Технологии программно-конфигурируемых сетей и виртуализации сетевых функций

А.В. Щербович-Вечер
Студент НИУ ИТМО, факультет ИКТ, кафедра ПС, группа К4120с,
Г. Санкт-Петербург, РФ
Научный руководитель к.т.н., доцент И.В. Ананченко

Технологии программно-конфигурируемых сетей и виртуализации сетевых функций

Аннотация
В работе рассмотрены: новые сетевые технологии – программно-конфигурируемые сети и виртуализация сетевых функций, архитектура программно-конфигурируемых сетей, реализуемая с помощью интерфейса OpenFlow.
Ключевые слова
Программно-конфигурируемые сети (ПКС). Виртуализация сетевых функций (ВСФ). Сетевые технологии.

Управление компьютерными сетями, в основе которых лежит стек протоколов TCP/IP, является устаревшим и при передаче разнородного трафика имеет низкую эффективность. В современных сетях совмещены функции передачи данных и управления, что делает контроль и управление сетью очень сложными [1]. Из-за сложности сетей затрудняется масштабирование и управление ими, снижается их надежность. Вследствие этого замедляется развитие сетей и приложений, работающих в них.
Новые разработки в области сетевых технологий, такие как программно-конфигурируемые сети (ПКС) и технология виртуализации сетевых функций (ВСФ) могут стать выходом из данной ситуации [2]. Технология ВСФ необходима для решения проблем, связанных со временем развертывания компьютерных сетей и потреблением энергии сетевыми технологиями, так как текущая архитектура компьютерных сетей недостаточно энергоэффективна. ПКС позволяют упростить управление и администрирование сети, улучшить ее масштабируемость, увеличить пропускную способность каналов связи, автоматически перераспределять нагрузку на сетевые каналы и устройства [3]. Благодаря этому центры обработки данных, владельцы компьютерных сетей, телекоммуникационные компании, интернет-провайдеры уменьшают затраты. При совокупном использовании этих двух технологий положительный эффект при построении компьютерных сетей будет наивысшим. Технология ПКС является базовой, в нее внедряется технология ВСФ.
Следует обратить внимание на недостатки нынешних компьютерных сетей, которые приводят к созданию технологии ПКС.
1. Дороговизна и сложность в обслуживании, так как они используют в своем строении сетевые устройства, которые сложны и реализуют все большее количество стандартов и протоколов. Это ведет к сбоям в работе систем, так как они не все имеют полное совмещение параметров. Обслуживающий персонал таких устройств должен быть высококвалифицированным.
2. В последнее время происходит значительный рост объема трафика. Большее число людей становится пользователями Интернета. Пропускная способность сетевых каналов связи компьютерных сетей истощается. Методы и средства контроля трафика не способны справиться с увеличивающейся каждый год нагрузкой.
3. В результате применения современными сетями закрытых и частных, запатентованных интерфейсов, появляются препятствия для разработки новых сервисов, нововведений и экспериментов.
4. В текущих сетевых технологиях используется набор сетевых протоколов, которые обеспечивают безопасную связь хостов в данной сети с использованием необходимой скорости соединения, учитывая конкретную сетевую топологию. Если обнаруживается новая проблема, то в стек протоколов TCP/IP дополняется новым протоколом, который решает данную проблему. Таким образом, количество стандартов и протоколов все время растет, в текущий момент времени количество протоколов преодолело отметку в 600 единиц.
5. В настоящее время производится увеличение облачных услуг, а пользователям необходимо увеличение скорости доступа к этим услугам.
6. Меняются модели передвижения трафика.
Текущие возможности архитектуры компьютерных сетей не соответствуют требованиям рынка. Это привело к созданию архитектуры ПКС. ПКС – это сеть, которая функционирует отдельно от сетевых устройств, где программирование осуществляется напрямую. За счет этого сетевые сервисы и приложения отделяются от физического оборудования, и эта сеть рассматривается в виде виртуальной и логической сущности.
Задачи, которые преследуются при разработке технологии ПКС:
1. Цельное управление сетью;
2. Используя программное обеспечение, способное функционировать на отдельном компьютере и управляющееся сетевым администратором, отделить от функции передачи данных функцию управления сетевым оборудованием;
3. Между транспортной средой и сетевыми приложениями создать программно-управляемый интерфейс [4].
ПКС не является очередным механизмом улучшения работы сети и не является набором каких-либо новых протоколов для управления сетью. Создана новая архитектура сети, в которой абстрагирован уровень управления. Она использует уже имеющееся оборудование, принося качественные изменения в принципы его работы и организацию управления сетью.
В архитектуру ПКС входят три уровня (смотри рисунок 1).
1. Уровень приложений, в который входит набор прикладных программ контроллера, необходимых для осуществления функций высокоэффективного управления сетью.
2. Уровень управления, в который входит сетевая операционная система (контроллер). С помощью нее осуществляется проверка состояния и работы сети и сетевых устройств. Эта операционная система предоставляет возможности находящемуся выше уровню для исполнения функций управления потоками данных в сети и сетевой инфраструктурой.
3. Уровень инфраструктуры включает в себя сетевые устройства и каналы передачи данных, которые образуют топологию сети.

Рисунок 1 – Три уровня архитектуры ПКС

Межуровневое взаимодействие происходит благодаря программному интерфейсу (API). Взаимодействие уровней инфраструктуры и управления происходит благодаря южному интерфейсу SouthBound API, а благодаря северному интерфейсу NorthBound API – между уровнями управления и приложений. Протокол OpenFlow является стандартом SouthBound API. Это единственный стандартизированный интерфейс. С помощью него были разделены процессы управления и передачи данных.
NorthBound API не является стандартизированным, вследствие чего для каждой сетевой операционной системы он разный. Из-за этого сетевое приложение невозможно перенести с одного контроллера на другой. Предоставление удобной программной модели для разработки новых приложений является основной целью данного интерфейса. За счет данной архитектуры подход и называется программно-конфигурируемые сети, управление потоками данных в сети и сетевой инфраструктурой осуществляется программно.
Технология ПКС имеет недоработки. В ПКС контроллер осуществляет управление трафиком, нагрузка на него значительно увеличивается, требования к серверной платформе повышаются. Производительность и надежность ПКС-контроллеров необходимо совершенствовать. Переход на ПКС достаточно сложен. Поэтому фирмы не могут полностью использовать коммутаторы только в режиме OpenFlow. Дополнительно к этому режиму ими используется обычная коммутация. ПКС используется в центрах обработки данных, для внешних и внутренних сетей и в других областях.
Много внимания уделяется разработке виртуализации сетевых функций (ВСФ). Для виртуализации операционной системы, сервера и других IT-ресурсов создается несуществующая (виртуальная) версия этого устройства, которая воспринимается пользователем, как реальная. Виртуальное окружение на хосте создается программным обеспечением, которое носит название гипервизора. Сетевое оборудование является весьма дорогостоящим, поэтому с помощью виртуализации сетевых функций специализированные функции переносятся на серверное оборудование. Современные серверы используют в своей работе многоядерные скоростные процессоры, их производительность высока, а современные каналы связи имеют высокую пропускную способность. В настоящее время востребована информационно-технологическая концепция облачных вычислений, основывающаяся на обеспечении повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов. Технология виртуализации – основа построения публичных, частных и гибридных облаков [5].
На рисунке 2 показано внедрение технологии ВСФ в структуру ПКС.

Рисунок 2 – ВСФ в структуре ПКС

За такими перспективно развивающимися технологиями, как программно-конфигурируемые сети (ПКС) и виртуализация сетевых функций (ВСФ), которые пока являются инновациями, будущее развитие компьютерных технологий.

Список использованной литературы:
1. Программно-конфигурируемые сети [Электронный ресурс]. URL: http://arccn.ru/sdn (дата обращения: 11.12.2015).
2. Что такое программно-конфигурируемые сети и чем они не являются [Электронный ресурс]. URL: http://shalaginov.com/2014/07/13/sdn/ (дата обращения: 11.12.2015).
3. Программно-конфигурируемые сети [Электронный ресурс]. URL: http://www.osp.ru/os/2012/09/13032491 (дата обращения: 11.12.2015).
4. Программно-определяемые сети [Электронный ресурс]. URL: http://www.tadviser.ru/index.php/ (дата обращения: 11.12.2015).
5. The information infrastructure design of an educational organization using virtualization technologies. Musaev A.A., Gazul S.M., Anantchenko I.V. Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2014. № 27 (53). С. 71-76.
6. Использование технологии программно-конфигурируемых сетей и виртуализации сетевых функций в облачных вычислениях. Щербович-Вечер А.В, Ананченко И.В. Материалы научной конференции СПбГТИ(ТУ) «Традиции и инновации». 2015. С.187. Научно-практическая конференция, посвященная 187-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) «Технологический институт – традиции и инновации».