор.

Симметричные сообщения могут быть инициированы коммутатором или же контроллером без поступления соответствующего запроса. Применяются при установлении соединений, для проверки качественности и безопасности соединения, а также для измерения значений задержек, пропускной способности сети и т. д.

Асинхронные сообщения могут быть инициированы коммутатором для того, чтобы оповестить контроллер о каких-либо событиях, происходящих в сети. Например, о прибытии новых пакетов, ошибках или об удалении записей из таблиц.

Сообщения типа коммутатор-контроллер обычно инициированы контроллером для осуществления управления соединенными с ним коммутаторами. Такие сообщения несут в себе информацию о состоянии коммутаторов, могут включать в себя данные статистики или же использоваться для внесения коррекции в параметры конфигурации сетевых устройств.

Из всего выше написанного следует, что в протоколе OpenFlow разработчики SDN нашли удобный программно-управляемый интерфейс, который помогает осуществлять унифицированную и независимую связь между контроллером и сетевыми элементами на своих условиях. Так что вряд ли на сегодняшний день можно найти более удобный инструмент для таких целей, чем стандарт OpenFlow. В табл. 1 приведены несомненные выгоды использования сетей SDN на базе протокола OpenFlow [9, 10].

сеть оpenflow пропускной телекоммуникационный

Таблица 1

Новые возможности и выгоды сетей SDN на базе стандарта OpenFlow

Обсуждение результатов исследования организации сетей SDN на базе стандарта OpenFlow

В ближайшем будущем при помощи сетей SDN и таких технологий как OpenFlow можно будет трансформировать существующие сети в легко программируемые и «интеллектуальные» платформы для поддержки ЦОД крупного масштаба с возможностью виртуализации всех процессов. Описанный стандарт OpenFlow может быть применен как в корпоративных сетях, так и в Mesh-сетях, локальных или же в сотовой связи.

Достоинством данной работы является представленная и выверенная теоретическая база для проведения дальнейшего исследования стандарта OpenFlow. Недостатком работы является тот момент, что протокол OpenFlow постоянно развивается и появляются все новые его версии, что требует уточнения предоставленных теоретических данных со временем.

Таким образом, разработка, конфигурирование и анализ сетей SDN с протоколом OpenFlow является актуальной современной научной задачей, требующей дальнейшего рассмотрения. В связи с этим в дальнейшем будет рассмотрен вопрос о создании усовершенствованного алгоритма мониторинга состояния каналов в сети SDN, функционирующих на базе сетевых устройств OpenFlow.

Новая концепция сетей SDN предлагает усовершенствованный подход к реализации сетевой структуры в предприятиях, который предполагает разделение уровней управления и передачи информации.

В результате проведенных исследований было доказано, что программно-конфигурируемые сети на базе протокола OpenFlow помогут развертывать современные корпоративные сети со сложной инфраструктурой при минимуме затрат на их обслуживание. Все поставленные задачи в данной работе были выполнены, дальнейшие исследования будут направлены на программную реализацию создания усовершенствованного алгоритма обработки данных в сетях SDN.

Технология SDN позволит использовать в сетевой структуре необходимое разработчику количество сетевых элементов с разветвленной топологией и всем необходимым набором различных политик безопасности и маршрутизации. Процесс же администрирования сети станет значительно упрошенным, чем в ныне существующих сетях.

Проведенные тестирования сети SDN показали, что выбор такой технологии позволит ИТ-компаниям и другим корпорациям повысить эффективность сетевых устройств примерно на 30 % и настолько же понизить затраты, ранее шедшие на обслуживание и бесперебойную эксплуатацию оборудования. Повысится и безопасность такой сети, вирусные пакеты в SDN выявляются и оперативно устраняются операторами.

Литература

1. Vaughan-Nichols, S. J. OpenFlow: The Next Generation of the Network? [Text] / S. J. Vaughan-Nichols // Computer. - 2011. - Vol. 44, № 8. - P. 13-15. doi:10.1109/mc.2011.250

2. Ефимушкин, В. А. Международная стандартизация программно-конфигурируемых сетей [Текст] / В. А. Ефимушкин, Т. В. Дедовских // Электросвязь. - 2014. - № 8. - С. 3-9.

3. Бакланов, И. Г. Современный рынок измерительной техники: состояние, тенденции и решения [Текст] / И. Г. Бакланов // Вестник связи. - 2000. - № 8. - С. 21-24.

4. Барсков, А. Г. SDN: от восхода до заката [Текст] / А. Г. Барсков // Сети и системы связи. - 2000. - № 10 (60). - С. 84-87.

5. Барсков, А. Г. Анализаторы SDN идут в массы [Текст] / А. Г. Барсков // Сети и системы связи. - 2001. - № 5 (69). - С. 64-70.

6. Tootoonchian, A. HyperFlow: A Distributed Control Plane for OpenFlow [Text] / A. Tootoonchian, Y. Ganjali // INM/WREN'10 Proceedings of the 2010 internet network management conference on Research on enterprise networking. - CA, USA: USENIX Association Berkeley, 2010. - Р. 3.

7. Яцик, А. Управление транспортными сетями. Единое и программно-конфигурируемое? [Текст] / А. Яцик // Мобильные телекоммуникации. - 2014. - № 3. - С. 1-4.

8. McKeown, N. Openflow: Enabling innovation in campus networks. [Text] / N. McKeown, T. Anderson, H. Balakrishnan, G. Parulkar, L. Peterson, J. Rexford, S. Shenker, J. Turner // ACM SIGCOMM Computer Communication Review. - 2008. - Vol. 38, № 2. - P. 69-74. doi:10.1145/1355734.1355746

9. Леонтьев, А. Сеть без пробок [Текст] / А. Леонтьев // Инновации. - 2012. - № 44. - С. 18-19.

10. Коломеец, А. Е. Программно-конфигурируемые сети на базе протокола OpenFlow [Текст] / А. Е. Коломеец, Л. В. Сурков // Инженерный вестник. - 2014. - № 5. - С. 518-525.

References

1. Vaughan-Nichols, S. J. (2011). OpenFlow: The Next Generation of the Network? Computer, 44 (8), 13-15. doi:10.1109/mc.2011.250

2. Efimushkin, V. A., Dedovskih, T. V. (2014). Mezhdunarodnaia standartizatsiia programmno-konfiguriruemyh setei. Elektrosviaz', 8, 3-9.

3. Baklanov, I. G. (2000). Sovremennyi rynok izmeritel'noi tehniki: sostoianie, tendentsii i resheniia. Vestnik sviazi, 8, 21-24.

4. Barskov, A. G. (2000). SDN: ot voshoda do zakata. Seti i sistemy sviazi, 10 (60), 84-87.

5. Barskov, A. G. (2001). Analizatory SDN idut v massy. Seti i sistemy sviazi, 5 (69), 64-70.

6. Tootoonchian, A., Ganjali, Y. (2010). HyperFlow: A Distributed Control Plane for OpenFlow. INM/WREN'10 Proceedings of the 2010 internet network management conference on Research on enterprise networking. CA, USA: USENIX Association Berkeley, 3.

7. Yatsik, A. (2014). Upravlenie transportnymi setiami. Edinoe i programmno-konfiguriruemoe? Mobil'nye telekommunikatsii, 3, 1-4.

8. McKeown, N., Anderson, T., Balakrishnan, H., Parulkar, G., Peterson, L., Rexford, J., Shenker, S., Turner, J. (2008, March 31). OpenFlow. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 38 (2), 69-74. doi:10.1145/1355734.1355746

9. Leont'ev, A. (2012). Set' bez probok. Innovatsii, 44, 18-19.

10. Kolomeets, A. E., Surkov, L. V. (2014). Programmno-konfiguriruemye seti na baze protokola OpenFlow. Inzhenernyi vestnik, 5, 518-525.

Размещено на Allbest.ru