Владимир Ефимушкин; Татьяна Ледовских, Интеллект...

1

Четвертый Международный Форум "TELECOM NETWORKS: F&M Infrastructure. Sharing, Engineering, Development, Outsourcing & Metering"

Москва, Radisson Blu Belorusskaya, 10.09.2014

Футурология программно-конфигурируемых телекоммуникаций

Ефимушкин В.А. Директор департамента

ОАО «Интеллект Телеком» К.ф.-м.н., доцент

Академик, член Президиума Международной академии связи

Ледовских Т.В. Заместитель директора департамента

ОАО «Интеллект Телеком» К.ф.-м.н.

Актуальность SDN

*Всемирная ассамблея по стандартизации электросвязи (ВАСЭ), Дубаи, 2012 г.

Согласованное мнение, что*:

• SDN коренным образом преобразуют среду отрасли электросвязи и информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в ближайшие десятилетия

• SDN может обеспечить отрасли электросвязи/ИКТ многочисленные преимущества

• Существует быстро растущий интерес к использованию SDN в отрасли электросвязи/ИКТ со стороны значительного количества компаний

• Существует необходимость в системе стандартов для широкого применения SDN

2

Концепция SDN: Определения

3

Консорциум ONF SDN: Динамичная, управляемая и адаптируемая сетевая архитектура, в которой разделены уровни управления сетью и передачи данных, что позволяет обеспечить программное управление сетью и абстрагирование/изоляцию (уровня) сетевой инфраструктуры от (уровня) приложений и сетевых услуг/сервисов

IETF SDN: Подход к построению сетей, обеспечивающий прямое управление ресурсами и сетями, а также их распределение за счет добавления собственных средств обработки, администрирования и программного управления посредством открытых сетевых интерфейсов и абстракции (абстрагирования, изоляции) уровня сети МСЭ-Т SDN: Технология построения сетей, которая позволяет реализовать централизованный, программируемый уровень управления и изоляцию (абстракцию) уровня данных, при этом уровни управления и данных разделены, благодаря чему операторы сетей связи могут напрямую управлять своими виртуальными ресурсами и сетями.

Концепция SDN: Определения

4

МСЭ-Т SDN: Технология построения сетей, которая позволяет реализовать централизованный, программируемый уровень управления и изоляцию (абстракцию) уровня данных, при этом уровни управления и данных разделены, благодаря чему операторы сетей связи могут напрямую управлять своими виртуальными ресурсами и сетями.

Концепция SDN: Основные принципы

Основными принципами концепции SDN являются:

• Разделение процессов передачи и управления данными

• Единый, унифицированный, независящий от поставщика оборудования интерфейс между уровнем управления и уровнем передачи данных

• Логически централизованное управление сетью, осуществляемое с помощью контроллера с установленной сетевой операционной системой и реализованными поверх сетевыми приложениями

• Виртуализация физических ресурсов сети

Разделение уровней управления сетью и передачи данных за счет переноса

функций управления (маршрутизаторами, коммутаторами) в

приложения, работающие на отдельном устройстве (контроллере)

5

Концепция SDN: Основные принципы

6

Концепция SDN: Преимущества

•Централизованное управление в мультивендорной среде

• Уменьшение сложности сети за счет автоматизации

• Увеличение надежности и безопасности сети

• Точечное управление сетью

• Обеспечение согласованности политик управления доступом, инжиниринга трафика, параметров качества услуг, безопасности и др.

• Более высокая скорость внедрения инноваций

• Улучшение качества восприятия услуг пользователями 7

•Значительное снижение CAPEX и OPEX за счет упрощения управления сетью

•Упрощение создания и изменения услуг

•Возможность построения мультивендорных сетевых решений

•Масштабируемость

•Гибкость

•Уменьшение затрат на электропитание

•Увеличение доходов

•Ускорение возврата инвестиций за счет повышения эффективности использования сети и оборудования

Существующие решения SDN

Решения следующих компаний-лидеров рынка сетевых технологий, могут оказать существенное влияние на перспективы развития сетей SDN: • Juniper Networks, Inc (Juniper);

• Nippon Electric Corporation (NEC);

• Hewlett-Packard Development Company, L.P. (HP);

• International Business Machines Corporation (IBM);

• Cisco Systems, Inc (Cisco).

11

Международные организации по стандартизации SDN

Исследование общих вопросов и стандартизация: ONF, IETF, IRTF, ETSI, МСЭ Исследование частных вопросов построения и эксплуатации сетей SDN: BBF, OIF и др. Апробация разрабатываемых стандартов и разработка открытых решений SDN: OpenDaylight, Open vSwitch, OpenStack

Стандарты SDN по архитектуре и

функциональным требованиям будут

разработаны в период с 2014-2016 гг.

Приложения

Сетевые сервисы

Сети доступа Ядро сетиПол

ьзов

ател

ьско

е об

оруд

ован

ие

Упр

авле

ние

Облачные решения

– Стандартизирующие организации

BBF

OIF МСЭ

IETF ONF МСЭ

TMF

– Объединение отраслевых производителей, проекты по разработке открытых программных средств и.т.п.

Open Stack

CloudStack OpenDaylight

ETSINFV

12

Исследования SDN в ONF проводятся в рамках РГ по концептуальным и архитектурным вопросам, по разработке стандартов совместно с мировыми экспертами в области OpenFlow и SDN: • Architecture and Framework: Архитектура • Forwarding Abstractions: Изоляция уровня передачи данных • Optical Transport: Оптический транспорт • Configuration and Management: Конфигурирование и управление • Market Education Committee: Исследование рынка • Testing and Certification: Тестирование и сертификация • Extensibility: Расширяемость • Migration: Миграция • Wireless and Mobile: Беспроводные и подвижные радиотелеф. сети • Northbound Interface: «Северный» интерфейс • Discussion Groups: «Дискуссионные группы»

ONF (Open Network Foundation)

13

Рабочая группа по инженерным задачам Интернет (Internet Engineering Task Force, IETF) – сообщество исследователей, операторов сетей связи и производителей сетевого оборудования, рассматривающих вопросы развития сети Интернет и ее функционирования. Работа сообщества разделена между рабочими группами согласно основным выделенным тематикам, включая маршрутизацию, транспорт, безопасность и пр. Разработка аналитических и стандартизирующих документов IETF, относящихся к SDN, начата в конце 2012 г. и находится на начальных этапах разработки проектных документов (draft). В настоящее время действуют следующие РГ: • Рабочая группа Interface to the Routing System (I2RS) • Рабочая группа Path Computation Element (PCE) • Исследовательская группа Software-Defined Networking Research

Group

IETF

14

Исследованиями в области SDN в МСЭ-Т занимаются ИК 13: Архитектуры и функциональные требования к SDN ИК 11: Эталонные архитектуры сигнализации SDN, требования к сигнализации и протоколам SDN, включая протоколы взаимодействия, вопросы тестирования на соответствие и взаимодействие Интерес к SDN проявляют ИК 15: Вопросы транспорта в SDN ИК 17: Вопросы безопасности в SDN В рамках ИК 13 и ИК 11 разрабатываются проекты рекомендаций: Y.FNsdn: Определение SDN, преимущества и ключевые характеристики, варианты и перспективы применения SDN на сетях связи Y.FNsdn-fm: Требования по использованию формальных методов определения (спецификации) и проверки (верификации) в контексте SDN для будущих сетей Q.SBAN: Сценарии и требования к сигнализации при использовании технологий SDN в сетях ШПД Q.Supplement-SDN: Структура, требования и архитектура сигнализации в SDN

МСЭ-Т

15

В составе ETSI была выделена группа отраслевой спецификации (Industry Specification Group, ISG) по концепции виртуализации сетевых функций (служб) (Network Functions Virtualisation, NFV). Концепция NFV предполагает замещение разнообразных сетевых устройств стандартизированными высокопроизводительными серверами, коммутаторами и системами хранения данных. Сетевые функции (службы) реализуются программным обеспечением.

ETSI

16

Стандартизация SDN: Дорожная карта разработки Рекомендаций МСЭ-Т по SDN в части ИК13

Q.14/13

Q.s/13 Варианты применения

ONF OIF TMF IETF BBFOpen Stack, Cloud Stack

Сотрудничество и координация

Common SDN* Common SDN

Gaps

SDN МСЭ-Т

2013 2014 2015 ~ 2016

Q.14/13

Анализ регуляторного воздействия на SDN и будущие сети

Y.SDN-FR

Q.14/13Функциональные требования к SDN МСЭ-Т

Функциональные требования и архитектуры SDN

Новый вопрос

Функциональные архитектуры и принципы SDN МСЭ-ТНовый вопрос

Q.11/13 Требования и функции SDN для обеспечения межсетевого взаимодействия

Q.6, 8, 9/13 Общие возможности (QoS, безопасность, мобильность) и принципы их поддержки в SDN

Q.2,3/13 Использование SDN в существующих сетях, таких как NGN-e

ETSI NFV

Стандарты SDN по архитектуре и

функциональным требованиям будут

разработаны в 2014-2016 гг.

* «Common SDN» – согласованная между стандартизирующими организациями ETSI, ONF, OIF, TMF, IETF, BBF, представителями сообщества открытого программного обеспечения и исследовательскими группами МСЭ-Т часть требований к сетям SDN и их архитектуре, терминологии и др.

17

Логическая модель структуры сети SDN

В сети SDN выделяются уровни • инфраструктуры • управления • приложений

Организация классических сетей передачи данных

Организация программно-конфигурируемых сетей передачи данных

Концепция SDN предлагает новый подход к организации сетевого взаимодействия: уровни управления сетью и устройств передачи данных разделяются, а функции уровня управления реализуются отдельным узлом, взаимодействующим с сетевыми устройствами

18

19

Протоколы SDN

Наиболее характерная модель – разработка независимых протоколов для выполнения следующих функций:

1. Управление передачей данных – контроль потоков трафика, реагирование на изменения в них (также взаимодействие с традиционными протоколами маршрутизации), анализ текущего состояния (загруженности) сетевых устройств, инжиниринг трафика Протоколы: OpenFlow, PCEP, ForCES, I2RS 2. Общее управление сетевыми устройствами – задание первичных конфигураций, формирование сетевых топологий, управление виртуализацией Протоколы: OF-Config, ForCES, I2RS, OVSDB, NETCONF, SNMP 3. В рамках SDN также выделяют протоколы взаимодействия с сетевыми приложениями Протоколы: NB-API (разрабатывается), I2RS (разработаны требования)

Модели реализации SDN

Уровень приложения

Клиент

Сетевое устройство

Агент

Функция маршрутизации и сигнализации

Функция управления

конфигурацией

Функция учета информации

«Гибридная» модель IETF реализации концепции SDN (пример, архитектура I2RS,

протоколы I2RS, ForCES, PCEP)

Модель консорциума ONF реализации концепции SDN

(пример, архитектура OpenFlow, протоколы OpenFlow, OF-CONFIG, NB-API) 20

21

Протоколы управления передачей данных

OpenFlow PCEP ForCES I2RS

Управление потоками данных

+ – Традиционные

протоколы маршрутизации

Традиционные протоколы

маршрутизации

Расчет маршрутов + + + +

Размещение функций

Отдельный узел(ы)

Оба варианта

В составе cетевого

устройства

В составе сетевого

устройства

Атомарность сообщений Частично Не требуется + –

Транзакционность + Не требуется + –

Совместимость + + Зависит от реализации

Зависит от реализации

22

Протоколы управления сетевыми устройствами

Конфигурация устройств

Управление сетевой средой

Виртуализация сети Совместимость

OF-Config + + + + ForCES + – + I2RS + – + Не определена

Протоколы управления ПД и управления сетевыми устройствами находятся на этапе активного развития, дополнения возможностей протоколов, концептуального уточнения В настоящее время отсутствует или ограничен опыт применения отдельных протоколов.

23

Порядок работы коммутатора SDN

24

Обобщенная модель коммутатора SDN

Поле коммутации

Порт

Порт

Процессор

…

…

…

…

…

… Входные БН

Выходные БН

Таблица потоков

Управление передачей пакета на

порт

Обмен сигнальной

информацией с контроллером

SDN Пакеты

входных потоков

Пакеты входных потоков

Пакеты выходных

потоков

Пакеты выходных

потоков

Коммутатор SDN

25

Обобщенная модель контроллера SDN

Сигнальные сообщения к

коммутаторам SDN

Конфигурирование таблиц потоков

Сигнальные сообщения от коммутаторов

SDN Процессор …

Таблица потоков для коммутатора

SDN

Контроллер SDN

… БН

Таблица потоков для коммутатора

SDN

…

…

Упрощенная архитектура сети LTE

26

Архитектура сети LTE на базе SDN

27

Решение задач LTE на базе SDN

Гибкие политики управления атрибутами пользователя Высокая масштабируемость с использованием локальных агентов в коммутаторах Гибкие варианты коммутации Удаленное управление ресурсами виртуализированных БС Эффективное управление приложениями SDN в сети LTE

28

Технико-экономический анализ СПРС на базе технологий SDN (1)

29

25000 БС 1000 узлов уровня предварительной агрегации 12 узлов ядра сети

80 узлов агрегации

ЯдроРаспределенные кластеры (фактор 3)

Каждый узел агрегации соединен с 2 отдельными узлами ядра

4 узла предварительной агрегации на кольце агрегации4 кольца агрегации на узел агрегации

5 БС на кольце доступа5 колец доступа на узел предварительной агрегации

55.32 Мбит/с276,60 Мбит/с

1383.00 Мбит/с

1383.00 Мбит/с

22,127.95 Мбит/с

2,606.20 Мбит/с22,127.95 Мбит/с

5,531.99 Мбит/с

Технико-экономический анализ СПРС на базе технологий SDN (2)

30

Элементы сети CAPEX для классического сценария, %

CAPEX для сценария SDN, %

Узлы предварительной агрегации оператора 1

43,89% 36,46%


43,02% 35,58%

Узлы агрегации оператора 1 4,97% 4,38% Узлы агрегации оператора 2 4,22% 3,62% Ядро из 12 узлов оператора 1 0,39% 0,39% Ядро из 12 узлов оператора 2 0,28% 0,27% Ядро из 6 узлов оператора 1 1,82% 1,82% Ядро из 6 узлов оператора 2 1,41% 1,33% Элементы SDN оператора 1 1,17% Элементы SDN оператора 2 1,17% Совокупный CAPEX 100,00% 86,19%

Элементы сети CAPEX для сценария NS, % CAPEX для сценария SDN с NS, %


28,46% 23,80%


16,89% 14,12%

Узлы агрегации оператора 1 4,37% 4,37% Узлы агрегации оператора 2 2,56% 2,07% Ядро из 12 узлов оператора 1 0,27% 0,42% Ядро из 12 узлов оператора 2 0,16% 0,25% Ядро из 6 узлов оператора 1 1,74% 1,64% Ядро из 6 узлов оператора 2 1,02% 0,96% Элементы SDN оператора 1 2,16% Элементы SDN оператора 2 2,16% Совокупный CAPEX 55,47% 51,96%

Исследование экономического эффекта от внедрения технологий SDN на пакетной IP сети

Возможности монетизации сети SDN: • Услуга ШПП по требованию

• Обмен ШПП (биржа)

• Оплата качества

• Оплачиваемые свойства сети (безопасность, гарантированные параметры функционирования сети, др.)

• Виртуализированные управляемые услуги маршрутизации

31

Ключевые преимущества, влияющие на экономический эффект от внедрения SDN

32

• Визуализация и управление распределением сетевых ресурсов в целом по сети упрощает установление в реальном времени соответствия запросов клиента возможностям предоставления сетевых услуг

• Открытые «северные» интерфейсы API дают возможности абонентам и приложениям автоматического запуска сетевых услуг, удовлетворяющих их запросам, создавая при этом более подвижный, настроенный на массовое использование рынок

• Знание одновременно всех имеющихся ресурсов и запросов позволяет применять обоснованную тарификацию в динамическом режиме, что может максимизировать доходы и рентабельность за счет повышения спроса при наличии свободных ресурсов и роста дохода на бит при дефиците ресурсов

• Модульная, открытая инфраструктура управления обеспечивает операторам связи возможности развития их собственных дифференцированных сетевых услуг и приложений

Снижение CAPEX до 50% и OPEX до 30% на транспортную сеть при внедрении SDN

Снижение CAPEX благодаря упрощению функционала сетевого оборудования

Снижение OPEX благодаря возможности упрощения конфигурирования и управления сетью NEC: реализация SDN (решение ProgrammableFlow) позволит на 50% сократить CAPEX и OPEX, при этом: сокращение затрат на расширение сети составит 60%; сокращение затрат на проектирование и конфигурирование сети - 50%; сокращение затрат на управление и поддержку сети - 30%. Huawei Technologies: реализация SDN также позволит на 50% процентов сократить CAPEX.

33

34

Вопросы безопасности при внедрении технологий SDN

Карта основных векторов угроз в SDN Вектор 1 угроз: потоки фальсифицированного трафика на коммутаторы и контроллеры (от поврежденных устройств или пользователя-злоумышленника. Вектор 2 угроз: атаки на уязвимости в коммутаторах, которые могут привести к разрушению сети. Вектор 3 угроз: атаки на коммуникации плоскости управления для генерации DoS-атак или кражи данных. Вектор 4 угроз: атаки на уязвимости в контроллерах (наиболее серьезные угрозы для сетей SDN). Вектор 5 угроз: недостаток механизмов для обеспечения доверия между контроллером и приложениями администрирования. Вектор 6 угроз: атаки на узлы административного типа и уязвимости в них, использующиеся в SDN для доступа к контроллеру. Вектор 7 угроз: Недостаток доверенных ресурсов для анализа причины обнаруженной проблемы и корректирующего исправления, восстановления в безопасном режиме.

QoS в SDN

Механизмы обеспечения QoS протокола OpenFlow: • Использование DSCP поля ToS в заголовке IP (базовая поддержка QoS) • Организация очередей • Использование измерителей

Протокол OpenFlow обеспечивает ограниченную

поддержку QoS

Большинстве коммутаторов различных производителей реализована версия 1.0 протокола OpenFlow, которая поддерживает только базовые возможности по

обеспечению QoS

Обеспечение качества в сетях SDN: • Использование существующих механизмов протокола OpenFlow • Использование традиционных механизмов QoS в гибридном оборудовании SDN • Использование фирменных решений QoS производителей оборудования • Внедрение архитектурных решений по обеспечению QoS

Архитектурные решения по обеспечению QoS: • Реализация новых функций QoS (например, управление политиками, потоками, очередями) в контроллере SDN • Разработка архитектурных решений и новых механизмов QoS, реализованных в отдельных приложениях с доступом через «северные интерфейсы» (например, мониторинг QoS и SLA ) • Разработка дополнительных возможностей для протокола OpenFlow

35

Основные задачи регуляторного характера, возникающие при внедрении технологий SDN

Переход на технологии SDN предполагает установку на сети нового оборудования,

реализующего функции коммутаторов и

контроллеров SDN

Нормативные документы отрасли «Связь» можно разделить на две группы: • НПА, регламентирующие системные сетевые вопросы, связанные с построением, взаимодействием сетей и оказанием услуг связи, распределением ресурсов • НПА, которые определяют правила применения сетевого оборудования сетей связи, устанавливающие обязательные требования к параметрам средств связи в целях обеспечения целостности, устойчивости функционирования и безопасности единой сети электросвязи РФ

Требуется разработка НПА на применение оборудования SDN: в виде отдельных НПА или коррекция существующих НПА в части требований к элементному составу оборудования и функциональных параметров сетевых элементов

В части элементного состава оборудования: введение нового типа оборудования, выполняющего функции управления оборудованием коммутации и маршрутизации пакетов информации – контроллера SDN В части расширения функциональных возможностей сетевых элементов: введение требований к функциональности оборудования в части поддержки протоколов и интерфейсов технологий SDN

36

37

Критерии эффективности ПД в SDN (1)

Максимальный объем передаваемого трафика для заданных пропускных способностей сети Критерий соответствует высокой эффективности использования ресурсов в сети SDN за счет оптимальной динамической маршрутизации Устойчивость к перегрузкам Сеть SDN может поддерживать QoS в соответствии с нормами при значительных изменениях нагрузки в сети за счет определения перегрузок и их ликвидации путем маршрутизации потоков трафика в обход перегруженных участков. Максимальная доступность Определяет длительность времени, в течение которого сеть работоспособна. В сетях SDN с помощью динамической перемаршрутизации реализуются все возможные пути обхода отказавшего сетевого элемента для сохранения доступности передачи трафика.

38

Обеспечение требований QoS Характеристики QoS контролируются средствами мониторинга сетей SDN и при определении нарушений нормированные значения этих характеристик восстанавливаются путем выбора для потоков новых маршрутов с требуемыми значениями характеристик QoS Масштабируемость Критерий определяет простоту и скорость «схождения» при добавлении новых элементов – узлов, линий или потоков трафика. В сетях SDN, где правила маршрутизация определяются в плоскости управления, восстановление нормальной работы сети происходит в предельно короткие сроки и не требует изменений настроек и привлечения эксплуатационного персонала. Гибкость Возможность перестройки физических и логических структур сети. В сетях SDN все структуры организуются централизованно в плоскости управления, тем самым снимаются с плоскости данных сложные процедуры по изменениям структур.

Критерии эффективности ПД в SDN (2)

39

Спасибо за внимание! Ефимушкин Владимир Александрович [email protected] +7 (915) 175-87-55 Ледовских Татьяна Владимировна [email protected]

Владимир Ефимушкин; Татьяна Ледовских, Интеллект...

Documents