معرفی شبکه SDN یا شبکه برپایه نرم افزار

معرفی شبکه SDN یا شبکه برپایه نرم افزار

SDN چیست؟

تا قبل از ورود SDN، عموما نصب و راه اندازی شبکه نیازمند تخصص و مهارت بالا و همچنین دقت عمل بالایی برای جلوگیری از خطای انسانی است. هنگامی که برقراری ارتباط بین گره های شبکه پیچیده می شود نیاز به راهکاری جامع تر و اصولی تر برای حل مشکلات شبکه داریم. این کار با استفاده از روشهای موجود برنامه ریزی و مدیریت که روی اکثر سیستم های شبکه فعلی قابل اجراست کاری بسیار سخت است. به علاوه هزینه های نصب و استفاده از سیستم های پیچیده و دارای چندین تکنولوژی مختلف، در سالهای اخیر سیر صعودی داشته است. همچنین با افزایش هزینه نیرو انسانی و هزینه های مصرفی شبکه باید به دنبال راهکاری تازه برای کاهش هزینه های مدیریتی بود که قابل استفاده در سیستم های چند دامنه ای باشد.

با اینکه عبارت SDN در سالهای اخیر ایجاد شده است اما ایده اصلی این مفهوم از سال ۱۹۹۶ و برای ایجاد مدیریت کاربر روی ارسال و دریافت، در گره های شبکه مطرح شد. به منظور تحقق بخشیدن به ایده SDN، نیاز به دو عامل وجود دارد. اول اینکه باید یک معماری منطقی مشترک بین تمامی سوییچ ها، روترها و دیگر تجهیزات وجود داشته باشد، دوم اینکه یک پروتکل امن بین SDN و تجهیزات شبکه نیاز است. برای این مفهوم پروتکل های مختلفی از جمله Ipsilon 1996 و IETF 2000 ، Ethan 2007 و OpenFlow 2008 مطرح شدند.. هر دوی این نیازها توسط OpenFlow بر طرف شده است.استاندارد OpenFlow توسط بنیاد شبکه آزاد (-ONF-Open Network Foundation) تنظیم شده است. اولین نسخه از این استاندارد در دانشگاه استنفورد تنظیم شده بود و نسخه ای که در این مقاله مورد بررسی است نسخه 1.3 است که در سال ۲۰۱۲ توسط ONF ارائه شده است. با این حال SDN محدود به هیچکدام از این روشها نیست بلکه نام کلی برای این پلتفرم است. بر طبق تعریف بنیاد شبکه باز مفهوم SDN به شرح زیر است:

در معماری SDN لایه های کنترل و دیتا از هم جدا هستند، هوشمندی شبکه به صورت متمرکز است و زیرساخت شبکه از اپلیکیشن ها جدا است.

معماری SDN روی 4 زمینه اصلی تمرکز دارد:

1. جداسازی لایه کنترل از دیتا
2. کنترلر متمرکز و داشتن دید جامع نسبت به شبکه
3. داشتن رابط کاربری باز بین کنترلر و لایه دیتا
4. قابلیت برنامه ریزی شبکه با اپلیکیشن های خارج از شبکه

مدیریت شبکه به روش سنتی

در شبکه های سنتی همان طور که در شکل ۳ نیز نشان داده شده است؛ لایه کنترل و دیتا در یک گره شبکه قرار دارند. وظیفه لایه کنترل، پیکربندی گره‌ها و برنامه‌ریزی مسیرها برای عبور جریان‌های داده می‌باشد. سپس با استفاده از این اطلاعات کنترلی ارسال دیتا در سطح سخت افزار انجام می‌شود. در روش سنتی وقتی که مدیریت جریان تنظیم شود، تنها راه ایجاد تغییر در آن ایجاد تغییر در پیکربندی دستگاه های سخت افزاری است. این موضوع برای مدیران شبکه عاملی بسیار محدود کننده است زیرا آنان تمایل به تغییر مشخصات شبکه در قبال تغییر ترافیک شبکه دارند.

مدیریت شبکه به روش نرم افزاری

در این روش کنترل جریان از سطح سخت افزاری در گره های شبکه خارج شده و به صورت متمرکز و جداگانه توسط یک کنترلر برعهده گرفته می شود. سوییچ های SDN توسط یک سیستم عامل شبکه مدیریت می شوند که اطلاعات را توسط API ها جمع آوری می کند و به وسیله آنها لایه دیتا را ایجاد می کند. سپس یک مدل از توپولوژی شبکه را در اختیار کنترلر SDN قرار می دهد. بنا براین کنترلر می تواند از تمامی اطلاعات شبکه به منظور بهینه سازی جریان و تامین نیازهای کاربر استفاده کند. به عنوان مثال می توان پهنای باند شبکه را به صورت پویا به لایه دیتا تخصیص داد. در شکل 3 وقتی که اولین بسته از یک جریان جدید وارد سوییچ می شود (گام1) سوییچ ابتدا به دنبال یک دستورالعمل برای بسته دریافتی در حافظه SDN می گردد (گام2) اگر دستوری منطبق با بسته دریافتی پیدا کند، با کنترلر ارتباط برقرار می کند و آن را اجرا می کند (گام 3و 4) و سپس بسته ها را به گیرنده ارسال می کند . (گام5).

مزایای استفاده از SDN

استفاده از SDN راه را برای کاربردهای جدید و خلاقانه برای مدیران شبکه باز می کند. کنترل دائمی توپولوژی شبکه با استفاده از این روش ممکن می شود و می توان کنترل دسترسی در کل شبکه ، مدیریت انرژی،و .. را در هر زمان به صورت لحظه ای مدیریت کرد. علاوه بر این ، قابلیت برنامه ریزی SDN امکان ارتباط مداوم را در همه سطوح فراهم می آورد . این قابلیت اپلیکیشن ها را از شبکه، و شبکه را نیز نسبت به برنامه ها آگاه می سازد. این امر باعث کاهش جدی مصرف منابع می شود و ازین طریق امکان استفاده بهتر و بیشتر از ظرفیت موجود شبکه برای مدیران فراهم می شود. SDN به طور جدی به دنبال ساده سازی استفاده از شبکه در کنار کاهش هزینه های مدیریتی با استفاده از سرویس های قابل برنامه ریزی است.

برنامه ریزی انتقال جریان

اولین شرط ایجاد شبکه SDN ایجاد قابلیت برنامه ریزی شبکه با استفاده از یک استاندارد متن باز است که بتواند در شبکه هایی که از سخت افزارهای تولید شده توسط چند شرکت سازنده استفاده می شود، هزینه های مدیریتی را کاهش دهد .استاندارد OpenFlow و بعضی استاندارد های اختصاصی مثل CISCO onePK در همین راستا ایجاد شده اند. زیر ساخت شبکه باید قادر باشد که لایه ارتباطی را با استفاده از این استانداردها برنامه ریزی کند و با پشتیبانی از این استانداردها برای برنامه ریزی جریان به صورت فعال و غیرفعال بپردازد.

عملکرد پویا و در لحظه

به علت استفاده روزافزون از محیط های دینامیک و مجازی در دیتا سنترها، ترافیک اطلاعات بیش از پیش غیرقابل پیش بینی شده است. بنابراین کنترل دستی این سیستم ها عملا غیر ممکن است. این سیستم ها از ضعف در پاسخگویی به نیازهای پویای شبکه رنج می برند. SDN معماری نوینی را برای این سیستم های پویا طراحی کرده است که می تواند در لحظه تغییرات مورد نیاز شبکه را اعمال کند.

پایداری بالا

پایداری بالا یکی از عوامل اصلی در اطمینان از عملکرد مناسب و مداوم شبکه است . زیرساخت شبکه باید قادر به تشخیص سریع هر گونه ناهماهنگی در مسیر باشد و بتواند به سرعت در هنگام بروز خطا مسیر جایگزین را انتخاب کند و به سرعت مسیر معیوب را رفع عیب و راه اندازی مجدد کند. زیرساخت SDN با پایداری بالا ، به صورت لحظه ای تمامی اجزای شبکه را بررسی می کند و در صورت تشخیص عیب در هر نقظه از شبکه مانند مسیر داده، افت کیفیت لینک ها، عدم تعادل در ترافیک و … تمامی تغییرات را به صورت از پیش برنامه ریزی شده و در همان لحظه انجام می دهد تا همواره پایداری و کیفیت شبکه تضمین شده باشد.

تعیین مسیر هوشمند

محاسبه مسیر یکی از مهمترین عوامل برای مهندسی ترافیک شبکه است. با استفاده از SDN مسیر صحیح به سرعت شناسایی می شود و ترافیک از بهینه ترین مسیر عبور داده می شود. با استفاده از این معماری امکان استفاده از الگوریتم های جدید Routing و سوییچ به صورت لحطه ای در شبکه وجود دارد.

جمع بندی

SDN ایجاد شده است تا با ماهیت پویا و درحال تغییر شبکه های آینده سازگار باشد و با نیاز به پهنای باند بیشتر، سرعت بیشتر، پردازش قدرتمند تر و امکانات تازه شبکه ها همگام باشد. با استفاده از SDN می توان انعطاف پذیری بالا، مدیریت آسان و یکپارچه و ایجاد تغییر در ساختار شبکه به صورت لحظه ای را در اختیار داشت. که تمامی این ویژگی ها عملکرد شبکه را به طور چشمگیری افزایش و هزینه های لازم برای تهیه تجهیزات گران قیمت و همچنین نیروی انسانی مورد نیاز برای مدیریت شبکه را به شدت کاهش می دهد. با این حال برای رسیدن به چنین هدفی هنوز چالشهایی پیش راه وجود دارد که باید برطرف شوند. چالشهایی در زمینه توان پردازشی، امنیت شبکه و میزان انطباق شبکه های SDN با شبکه های فعلی.