Регистрация / Вход
Прислать материал

Программно-конфигурируемые сети: новая парадигма компьютерных сетей

ФИО
Перепелкин Дмитрий Александрович
Surname Name
Perepelkin Dmitry
Организация
ФГБОУ ВО "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Область наук
Информационные технологии и вычислительные системы
Название доклада
Программно-конфигурируемые сети: новая парадигма компьютерных сетей
Project title
Software defined networks: new paradigm of computer networks
Резюме
Рассматривается новый подход к построению компьютерных сетей, основанный на разделении плоскостей управления и передачи данных при использовании открытых протоколов для обмена управляющей информацией. Основное внимание в работе уделено вопросам разработки программных приложений для управления потоками данных и внедрению новых алгоритмов адаптивной маршрутизации в компьютерных сетях.
Ключевые слова
Компьютерные сети, программно-конфигурируемые сети, центры обработки данных, управление потоками данных, адаптивная маршрутизация, быстрая перемаршрутизация, многопутевая маршрутизация, балансировка нагрузки, качество сетевых сервисов
Тезисы

В настоящее время традиционная архитектура компьютерных сетей требует больших ресурсов для обеспечения потребностей по передаче растущих объемов трафика для большого числа устройств. Она позволяет решать широкий круг задач по организации обмена данными, обеспечивая развитие информационного общества. Принципы, положенные в основу классической архитектуры, позволили обеспечить функционирование сетей в условиях ограниченной пропускной способности каналов связи и ненадежных соединений. В то же время для такой архитектуры характерны следующие недостатки: 

1. Необходимость больших ресурсов для обеспечения потребностей по передаче растущих объемов трафика и подключения к сети все большего числа устройств, а также подготовка высококвалифицированного персонала для обслуживания сетей с традиционной архитектурой.

2. В архитектуре современных сетей имеются, существенные барьеры для экспериментирования и создания новых сервисов.

3. Cети связи сложны в обслуживании, для их функционирования используется более 100 протоколов, и настройка сетевых устройств осуществляется индивидуально, а это не эффективно с точки зрения технической эксплуатации.

Сложность в обслуживании таких сетей сочетается зачастую с неполной совместимостью сетевых решений, что влечет за собой зависимость от производителей оборудования. Несоответствие потребностей клиентов и предлагаемых на рынке решений привело к появлению новых концепций построений и организации работы сетей передачи данных – программно-конфигурируемые сети (Software Defined Network, SDN) и виртуализации сетевых функций (Network Function Virtualization, NFV) на основе протокола OpenFlow. Основным отличием программно-конфигурируемых сетей (ПКС) на основе протокола OpenFlow от традиционных сетей является разделение плоскостей управления и передачи данных при использовании открытых протоколов для обмена управляющей информацией между этими плоскостями. Вследствие такого подхода становится возможным существенное упрощение сетевых элементов плоскости передачи данных и логическая централизация управления сетью. Заинтересованность IT-компаний в ПКС вызвана тем, что такие технологии позволяют повысить эффективность сетевого оборудования на 25–30%, снизить на 30% затраты на эксплуатацию сетей,  повысить безопасность и предоставить пользователям возможность программно создавать новые сервисы и оперативно загружать их в сетевое оборудование, вследствие чего, можно уменьшать нагрузку на отдельные элементы сети.

ПКС обеспечивает независимость функций высокоуровневого управления от аппаратного обеспечения, за счет чего ускоряются процессы передачи и обработки данных. В ПКС вся интеллектуальная часть реализуется на центральном сервере или контроллере, что упрощает выполнение сложных операций. Идея заключается в использовании для управления такими сетями стандартных серверов или контроллеров, работающих отдельно от сетевых устройств, благодаря чему сетевые администраторы будут получить детализированный контроль над трафиком. 

Централизация ПКС избавила разработчиков анализаторов конфигураций сети от необходимости самостоятельно собирать комплекс данных о ее состояния – контроллер осуществляет централизованное управление всеми коммутационными устройствами сети, и заведомо способен предоставить всю необходимую для этого информацию. Одновременно с этим явное выделение контура данных позволило получить доступ непосредственно к правилам обработки пакетов, которые в сетях с традиционной архитектурой приходилось выводить на основании настроек служебных протоколов самостоятельно.

Технология ПКС на основе протокола OpenFlow предлагает отказаться от такой тенденции развития компьютерных сетей, выполнив переход от отдельных сетевых элементов и сети, как к платформам в целом. Управление сетевыми потоками происходит с помощью приложений, которыми можно оптимизировать потоки, чтобы найти кратчайший путь, как это делают современные распределенные протоколы маршрутизации, а также оптимизировать сеть для максимального использования связей.

В программно-конфигурируемых сетях, уровни управления сетью и передачи данных разделяются за счет переноса функций управления (маршрутизаторами, коммутаторами) в приложения, работающие на отдельном сервере (контроллере). Архитектуру ПКС можно представить, как множество простых программ и аппаратных коммутаторов, подключенных к общему контроллеру (Controller OpenFlow), реализованных в виде обычного сервера со специальным программным обеспечением (ПО).

Структура стандартной OpenFlow сети состоит из трех уровней:

1. Уровень инфраструктуры, состоящий из набора сетевых устройств (коммутаторов и каналов передачи данных).

2. Уровень управления, включающий в себя сетевую операционную систему (зависит от контроллера), которая обеспечивает приложениям сетевые сервисы и программный интерфейс для управления сетевыми устройствами и сетью.

3. Уровень приложений, включающий приложения, позволяющие более гибко и эффективно управлять сетью.

Вся интеллектуальная часть высокоуровневой маршрутизации реализована на контроллере. За счет переноса логики в центральный узел коммутаторы разгружаются и могут более эффективно использовать вычислительные мощности для выполнения низкоуровневых операций с трафиком. Централизованное управление позволяет мониторить состояние компьютерной сети и управлять множеством ее параметров из единого узла. Самой главной возможностью архитектуры ПКС на основе протокола OpenFlow, является возможность программно управлять потоками данных.

Таким образом, концепция ПКС дала мощный толчок к разработке новых и развитию существующих методов управления потоками данных в компьютерных сетях, внедрению новых алгоритмов адаптивной маршрутизации. Исследованиям по развитию направления ПКС посвящена настоящая работа.

Summary of the project
A new approach to the construction of computer networks based on the separation of control plane and data transmission during using open protocols for the exchange of management information is considered. The main attention is paid to the issues of software applications development for managing data flows and the introduction of new adaptive routing algorithms in computer networks.
Keywords
Computer neyworks, software defined networks, data centers, data flows control, adaptive routing, fast rerouting, multipath routing, load balancing, quality of network services