Programiškai apibrėžti tinklai: išsami „OpenFlow“ protokolo analizė

Šiuolaikiniame dinamiškame pasaulinių tinklų ir debesų kompiuterijos pasaulyje lanksčios, keičiamo dydžio ir programuojamos tinklo infrastruktūros poreikis yra didžiausias. Programiškai apibrėžti tinklai (SDN) tapo revoliucine paradigma, kuri atskiria valdymo lygmenį nuo duomenų lygmens, suteikdama galimybę centralizuotai valdyti ir automatizuoti tinklo išteklius. SDN pagrindas yra „OpenFlow“ protokolas – kertinė technologija, palengvinanti ryšį tarp valdymo ir duomenų lygmenų. Šiame straipsnyje gilinamasi į „OpenFlow“ subtilybes, nagrinėjama jo architektūra, funkcijos, privalumai, trūkumai ir realūs taikymo pavyzdžiai įvairiuose pasauliniuose scenarijuose.

Kas yra programiškai apibrėžti tinklai (SDN)?

Tradicinėse tinklų architektūrose valdymo lygmuo (atsakingas už sprendimų priėmimą, maršruto parinkimo protokolus) ir duomenų lygmuo (atsakingas už duomenų paketų persiuntimą) yra glaudžiai susieti. Šis glaudus ryšys riboja tinklo lankstumą ir judrumą. SDN sprendžia šiuos apribojimus, atskirdama valdymo lygmenį nuo duomenų lygmens, leisdama tinklo administratoriams centralizuotai valdyti ir programuoti tinklo elgseną. Šis atskyrimas suteikia galimybę:

Centralizuotas valdymas: Centrinis valdiklis valdo visą tinklą, suteikdamas vieną valdymo ir matomumo tašką.
Tinklo programuojamumas: Tinklo elgsena gali būti dinamiškai programuojama per programinę įrangą, leidžiančią greitai prisitaikyti prie kintančių tinklo sąlygų ir taikomųjų programų reikalavimų.
Abstrakcija: SDN abstrahuoja pagrindinę tinklo infrastruktūrą, supaprastindama tinklo valdymą ir mažindama sudėtingumą.
Automatizavimas: Tinklo užduotys gali būti automatizuotos, sumažinant rankinį įsikišimą ir didinant veiklos efektyvumą.

„OpenFlow“ protokolo supratimas

„OpenFlow“ yra standartizuotas ryšio protokolas, leidžiantis SDN valdikliui tiesiogiai pasiekti ir manipuliuoti tinklo įrenginių, tokių kaip komutatoriai ir maršrutizatoriai, persiuntimo lygmeniu (duomenų lygmeniu). Jis apibrėžia standartinę sąsają, per kurią valdiklis bendrauja su šiais įrenginiais ir programuoja jų persiuntimo elgseną. „OpenFlow“ protokolas veikia srautais pagrįsto persiuntimo principu, kai tinklo srautas klasifikuojamas į srautus pagal įvairius kriterijus, o kiekvienas srautas yra susietas su konkrečiu veiksmų rinkiniu.

Pagrindiniai „OpenFlow“ komponentai:

„OpenFlow“ valdiklis: Centrinės SDN architektūros smegenys, atsakingos už persiuntimo sprendimų priėmimą ir duomenų lygmens programavimą. Valdiklis bendrauja su tinklo įrenginiais naudodamas „OpenFlow“ protokolą.
„OpenFlow“ komutatorius (duomenų lygmuo): Tinklo įrenginiai, kurie įgyvendina „OpenFlow“ protokolą ir persiunčia srautą pagal iš valdiklio gautas instrukcijas. Šie komutatoriai palaiko srautų lentelę, kurioje yra taisyklės, nurodančios, kaip tvarkyti skirtingų tipų tinklo srautą.
„OpenFlow“ protokolas: Ryšio protokolas, naudojamas tarp valdiklio ir komutatorių keistis informacija ir programuoti persiuntimo elgseną.

Srautų lentelė: „OpenFlow“ širdis

Srautų lentelė yra pagrindinė duomenų struktūra „OpenFlow“ komutatoriuje. Ją sudaro srautų įrašų serija, kurių kiekvienas apibrėžia, kaip tvarkyti tam tikro tipo tinklo srautą. Kiekviename srauto įraše paprastai yra šie komponentai:

Atitikties laukai: Šie laukai nurodo kriterijus, naudojamus konkrečiam srautui identifikuoti. Įprasti atitikties laukai apima šaltinio ir paskirties IP adresus, prievadų numerius, VLAN ID ir Ethernet tipus.
Prioritetas: Skaitinė vertė, nustatanti srautų įrašų vertinimo tvarką. Aukštesnio prioriteto įrašai vertinami pirmiausia.
Skaitikliai: Šie skaitikliai seka su srautu susijusią statistiką, pvz., paketų ir baitų, atitikusių srauto įrašą, skaičių.
Instrukcijos: Šios instrukcijos nurodo veiksmus, kurių reikia imtis, kai paketas atitinka srauto įrašą. Įprastos instrukcijos apima paketo persiuntimą į konkretų prievadą, paketo antraštės keitimą, paketo atmetimą arba paketo siuntimą valdikliui tolesniam apdorojimui.

„OpenFlow“ veikimas: žingsnis po žingsnio pavyzdys

Pailiustruokime „OpenFlow“ veikimą supaprastintu pavyzdžiu. Įsivaizduokime scenarijų, kai norime visą srautą iš šaltinio IP adreso 192.168.1.10 į paskirties IP adresą 10.0.0.5 persiųsti į „OpenFlow“ komutatoriaus 3 prievadą.

Paketo atvykimas: Paketas atvyksta į „OpenFlow“ komutatorių.
Srautų lentelės peržiūra: Komutatorius išnagrinėja paketo antraštę ir bando ją suderinti su srautų lentelės įrašais.
Atitiktis rasta: Komutatorius randa srauto įrašą, kuris atitinka šaltinio IP adresą (192.168.1.10) ir paskirties IP adresą (10.0.0.5).
Veiksmo vykdymas: Komutatorius vykdo instrukcijas, susijusias su atitinkančiu srauto įrašu. Šiuo atveju instrukcija yra persiųsti paketą į 3 prievadą.
Paketo persiuntimas: Komutatorius persiunčia paketą į 3 prievadą.

Jei nerandama atitinkančio srauto įrašo, komutatorius paprastai siunčia paketą valdikliui tolesniam apdorojimui. Tada valdiklis gali nuspręsti, kaip tvarkyti paketą, ir, jei reikia, įdiegti naują srauto įrašą komutatoriaus srautų lentelėje.

„OpenFlow“ privalumai SDN architektūrose

„OpenFlow“ naudojimas SDN aplinkose suteikia daug naudos tinklų operatoriams ir organizacijoms visame pasaulyje:

Padidintas tinklo judrumas: „OpenFlow“ leidžia greitai prisitaikyti prie kintančių tinklo sąlygų ir taikomųjų programų reikalavimų. Tinklo administratoriai gali dinamiškai programuoti tinklo elgseną per programinę įrangą, nereikalaujant rankinio atskirų tinklo įrenginių konfigūravimo. Pavyzdžiui, įmonė Londone gali greitai peradresuoti srautą į atsarginį serverį Tokijuje tinklo gedimo metu, sumažindama prastovas ir užtikrindama verslo tęstinumą.
Pagerintas tinklo matomumas: Centrinis SDN valdiklis suteikia vieną valdymo ir matomumo tašką visam tinklui. Tinklo administratoriai gali lengvai stebėti tinklo našumą, nustatyti kliūtis ir šalinti tinklo problemas. Pasaulinė el. prekybos įmonė gali naudoti šį matomumą turinio pristatymui optimizuoti pagal vartotojo vietą ir tinklo sąlygas, taip pagerindama klientų patirtį.
Sumažintos veiklos sąnaudos: SDN ir „OpenFlow“ automatizuoja daugelį tinklo valdymo užduočių, mažindami rankinį įsikišimą ir didindami veiklos efektyvumą. Tai gali padėti tinklų operatoriams sutaupyti daug lėšų. Pavyzdžiui, interneto paslaugų teikėjas Brazilijoje gali automatizuoti naujų klientų paslaugų teikimą, sutrumpindamas rankinio konfigūravimo laiką ir išlaidas.
Inovacijos ir eksperimentavimas: „OpenFlow“ leidžia tinklų operatoriams eksperimentuoti su naujais tinklo protokolais ir programomis, netrikdant esamų tinklo paslaugų. Tai skatina inovacijas ir leidžia tinklų operatoriams greičiau kurti ir diegti naujas paslaugas. Universitetai Europoje naudoja „OpenFlow“ kurdami eksperimentines bandymų aplinkas naujų tinklų technologijų tyrimams.
Padidintas saugumas: SDN ir „OpenFlow“ gali būti naudojami pažangioms saugumo politikoms įgyvendinti, taip pat saugumo grėsmėms aptikti ir sušvelninti. Centrinis valdiklis gali stebėti tinklo srautą dėl kenkėjiškos veiklos ir automatiškai perkonfigūruoti tinklą, kad blokuotų atakas. Finansų institucija Singapūre gali naudoti „OpenFlow“ mikrosegmentavimui įgyvendinti, izoliuodama jautrius duomenis ir užkirsdama kelią neteisėtai prieigai.

„OpenFlow“ apribojimai ir iššūkiai

Nepaisant daugybės privalumų, „OpenFlow“ taip pat turi tam tikrų apribojimų ir iššūkių, kuriuos reikia spręsti:

Mastelio keitimas: Valdyti didelį srautų įrašų skaičių „OpenFlow“ komutatorių srautų lentelėse gali būti sudėtinga, ypač dideliuose ir sudėtinguose tinkluose. Mastelio keitimui pagerinti gali būti naudojamos tokios technikos kaip srautų agregavimas ir šablonų atitikimas, tačiau jos taip pat gali sukelti kompromisų našumo ir funkcionalumo atžvilgiu.
Saugumas: Ryšio tarp valdiklio ir komutatorių apsauga yra labai svarbi siekiant išvengti neteisėtos prieigos ir manipuliavimo tinklu. „OpenFlow“ protokolui apsaugoti turėtų būti naudojami stiprūs autentifikavimo ir šifravimo mechanizmai.
Standartizacija: Nors „OpenFlow“ yra standartizuotas protokolas, vis dar yra tam tikrų variacijų ir plėtinių, kuriuos įgyvendina skirtingi gamintojai. Tai gali sukelti sąveikumo problemų ir apsunkinti „OpenFlow“ pagrįstų sprendimų diegimą nevienalytėse tinklo aplinkose. Nuolat dedamos pastangos siekiant pagerinti „OpenFlow“ standartizaciją ir sąveikumą.
Perėjimo iššūkiai: Migracija nuo tradicinių tinklų architektūrų prie SDN ir „OpenFlow“ gali būti sudėtingas ir daug pastangų reikalaujantis procesas. Siekiant kuo labiau sumažinti esamų tinklo paslaugų trikdymą, reikalingas kruopštus planavimas ir vykdymas. Dažnai rekomenduojamas laipsniškas požiūris, pradedant nuo bandomųjų diegimų ir palaipsniui plečiant apimtį.
Našumo pridėtinės išlaidos: Paketų siuntimas valdikliui apdoroti, kai nerandamas atitinkantis srauto įrašas, gali sukelti našumo pridėtinių išlaidų, ypač didelio srauto tinkluose. Dažnai naudojamų srautų įrašų talpinimas komutatoriaus srautų lentelėje gali padėti sumažinti šias išlaidas.

Realūs „OpenFlow“ taikymo pavyzdžiai

„OpenFlow“ diegiamas įvairiose taikymo srityse, įvairiose pramonės šakose ir regionuose:

Duomenų centrai: „OpenFlow“ naudojamas duomenų centruose tinklo ištekliams virtualizuoti, tinklo aprūpinimui automatizuoti ir tinklo saugumui pagerinti. Pavyzdžiui, „Google“ naudoja SDN ir „OpenFlow“ savo duomenų centruose, siekdama optimizuoti tinklo našumą ir sumažinti išlaidas.
Įmonių tinklai: „OpenFlow“ naudojamas įmonių tinkluose programiškai apibrėžtiems WAN (SD-WAN) tinklams įgyvendinti, programų pristatymui optimizuoti ir tinklo saugumui pagerinti. Tarptautinė korporacija, turinti biurus Niujorke, Londone ir Tokijuje, gali naudoti SD-WAN, kad dinamiškai nukreiptų srautą pagal programų reikalavimus ir tinklo sąlygas, pagerindama našumą ir sumažindama išlaidas.
Paslaugų teikėjų tinklai: „OpenFlow“ naudojamas paslaugų teikėjų tinkluose naujoms paslaugoms teikti, tinklo operacijoms automatizuoti ir tinklo mastelio keitimui pagerinti. Telekomunikacijų bendrovė Australijoje gali naudoti SDN ir „OpenFlow“, kad pasiūlytų pritaikytas tinklo paslaugas savo verslo klientams.
Mokslo ir švietimo tinklai: „OpenFlow“ naudojamas mokslo ir švietimo tinkluose kuriant eksperimentines bandymų aplinkas naujų tinklų technologijų tyrimams ir novatoriškų programų kūrimui. Universitetai visame pasaulyje naudoja „OpenFlow“, kad ištirtų naujas tinklų architektūras ir protokolus.
Universitetų miestelių tinklai: „OpenFlow“ suteikia geresnį tinklo valdymą ir saugumą universitetų miestelių tinkluose. Pavyzdžiui, universitetas Kanadoje gali naudoti „OpenFlow“, kad įgyvendintų smulkiagrūdės prieigos kontrolės politikas, užtikrinančias, kad tik įgalioti vartotojai galėtų pasiekti jautrius išteklius.

„OpenFlow“ ir SDN ateitis

„OpenFlow“ ir SDN ateitis yra šviesi, o nuolatiniai mokslinių tyrimų ir plėtros darbai skirti aukščiau aptartiems apribojimams ir iššūkiams spręsti. Pagrindinės tendencijos apima:

Integracija su debesų kompiuterija: SDN ir „OpenFlow“ vis labiau integruojami su debesų kompiuterijos platformomis, siekiant užtikrinti sklandų tinklo ryšį ir valdymą debesų pagrindu veikiančioms programoms.
Tinklo virtualizacijos pažanga: Tinklo virtualizacijos technologijos tampa vis sudėtingesnės, suteikdamos daugiau lankstumo ir judrumo paskirstant ir valdant tinklo išteklius.
Padidėjęs automatizavimas ir orkestravimas: Tinklo automatizavimo ir orkestravimo įrankiai tampa vis labiau paplitę, automatizuojantys daugelį tinklo valdymo užduočių ir didinantys veiklos efektyvumą.
Naujų SDN architektūrų atsiradimas: Atsiranda naujų SDN architektūrų, tokių kaip ketinimais pagrįsti tinklai (IBN), kurie sutelkti į verslo ketinimų pavertimą tinklo konfigūracija.
Patobulintos saugumo galimybės: SDN ir „OpenFlow“ yra tobulinami pažangiomis saugumo galimybėmis, tokiomis kaip grėsmių žvalgyba ir automatizuotas saugumo politikos vykdymas.

Išvada

„OpenFlow“ yra pagrindinis protokolas SDN ekosistemoje, leidžiantis centralizuotai valdyti ir automatizuoti tinklo išteklius. Nors jis turi tam tikrų apribojimų ir iššūkių, jo nauda tinklo judrumo, matomumo ir išlaidų taupymo požiūriu yra nepaneigiama. Kadangi SDN toliau vystosi ir bręsta, „OpenFlow“ išliks kritiškai svarbia technologija kuriant lanksčias, keičiamo dydžio ir programuojamas tinklų infrastruktūras, galinčias atitikti šiandieninės dinamiškos pasaulinės aplinkos reikalavimus. Organizacijos visame pasaulyje gali pasinaudoti „OpenFlow“ ir SDN, kad sukurtų novatoriškus tinklo sprendimus, skatinančius verslo augimą ir didinančius veiklos efektyvumą.

Papildomi mokymosi šaltiniai:

ONF (Open Networking Foundation): https://opennetworking.org/
„OpenFlow“ specifikacija: (Ieškokite naujausios versijos ONF svetainėje)
Įvairūs akademiniai moksliniai darbai apie SDN ir „OpenFlow“