چالش ها و فرصت های شبکه های نرم افزار محور (Software Defined Networks) SDN)

1. مقدمه

سیر تکاملی دستگاه ها و تجهیزات جانبی سیار ،مجازیسازی سرورها و ظهور سرویسهای کلاود، منجر به بازبینی دوباره معماری رایج شبکهها شده است .معماری بسیاری از شبکههای سنتی، سلسله مراتبی است که با استفاده از گره هایی از سوئیچ های اترنت در یک ساختار درختی شکل می گیرد. این معماری زمانی که بحث ارتباطات کلاینت/سرور مطرح شود، ملموس تر خواهد بود اما چنین معماری ایستایی، برای ارتباطات پویا و نیازهای شرکتها در زمینه مراکز داده و رسانههای سرویس دهنده، کافی نیست [1] . مواجهه با نیاز های کنونی بازار با استفاده از معماری های متداول شبکه تقریباً غیرممکن است .شرکتهای فناوری اطلاعات، برای رویارویای با مسائلی نظیر رکود یا کاهش بودجه از ابزارهای مدیریتی در سطح ماشین و پردازش های دستی بهره می گیرند .شرکتهای ارائه دهنده سرویسهای مخابراتی نیز با چالشهای تشابهی روبرو هستاند، چرا که تقاضا برای دسترسی به پهنای باند شبکههای پویا رو به افزایش چشمگیری است؛ در عین حال، با افزایش هزینه های مربوط به تجهیزات مرکزی و کاهش درآمد، سود این شرکتها به خطر می افتد. معماری شبکههای موجود، به گونهای طراحی نشده اند که نیازهای کنونی شرکتها، سرویس دهنده های مخابراتی و کاربران را بر طرف کنند، به عبارت دیگر، طراحان شبکه با محدودیت های مانند: پیچیدگی ،سیاست های متناقض، فقدان مقیاسپذیری و وابستگی به فروشنده[1] وجود نداشتن هماهنگی بین نیازهای بازار و قابلیت های شبکه، صنعت ITرا بهسوی نقطه انحرافی می کشاند. برای جلوگیری از چنین رخدادی، صنعت معماری تعریف شده با نرمافزار یا SDN را مطرح کرد و استانداردهای مرتبط با آن را توسعه داد.

هدف مقاله فهمیدن چالش ها و فرصت های تحقیقاتی و پژوهشی SDN در آینده اینترنت است. این مقاله به دو قسمت تقسیم شده است.

1- موارد استفاده فعلی از SDN و استاندارد سازی های فعلی در این زمینه موارد و بخشهایی که چالش هایی و مسائیل حل نشده ای در SDN وجود دارد

موارد استفاده از SDN 1- موارد استفاده در service provider ها صنایع اخیرا به سمتی رفته اند که در زیر ساختهای شبکه شان هم شبکه های فعلی و هم مدل های SDN را پشتیبانی نمایند.

این تبدیل وضعیت سبب کاهش هزینه ها ی انتقال و افزایش سرعت انتقال میگردد
1.1 موارد استفاده در دیتاسنتر ها Data Centers دیتا سنتر های مدرن شامل هزاران منبع است( مثلا پردازنده ، حافظه و کارت های شبکه )که به صورت جمع شده در رک ها قرار گرفته اند و هزاران هاست بر روی آنها قرار گرفته اند.
ترافیک در دیتا سنتر ها عموما به صورت فورانی یا bursty است و در طول زمان کوتاه پکت های زیادی را ارسال میکند که این باعث ناپایداری شده که جریانهای دیگر را تحت تاثیر قرار میدهد و در کل باعث کاهش کارایی شبکه میشود.

ارزش SDN در ارتباط درون دیتاسنترها به طور اخص به توانایی در مجازی شبکه و انتزاعی سازی و خودکار سازی خلاصه میگردد. در شکل 2 یک openflow کنترلر مرکزی مشاهده میگردد که کنترل جریان پویای ترافیک بین برنامه های کاربردی که در ماشین های مجازی یا کامپیوتر های فیزیکی در دیتاسنتر قرار دارند را به عهده دارد.

این برنامه های کاربردی از restful API ها استفاده میکند تا نیازمندیهای خود را به لایه های زیرین ارائه دهد. Restful API ها به آنها قابلیت های زیادی در عملکرد شبکه از جمله کشف توپولوژی ، Qos و loadbalancing را میدهد. از ابزارهای ثالث دیگری در SDN جهت بازیابی لینک های آسیب دیده نیز میتوان استفاده کرد. این openflow که یک نگاه واحد به شبکه دارد و سبب آسان سازی کنترل کامل شبکه میگردد.

1.2 بخش بندی شبکه slicing

Slicing مکانیزمی جهت تقسیم بندی یک زیر ساخت شبکه به چندین بخش کاملا مجزا کنار هم که با هم هزیستی دارند. هر بخش packet forwarding خودش را کنترل میکند بدون تداخل با دیگر بخشها ، حتی اگر بر روی یک زیر ساخت مشترک وجود داشته باشند که SDN به راحتی میتواند با کمک کنترلر های خود این کار را به انجام برساند.

تصویر شماره 3 یک زیر ساخت چند بخشی را نشان میدهد که از طریق سوییچ های openflow متصل هستند برروی یک شبکه مجازی برای ایجاد یک ابر خصوصی یا عمومی .

همانطور که مشخص است SDN کنترلر (openflow ) میتواند با مدیریت منابع همزمان از هر slice پشتیبانی کند و اجازه دهد همه بخشها بدون مشکل به ارتباطات خود بپردازند.

1.3 کاربر در تنظیمات بی سیم

کاربرد SDN در شبکه های بی سیم نیز از قابلیت های slicing و ایجاد سرویس های جدید روی منابع مجازی میتوان نام برد. پروتکل های openvirtex و flowvisor را میتوان در openflow نام برد.که میتوان با آنها شبکه بی سیم را به slice های وابسته به پارامتر های متعدد از قبیل src/dst MAC,src/dst IP,src/dst TCP port نام برد. شکل 4 شامل این جزئییات و دیاگرام نحوه استفاده از SDN در شبکه وایرلس نام برد.

1.4 کاربرد در مهندسی ترافیک

مهندسی ترافیک که روشی نرم افزاری جهت بهبود کارایی شبکه هاست. شامل لایه 2 IP و لایه 3 vpn هاست و ارسال ترافیک را بر روی شبکه های غیر IP را مثل ATM مقدور میسازد.

در شبکه های سنتی از پروتکل هایی مانند BGP.OSPF جهت اشتراک اطلاعات نود ها با دیگر نودها و همسایگانشان را استفاده میگردد. این یعنی یک دید جهانی و global جهت اینکار وجود ندارد.و اینکار کاملا محلی انجام میشود. یعنی اگر کاربری نیاز به کنترل یا تغییر بخشی از مسیر برای بخشی از جریان را داشته باشد ، مدیر باید با تغییر پارامتر ها که بطور مستقیم را ریموت روی تجهیزات انجام میدهد ، این تغییر را تست و اجرایی نماید.

SDN با بوجود آوردن شبک های انعطاف پذیر و قابل برنامه ریزی این امکان را جهت کنترل جریان های مختلف بر اساس خواسته های مشتری را به راحتی میدهد.

شکل 5 یک SDN کنترلر مرکزی را نشان میدهد که سه جریان مختلف را روی بستر های مختلف شامل IP و ATM هستند و از مثلا فرانسه به آلمان منتقل میگردند را نسبت به نوع جریان کنترل و مهندسی ترافیک میکند.

2 استاندارد سازی های انجام شده حول SDN

در این بخش به استانداردسازی های انجام شده در حول SDN openflow میپردازیم

2.1 ابتکار Clean slate لوح پاک

یک طراحی معماری جدید با نگاه تغییر اساسی و اساسا طراحی دوباره اینترنت توسط مجامع و موسسات مختلف شروع شده که با هدف عدم ارث پذیری از مشکلات و پایه های اینترنت قبلی دوباره اینترنتی جدید با استناندارهای جدید طراحی گردد. از آن جمله میتوان به NSF با پروژه GENI و FIND,FIRE , OFELIA,SPARC نام برد. 2.2 ONF برای SDN

بنیاد ONF اولین موسسه که به طور تخصصی به SDN پرداخته است که از اهداف آن خارج کردن openflow از حالت آکادمیک به تجاری بوده است. این بنیاد کارگروه های متعددی در زمینه های مختلف جهت تجاری سازی openflow بوجود آورده است.

شکل 6 مثالی از نحوه ارتباط سه شبکه مختلف شامل شبکه های قدیمی و شبکه های با هسته SDN و دیتاسنترهای با استفاده از SDN را بیان کرده است. اینترفیس های اصلی این ارتباطات شامل

1- Northbound ارتباط app ها یا SDN controller

2- Southbound ارتباط با dataplane از طریق API خاص

3- Eastbound ارتباط با شبکه های قدیمی

4- Westbound ارتباط بین SDN ها جهت global کردن شبکه