مفهوم Software Defined Network یا SDN

مفهوم Software Defined Network یا SDN

در مقاله زیر سعی شده است بطور چکیده مفاهیم اولیه فناوری SDN ارائه شود تا خواننده با اصول اولیه و مفاهیم کلی فناوری SDN آشنا گردد.

بطور سنتی سوییچ های Ethernet دارای واحد پردازشی بعنوان تصمیم گیرنده ( Control Plane) و بخش دیگری بعنوان فرستنده داده ( Data plane ) می باشند. هر تجهیز شبکه دارای سامانه پردازشی و ارسال بسته داده مستقل از هم می باشد در شکل های بالا معماری پیشین تجهیزات شبکه به نمایش درآمده است. هنگامی که شما دستگاه شبکه ای را پیکر بندی می کنید در واقع تعامل شما با Control plane صورت می پذیرد. انجام پردازش های مربوط به چگونگی ارسال داده ها

شامل Switching ، Routing، QOS، Access Control List و غیره در Control plane با بکارگیری پردازنده اصلی دستگاه و نرم افزار( IOS ) بهینه شده انجام می شود یکی از ویژگی های اصلی تجهیزات سخت افزاری شبکه این است که در کمترین زمان، پردازش های مورد نیاز را انجام می دهند در واقع یکی از چالش های رقابت بر انگیز میان سازندگان تجهیزات شبکه، ارائه تجهیزات سخت افزاری و روش های بهینه برای انجام سریع و موثر چنین پردازش های می باشد. با نگاه به روند ارائه تجهیزات شبکه در ده سال اخیر می توان کاهش زمان لازم برای ارسال بسته داده (Switching Latency ) و افزایش حجم ترافیک گذر دهی ( Forwarding Throughput ) را مشاهده کرد. بعنوان نمونه سوییچ های سری Cisco Catalyst 2960 از توان گذردهی ۳۲Gbps به بیش از ۲۰۰ Gbps ارتقاء پیدا کرده اند و این روند همچنان ادامه دارد.

از ماژول های مدیریتی ( Supervisor Engine ) در سوییچ های سری Cisco 6500 و Management Module در سوییچ هایHP 8200 می توان بعنوان Control plane یاد کرد. نتایج حاصل از داده های پردازش شده توسط Control Plane در حافظه سوییچ به صورت جداول FIB،CAM ، Routing Table، ARP Table و غیره تشکیل می گردد وبا توجه به سرویس های قابل ارائه مورد استفاده قرار می گیرد به عنوان مثال Control plane دستگاه با دریافت بسته پیام BPDU مربوط به پروتکل STP محاسبات مربوط به ایجاد ساختار بدون Loop را انجام می دهد و پس از آن، اطلاعات بدست آمده را برای اعمال به Data Plane ارسال می کند. در برخی از سرویس ها مانند Quality of Service، Access Control List و Routing Protocols به دلیل پیچیدگی و حجم بالای پردازش های مورد نیاز، معماری سنتی با محدودیت های جدی مواجه می شود از این رو گرایش به ایجاد تغییرات برای رفع محدودیت های بیان شده ضروری می باشد.. شکل ۲ نمایانگر یکی از ماژول های مدیریتی می باشد تجهیزات مورد نظر دارای صرفا رابط های مدیریتی بوده و در صورتی که دارای پورت های داده باشند به تعداد بسیار محدود می باشند.

Data Plane و یا فرستنده داده در سوییچ های ماژولار بصورت Line Card عرضه می شود و در سوییچ های غیر ماژولار بصورت یکپارچه در دستگاه تعبیه شده است. در سوییچ های ماژولار امکان افزودن Line card به شاسی اصلی در هر لحظه ممکن می باشد ماژول های یاد شده دارای پورت های ارسال کننده داده از انواع گوناگون با تعداد ۲۴و یا ۴۸پورت می باشند. این تجهیزات با بار گذاری اطلاعات مورد نیاز از Control plane به صورت محلی در حافظه خود و بکارگیری سخت افزار ویژه ( Application Specific IC ) اقدام به ارسال داده بر روی پورت خروجی مناسب می نماید. در شکل ۳۳ ماژول فرستنده داده نمایش داده شده است.

در معماری سنتی تجهیزات شبکه بخش تصمیم گیرنده در ارتباط تنگاتنگ با بخش فرستنده می باشد و هرگونه تلاش برای جدا سازی و متمرکز سازی آن در کل شبکه نتیجه بخش نخواهد بود. زیرا محدوده کارکرد واحد تصمیم گیرنده محدود به همان سخت افزار می باشد و بدلیل عدم ارتباط با دیگر تجهیزات شبکه نمی تواند دایره تصمیم گیری خود را به کل تجهیزات شبکه گسترش دهد.

از محدودیت های دامن گیر معماری سنتی می توان به موارد زیر اشاره کرد.

          ۱٫ عدم چابکی و خودکار سازی روال های پیاده سازی سرویس های مورد نیاز در کل تجهیزات شبکه

بطور مثال پیکربندی ACL و یا QoS می بایست بر روی تک تک تجهیزات شبکه تکرار و انجام شود و این فرآیند زمان بر و مستعد خطا بود و رفع مشکلات آن بسیار سخت می باشد. در واقع نمی توان پیکربندی مورد نیاز را یک بار انجام داد و آنرا به کل تجهیزات شبکه بسط داد.

          ۲٫ گسترش پذیری محدود پردازشی و نا همگون مبتنی بر نیاز های سرویسی شبکه

performance دستگاه های شبکه درصورت اجرای سرویس های همچون PBR، QoS،Calculation Routing،Traffic Engineering و غیره بطور قابل توجهی کاهش می یابد دلیل این امر آن است که برخی از سرویس ها بر اساس معماری سنتی سه لایه شبکه تنها در لایه ای خاص قابل اجرا بوده و در نتیجه بار پردازشی مربوطه درآن لایه از شبکه بطور تصاعدی افزایش می یابد و به همین دلیل گلوگاه ترافیکی ایجاد می گردد تلاش برای افزایش توان پردازشی به منظور رفع این محدودیت نتیجه بخش نبوده است.

          ۳٫ عدم امکان مدیریت متمرکز تجهیزات درگیر در مسیر جابجا شدن اطلاعات در شبکه

به دلیل نبود دید کامل و دقیق از همبندی منطقی شبکه امکان ایجاد راه کار جامع و یکپارچه برای پیکر بندی تجهیزات شبکه درگیر در فرآیند جابجا شدن بسته داده و پایش لحظه ای بسته داده در مسیر حرکت خود میسر نبوده.

          ۴٫ عدم امکان ایجاد شبکه های هم پوشان با امکان جداسازی کامل

با گسترش ارائه خدمات میزبانی سرویس های فناوری اطلاعات در مراکز داده، نیاز به جداسازی منطقی مشتریان اینگونه خدمات اهمیت پیدا کرده است. در معماری سنتی این کار با استفاده از شبکه های مجازی (Vlan ) و اعمال کنترل های امنیتی ممکن می گردد. به دلیل محدودیت های ذاتی در چنین پروتکلهای، توسعه پذیری کمی و کیفی با محدودیت های زیادی روبرو می گردد. عدم امکان ایجاد شبکه های همپوشان و یاMulti-Tenancy با امکان ارائه سرویس از دیگر ضعف های معماری سنتی شبکه می باشد.

          ۵٫ عدم امکان مدیریت و کنترل ترافیک تولیدی از مبداء تا مقصد در زیر ساخت مجازی سازی بطور کامل

به دلیل نبود ارتباط منطقی میان زیر ساخت شبکه بستر مجازی با بستر شبکه فیزیکی، امکان اعمال سیاست های کنترلی به بسته داده در بستر مجازی ممکن نمی باشد و این امکان تنها محدود به بستر شبکه فیزیکی می گردد.

با ظهور و قابل عرضه شدن فناوری مجازی سازی، نگاه و روش اجرای و ارائه بسیاری از فرآیند ها فناوری اطلاعات دچار تغییرات بنیادی گردید و افق های جدیدی برای ارائه سرویس و خدمات فناوری اطلاعات آفریده شد. بعنوان مثال در حوزه سرور نگاه سنتی خرید سرور به ازاء یک یا چند سرویس دچار دگرگونی شده است. با استفاده از فناوری مجازی سازی نصب و راه اندازی یک سرور تنها با چند کلیک ممکن می گردد در صورتی که پروسه ناهنجار و پرهزینه خرید و عملیاتی سازی سرور در گذشته چندین ساعت و یا روز بطول می انجامید و امکان بهره برداری کامل از منابع سخت افزاری نیز وجود نداشت. یکی دیگر از دست آورد های فناوری مجازی سازی در این بود که می توان چنین مدلی را به دیگر زیر ساخت های فناوری اطلاعات مانند امنیت، شبکه، ذخیره سازی و غیره بسط داد و همچون بستر مجازی سازی سرور، از مزایای بیشمار آن بهره برد. با ظهور زیر ساخت مجازی سازی اهمیت زیر ساخت شبکه های ارتباطی بیش از پیش شده است و ایجاد دگرگونی و رشد آن با توجه به نیاز های جدید ضروری می نماید.

پژوهش های چند ساله اخیر نشان داده که برای ایجاد نسل بعدی سرویس های قابل ارائه در بستر اینترنت و خدمات ابری نیاز به راه کاری نوین با قابلیت یکپارچگی کامل با زیر ساخت مجازی سازی می باشد. پس از بوجود آمدن شبکه های Ethernet Fabric ، ایجاد و فراهم شدن بیشینه کارائی و دسترس پذیری تحقق یافت و راه برای رسیدن به شبکه های مبتنی بر معماری SDN هموار گردید. در واقع ایجاد شبکه های Ethernet Fabric با هدف رفع محدودیت های پروتکل لایه دو همچون STP می باشد. بکارگیری پروتکلSTP با هدف رفع مشکلات Loop، منجر به مسدود شدن لینک های افزونه می شود و عملا بخشی از منابع شبکه بی استفاده می ماند و در ضمن زمان بازیابی شبکه در صورت بروز مشکل در لینک های ارتباطی به چندین ثانیه افزایش می یافت. گسترش کمی و کیفی شبکه باعث نا کارائی این معماری می گردد. معماری Ethernet Fabric ویژگی های Routing را در لایه دوم با استفاده از پروتکل Trill و یا SPB  محقق کرده است. در این معماری ویژگی L2 Multipath   قابل پیاده سازی می گردد و در نتیجه همه لینک ها قابلیت استفاده پیدا می کنند و از همه مهمتر زمان بازیابی شبکه به کمتر از۱۵۰ میلی ثانیه می رسد. بنابراین توسعه پذیری کمی و کیفی تا چندین هزار پورت امری ممکن می نماید.

راه کار شبکه های مبتنی بر مدیریت منطقی (Software Defined Network ) وبه اختصار SDN طبق تعریف، به هرگونه تلاش برای جدا سازی بخش تصمیم گیرنده تجهیزات شبکه از بخش فرستنده داده و ایجاد یک واحد تصمیم گیرنده متمرکز و یکپارچه در کل شبکه اتلاق می شود. در این رویکرد بجای مدیریت جزیره ای تجهیزات شبکه، نگاه متمرکز گرایانه در پیش گرفته شده است و با ایجاد یک واحد پردازش متمرکز برای کل شبکه، Control plane یا واحد تصمیم گیری کلیه تجهیزات شبکه حذف شده است در دو شکل زیر معماری کلی این راه کار ارائه شده است.

تحقق معماری SDN نیاز به ایجاد چهار چوبه ای واحد میان سازندگان تجهیزات شبکه می باشد. پروتکل و مدل ارائه شده در این خصوص معروف به OpenFlow می باشد. پروتکل OpenFlow بطور خلاصه استانداردی برای جابجا کردن و رابط برنامه ریزی اطلاعات مدیریتی میان Data plane و Control Plane می باشد. در شکل زیر یکپارچگی زیر ساخت شبکه با بستر مجازی به نمایش در آمده است. بستر ایجاد شده شرایط ارائه خدمات ابری را از منظر کیفی و کمی خواهد داشت.

در معماری SDN بخش Data plane به سوییچ های سخت افزاری بهینه شده که امکان ارتباط با Control Planeرا از راه پروتکل OpenFlow دارا می باشند. دستگاه های که در نقش Data plane می باشند با دریافت اطلاعات و سیاست های ارسال بسته داده، اقدام به اجرای آن با بکارگیری سخت افراز بهینه شده خود می کنند. این فرایند به دلیل اجرا توسط سخت افزار ویژه در کمتر از یک میکرو ثانیه اجرا می گردد. این ویژگی امکان ایجادEthernet Fabric Pod با زمان تاخیر حدود ۲ تا ۴۴ میکرو ثانیه را ممکن می سازد. در صورتی که در شرایط یکسان و با بکارگیری بهترین تجهیزات شبکه ای همچون سوئیچ های Cisco Catalyst 6500/2960X، زمان فوق به حدود ۴۰ تا ۵۰میکرو ثانیه می رسد که بسیار بیشتر از زمان دست یافته درEthernet Fabric می باشد.

SDN Controller در فناوری SDN در نقش Control Plane می باشد. SDN Controller در واقع برنامه ای می باشد که با استفاده از ماشین فیزیکی یا مجازی اجرا می شود. SDN Controller بصورت مستقل و مجزا برای کل تجهیزات شبکه در نظر گرفته می شود. به دلیل ارتباط مستقیم SDN کنترلر با همه تجهیزات شبکه، ایجاد دید دقیق از هم بندی و ساختار منطقی اجزا شبکه و عدم وابستگی به اطلاعات ارسالی از تجهیزات شبکه، ممکن می شود علاوه بر این، بدست آوردن اطلاعات دقیق در لحظه از وضعیت بسته داده آسان می گردد و تصمیم گیری با در نظر گرفتن مبدا و مقصد داده ممکن می شود و نیز سرعت اعمال و اجرای سیاست های مورد نظر به شکل چشم گیری کاهش می یابد. بر اساس ویژگی های معرفی شده در معماری SDN، محدودیت های سنتی زیر ساخت شبکه اترنت مانند پردازش های مربوط به STP Loop Recovery، Trill Replication ، ARP Table Search، Routing Table Calculation، Fail over، Redundancy، Distributed Gateway،QOS Policy و بسیاری دیگر از سرویس ها برطرف گردیده است. با بکارگیری امکانات و ویژگی های ارائه شده در معماری SDN امکان اجرای الگو ریتم Djikstra based layer 2 در مقیاس چند ده هزار پورت ممکن می باشد بنابراین مقیاس پذیری با حفظ کمترین تاخیر و افت سرعت ممکن می گردد. در فناوری SDN ایجاد شبکه ای با چندین هزار پورت با زمان تاخیر کمتر از ۳ میکرو ثانیه امری نا ممکن نخواهد بود بگونه ای که Fabricایجاد شده شرایط افزونگی و جایگشت پذیری را در کمتر از ۵۰۰ میلی ثانیه فراهم خواهد نمود. با استفاده از فناوری SDN امکان ایجاد ساختاری پویا، مدیریت پذیر، ایمن و اقتصادی که می تواند کلیه نیاز های سرویسی را به سرعت ایجاد سرور مجازی در شبکه فراهم کند، ممکن گردیده است. (bpapp)