Исследование тенденций развития современных сетевых технологий на примере программно-конфигурируемых сетей

Исследование тенденций развития современных сетевых технологий на примере программно-конфигурируемых сетей_

Исследование тенденций развития современных сетевых технологий на примере программно-конфигурируемых сетей

Ветелина Е.

МИЭМНИУВШЭ Департамент компьютерной инженерии eovetelina@gmail. сот

Аннотация. На сегодняшний день компьютерные сети переживают ряд проблем, возможные решения которых предлагает такая новая сетевая технология, как программно-конфигурируемых сети (ПКС). В данной работе будут рассмотрены основные недостатки современных компьютерных сетей, а также концепция, лежащая в основе ПКС, основные преимущества и слабые стороны данной сетевой технологии. В завершении будут приведены факты, иллюстрирующие тенденции будущего развития ПКС в России и мире.

Ключевые слова: программно-конфигурируемые сети, сетевые технологии.

1 Введение

По мнению, многих специалистов, система управления компьютерными сетями на основе стека протоколов ТСР/1Р, ставшим стандартом в 80-х годах прошлого столетия, является устаревшей и обладающей низкой эффективностью при передаче гетерогенного трафика. Одной из причин этого является факт совмещения функций управления и передачи данных в современных сетях, что делает контроль и управлению сетью очень сложным. Работа администратора в традиционных сетях становится крайне трудоемким процессом.

Выходом из сложившейся ситуации может стать такой новый подход в области сетевых технологиях, как программно-конфигурируемые сети (ПКС). Далее будут рассмотрены следующие аспекты, позволяющие получить целостное представление о данной технологии:

• Недостатки современных компьютерных сетей

• Концепция технологии ПКС

• Преимущества и недостатки ПКС

• Области применения ПКС

• Перспективы развития ПКС

2 Недостатки современных компьютерных сетей

Появление такой сетевой технологии, как программно-конфигурируемые сети, было вызвано наличием некоторых значительных недостатков в современных компьютерных сетях.

Во-первых, на данный момент наблюдается значительный рост объемов трафика. Так, если говорить, например, о мобильном трафике, то по данным Cisco Systems объем мирового мобильного трафика за ближайшие 3 года вырастет в 11 раз и в 2018 г. может составить 190 эксабайт. Кроме того, сейчас активно изменяется структура и динамика трафика. В 2013 г. 53 % от всего мирового мобильного трафика составлял видео трафик, тогда как в 2018 г. на долю мобильного видео придется уже 69% мирового мобильного трафика [Cisco Systems, 2015]. Главная проблема заключается в том, что пропускная способность каналов связи в современных компьютерных сетях близка к исчерпанию, средства и методы управления трафиком в традиционных сетях не способны справиться с таким ростом объемов передаваемых данных.

Во-вторых, на протяжении долгого времени действующая архитектура компьютерных сетей развивалась по так называемому методу «ласточкиного гнезда», суть которого заключается в том, что при выявлении новой проблемы к стеку протоколов TCP/IP добавлялся новый протокол, решающий эту проблему. В качестве примера может служить протокол DHCP (dynamic host configuration protocol) - протокол динамической конфигурации узла, который был разработан для решения проблемы ограниченности IP-адресов в сетях IPv4. Суть протокола заключается в выделении IP-адреса на ограниченный период времени или до отказа клиента от адреса.

В результате число протоколов и стандартов постоянно возрастает, на данный момент в мире насчитывается более 600 протоколов.

В-третьих, современные сети строятся с использованием большого числа коммутаторов, маршрутизаторов и других сетевых устройств, которые стали чрезвычайно сложными и многофункциональными, реализующими все большее число различных протоколов и стандартов. В связи с этим современные сети дороги и сложны в обслуживании, требуют высококвалифицированных специалистов.

В-четвертых, современные сети используют закрытые и проприетарные интерфейсы. В результате возникают барьеры для инноваций, экспериментирования и создания новых сервисов. Операторы и пользователи не могут вводить новые сервисы, необходимые для них, они оказываются в зависимости от производителя, который, в свою очередь, не способен обеспечить быстрое введение инноваций.

3 Концепция технологии ПКС

В 2007 году американскими преподавателями Мартином Касадо (Martin Casado), Ником МакКьоуном (Nick McKeown) из Стэндфордского университета и Скоттом Шенкером (Scott Shenker) из Беркли был открыт новый протокол с открытым кодом OpenFlow, позволяющий разделить процессы управления и передачи данных.

Исследование тенденций развития современных сетевых технологий

на примере программно-конфигурируемых сетей_

Кроме того, исследователи предложили новую концепцию построения сетей, при которой у коммутаторов «перехватывается» управление таблицами коммутации, что позволяет произвольным образом управлять поведением и скоростными характеристиками и отдельного коммутатора, и параметрами передаваемых потоков данных в масштабах всей сети Ethernet. Такой подход получил название Software defined network (SDN) — Программно-конфигурируемые сети (ПКС) [Martin Casado et al., 2006].

Работа ПКС на сегодняшний день осуществляется в основном согласно протоколу OpenFlow, хотя это и не единственный инструмент для построения ПКС. Однако за использование OpenFlow радеют как сами создатели концепции ПКС, так и общественная организация Open Network Foundation (ONF), в которую входят представители самых различных сегментов рынка информационных технологий, начиная с сетевого оборудования и инфраструктурного ПО и заканчивая облачными платформами и телекоммуникационными услугами [ONF, 2015].

Основные цели, преследуемые при разработке ПКС, это:

• Отделение функции управления сетевым оборудованием от функции передачи данных с помощью программного обеспечения, которое способно функционировать на отдельном компьютере и контролироваться сетевым администратором

• Переход к управлению сетью в целом

• Создание программно-управляемого интерфейса между сетевыми приложениями и транспортной средой сети

В архитектуре ПКС выделяют три основных уровня (рис. 1) [ONF, 2012]:

1. Уровень инфраструктуры, состоящий из сетевых устройств и каналов передачи данных, образующих топологию сети.

2. Уровень управления, включающий в себя сетевую операционную систему (сетевую ОС), которая осуществляет мониторинг состояния топологии сети и сетевых устройств и предоставляет сервисы для реализации функций управления сетевой инфраструктурой и потоками данных в сети вышележащему уровню. В международной практике к сетевой ОС часто также применяют термин - контроллер.

3. Уровень сетевых приложений, включающий в себя совокупность прикладных программ контроллера, которые разрабатываются для реализации функций гибкого и эффективного управления сетью.

Рис. 1 . Архитектура программно-конфигурируемьгх сетей

Взаимодействие между уровнями осуществляется посредством программного интерфейса (API). Интерфейс взаимодействия между инфраструктурным уровнем и уровнем управления называется южным (SouthBound API), между уровнем управления и уровнем сетевых приложений - северным (NorthBound API).

Де-факто стандартом SouthBound API является протокол OpenFlow, обеспечивающий взаимодействие сетевой ОС с OpenFlow совместимым коммутирующим оборудованием, который позволяет ей задавать правила коммутации и собирать статистику по переданным данным.

NorthBound API не стандартизирован и различен для каждой сетевой ОС, что ведет к невозможности переноса сетевого приложения с одного контроллера на другой. Основная цель данного интерфейса - предоставить удобную программную модель для разработки новых сетевых приложений. Именно благодаря такой архитектуре подход получил название - программно - конфигурируемые сети - поскольку управление сетевой инфраструктурой и потоками данных в сети осуществляется программно, с помощью сетевой операционной системы и набора сетевых приложений.

4 Преимущества и недостатки ПКС

4.1 Преимущества

ПКС обладает рядом конкурентных преимуществ.

Во-первых, такая особенность ПКС, как виртуализация управления сетью, дает возможность снизить расходы на построение и обслуживание сетей. Согласно крупнейшим провайдерам США применение ПКС-

Исследование тенденций развития современных сетевых технологий

на примере программно-конфигурируемых сетей_

технологий позволяет на 20-30 % увеличить загрузку незадействованных ресурсов дата-центров и в несколько раз снизить эксплуатационных расходы.

Во-вторых, вследствие того, что коммутаторы в ПКС освобождены от функции управления, все их ресурсы могут быть использованы для ускорения передачи данных, что значительно увеличивает производительность ПКС.

В-третьих, программные средства ПКС позволяют добавлять новые функциональные возможности к уже имеющейся архитектуре сети. При этом новые функции будут носить универсальный характер, то есть будут работать на множестве различных платформ, без необходимости повторной реализации во встроенном программном обеспечении коммутаторов отдельных поставщиков.

В-четвертых, при условии централизованного контроля над сетью администратор может иметь целостное представление о работе сети. Этот факт говорит о том, что повышается удобство управления сетью и решение многих задач для администратора становится проще.

В-пятых, отдельным аспектом стоит выделить высокую безопасность ПКС. У администратора в ПКС есть возможность отслеживать все потоки трафика, вследствие этого для него упрощается процесс отслеживания вторжений в сеть, назначения приоритетов отдельным типам трафика, а также процесс разработки алгоритма действий сети при заторах и проблем с сетевым оборудованием.

Наконец, ПКС обладают необходимыми характеристиками, чтобы служить основой для построения облаков и виртуализации сетевых сервисов.

4.2 Недостатки

Однако ПКС, как и любая другая технология, имеет ряд недостатков.

В ПКС функция управления трафиком возлагается на контроллер, из этого следует, что нагрузка на него значительно увеличивается, что в свою очередь приводит к серьезным требованиям к серверной платформе. В связи с этим многие из современных ПКС-контроллеров требуют доработок в плане производительности и надежности.

Кроме того, для большинства компаний процесс перехода на ПКС оказывается весьма трудоемким. В большинстве современных коммутаторов реализована лишь ограниченная поддержка ОрегЛош, поэтому на данный момент многие компании используют комбинированные (гибридные) коммутаторы, поддерживающие работу одновременно в двух режимах - ОрепР1оА¥ плюс традиционная коммутация.

5 Области применения

ПКС могут быть применимы к следующим областям [ЦПИКС, 2015]:

• Центры обработки данных

• Распределенные хранилища данных

• Корпоративные сети

• Сети операторов и сервис провайдеров

• Беспроводные сети

• Виртуализация сетевых ресурсов и ресурсов распределенных хранилищ данных

• Информационная безопасность

6 Перспективы развития ПКС

В 2014 году правительство России сформулировало перечень 16 приоритетных научных задач, в их число вошла задача: «Использование принципов программируемого управления сетью и виртуализации сетевых сервисов для формирования проблемно-ориентированных вычислительных сред, предназначенных для решения сложных прикладных проблем». Это означает, что технология ПКС, единственная из области информационно-коммуникационных технологий, заслуживает, по мнению ряда высококвалифицированных специалистов из лучших вузов нашей страны, особого внимания и финансирования со страны правительства РФ [Ю.Медведев, 2015].

Кроме того, в феврале 2012 года на базе лаборатории Вычислительных комплексов факультета ВМК МГУ был создан Центр Прикладных Исследований Компьютерных Сетей (ЦПИКС), который стал участником проекта Сколково. Основные цели центра заключаются в проведении научных исследований в области инновационных компьютерных сетевых технологий, в том числе исследование технологии ПКС.

По итогам опроса J'son & Partners Consulting ситуация на август -сентября 2014 года такова: более 70% крупнейших российских операторов мобильной и фиксированной связи находятся на стадии изучения и анализа технологии ПКС.

В мировом масштабе, по оценкам экспертов, в течение нескольких следующих лет годовой оборот рынка ПКС составит 37-40 миллиардов долларов, а именно: согласно агентству SDNCental к 2018 году рынок ПКС достигнет 35 миллиардов долларов. Кроме того, по данным того же агентства в 2015 году продажи SDN-совместимых продуктов составят 10% мирового рынка сетевого оборудования и ПО, в 2016 году — 18%, в 2017 году — 28%, в 2018 году — 40% [Здобнов, 2015].

Исследование тенденций развития современных сетевых технологий

на примере программно-конфигурируемых сетей_

7 Заключение

Таким образом, технология ПКС позволяет вынести функцию управления в контроллеры, которые могут осуществлять централизованный контроль работы сети. ПКС дает возможность увеличить загрузку незадействованных ресурсов компьютерных сетей и в несколько раз снизить эксплуатационных расходы, что позволяет примерно на 30 % увеличить эффективность управления сетью.

На данный момент технология ПКС является приоритетной областью в развитии мировых и российских сетевых технологий.

Список литературы

[Здобнов, 2015] Василий Здобнов. За 4 года рынок централизованно управляемых сетей вырастет в 10 раз - SDNCentral [Электронный ресурс] // ibusiness [Офиц. сайт]. URL: http://ibusiness.ruMog/isslyedovaniya/33911 (дата обращения: 15.02.2015).

[Медведев, 2015] Юрий Медведев. Правительство выделило 16 приоритетных научных задач [Электронный ресурс] // Российская газета [Офиц. сайт]. URL: http://www.rg.ru/2014/02/09/nauka-site-anons.html (дата обращения: 15.02.2015).

[ЦПИКС, 2015] Программно-конфигурируемые сети [Электронный ресурс] // Центр прикладных исследований компьютерных [Офиц. сайт]. URL: http://arccn.ru/sdn (дата обращения: 15.02.2015).

[Martin Casado et al., 2006] Martin Casado, Tal Garfinkel, Aditya Akella,Michael J. Freedman Dan Boneh, Nick McKeown, Scott Shenker. SANE: A Protection Architecture for Enterprise Networks, 15-th Usenix Security Symposium, Vancouver, Canada, August 2006.

[Cisco Systems, 2014] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2014—2019 [Электронный ресурс] // Cisco Systems,Inc [Офиц. сайт]. URL: http://www.cisco.conv,c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visml-networking-index-vni/white_paper_c11 -520862.html (дата обращения: 15.02.2015).

[ONF, 2015] Open Networking Foundation. Member Listing [Электронный ресурс] // Open Networking Foundation [Офиц. сайт]. URL: https://www.opennetworking.org/our-members (дата обращения: 15.02.2015).

[ONF, 2012] «Software-Defined Networking: The New Norm for Networks», ONF White Paper, April 13,2012.