Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

5.6.2. Плоскость управления в SDN: логически централизованное программное управление

Одна из главных технических идей в основе SDN — наличие плоскости управления, работающей независимо от маршрутизаторов, часто в виде единственной логически централизованной программы. В некотором смысле технология SDN существовала всегда: поскольку маршрутизаторы можно настраивать, крупные сети часто автоматически генерировали их конфигурации на основе централизованной базы данных, обеспечивали контроль версий и выполняли их на маршрутизаторах с помощью скриптов. Такой способ настройки можно назвать SDN, но с технической точки зрения он дает операторам очень ограниченные возможности контроля передачи трафика по сети. Чаще всего управляющая программа SDN (контроллер) в большей степени отвечает за логику управления. К примеру, она вместо маршрутизаторов вычисляет пути и затем просто обновляет таблицы переадресации.

Первые исследования в области SDN были направлены на то, чтобы упростить для сетевых операторов задачу по регулированию трафика. Вместо настройки конфигурации сети предлагалось напрямую контролировать, какой путь выбирает каждый маршрутизатор. Первые реализации технологии SDN должны были работать в рамках существующих интернет-протоколов маршрутизации для непосредственного управления выбором путей. Одним из таких решений стала платформа управления маршрутизацией (Routing Control Platform, RCP) (Фимстер и др.; Feamster et al., 2003), впоследствии развернутая в магистральных сетях для балансировки нагрузки и защиты от DoS-атак. Позднее появился ряд других систем, в частности Ethane (Касадо и др.; Casado et al., 2007), обеспечивающая централизованный программный контроль аутентификации хостов в сети. Однако для ее реализации требовались нестандартные коммутаторы, что не способствовало ее распространению.

Когда преимущества технологии SDN для сетевого администрирования стали очевидны, к ней начали проявлять интерес операторы сетей и поставщики оборудования. Кроме того, была обнаружена удобная «лазейка» для еще более успешного контроля коммутаторов. Во многих из них использовался чипсет Broadcom с интерфейсом, позволяющим производить прямую запись в память коммутатора. Группа исследователей провела совместную работу с поставщиками коммутаторов, чтобы сделать этот интерфейс доступным для ПО. В результате был создан протокол OpenFlow (Маккиоун и др.; McKeown et al., 2008). Его поддержку обеспечили многие поставщики, которые пытались конкурировать с доминирующим игроком на этом рынке, компанией Cisco. Изначально OpenFlow поддерживал очень простой интерфейс: данные записывались в ассоциативную память в виде обычной таблицы сопоставления действий (match-action table). Эта таблица позволяла коммутатору идентифицировать пакеты по одному или нескольким полям заголовка (например, по полю MAC-адреса, IP-адреса и т.д.) и выполнить какое-либо действие, включая переадресацию пакета на определенный порт, его удаление или отправку в находящийся вне маршрута программный контроллер.

Было создано несколько версий протокола OpenFlow. Версия OpenFlow 1.0 пре­дусматривала наличие одной таблицы сопоставления действий. С помощью этой таблицы можно было найти точные совпадения с указанной комбинацией полей заголовка пакета (полей MAC-адреса, IP-адреса и т.д.) или произвести поиск по шаблону (например, по префиксу IP-адреса или MAC-адреса). В последующих версиях (наиболее заметная из них — OpenFlow 1.3) была добавлена поддержка более сложных операций, включая работу с цепочками таблиц, но лишь немногие поставщики реализовали эти возможности. Применять логические операции «И» и «ИЛИ» к таким сопоставлениям оказалось непросто, особенно для программистов. Это привело к появлению ряда технологий, которые упрощали задачу выражения более сложных комбинаций условий (Фостер и др.; Foster et al., 2011). Также они позволяли учитывать время и другие показатели при принятии решения о переадресации (Ким и др.; Kim et al., 2015). В итоге некоторые из этих технологий получили весьма ограниченное распространение: OpenFlow стал использоваться в крупных центрах обработки данных, где сетевые операторы обладали полным контролем над сетью. В глобальных и корпоративных сетях они использовались еще реже, поскольку в таблице переадресации можно было выбрать лишь очень ограниченный набор действий. Кроме того, многие поставщики коммутаторов так и не предоставили полную реализацию последних версий данного протокола. Это затрудняло практическое внедрение решений, использующих эти возможности. Однако в конечном счете протокол OpenFlow оставил после себя в качестве наследия пару важных идей: контроль над сетью с помощью одной централизованной программы, координирующей сетевые устройства и элементы пересылки, и выражение этого контроля с помощью одного высокоуровневого языка программирования (например, Python или Java).

По сути, OpenFlow является очень ограниченным интерфейсом. Он не был рассчитан на гибкое управление сетью. Скорее он стал удобным сиюминутным решением, разработка которого была обусловлена рынком. Сетевые устройства уже имели в своих коммутаторах таблицы сопоставления на базе троичной ассоциативной памяти. Прежде всего OpenFlow был инициативой по созданию интерфейса для этих таблиц, чтобы сторонние программы могли производить в них запись. Вскоре исследователи сетевых технологий начали задумываться о проектировании аппаратных средств для обеспечения более гибкого управления плоскостью данных. В следующем разделе мы расскажем, как прогресс в области программируемого оборудования привел к повышению степени программируемости самих коммутаторов.

Наряду с этим программный контроль на уровне ПО, изначально рассчитанный в основном на транзитные сети и сети центров обработки данных, постепенно находит применение и в мобильных сетях. Например, проект переоборудования узла связи в дата-центр (Central Office Re-Architected as a Datacenter, CORD) направлен на разработку сети 5G на основе стандартных аппаратных средств и программных компонентов с открытым исходным кодом (Петерсон и др.; Peterson et al., 2019).

5.6.3. Плоскость данных в SDN: программируемое оборудование

В силу очевидных ограничений чипсета OpenFlow цель последующей работы с SDN заключалась в повышении степени программируемости самого оборудования. Множество разработок в этой области, касающихся сетевых карт и коммутаторов, обеспечили настройку практически всех параметров, от формата пакета до режима передачи.

Для этой архитектуры используется общее название — протоколонезависимая архитектура коммутатора (protocol-independent switch architecture). Она предполагает наличие фиксированного набора конвейеров обработки. Каждый из них обладает памятью для таблиц сопоставления действий и определенным объемом регистровой памяти, а также поддерживает ряд простых операций, например добавление (Босхарт и др.; Bosshart et al., 2013). Соответствующая модель переадресации называется реконфигурируемыми таблицами сопоставления (Reconfigurable Match Tables, RMT); ее конвейерная архитектура была вдохновлена RISC-архитектурами. Каждая ступень конвейера обработки может считывать информацию из заголовков пакетов, модифицировать значения заголовка с помощью простых арифметических операций и записывать эти значения обратно в пакеты (илл. 5.44). Архитектура чипа содержит программируемый парсер, набор ступеней сопоставления в определенном состоянии. Они выполняют арифметические вычисления над пакетами и принимают простейшие решения по их передаче или удалению. Другой компонент чипа, депарсер, записывает полученные значения обратно в пакеты. Каждая ступень чтения/модификации может менять как собственное состояние, так и любые метаданные пакетов (например, информацию о том, какую глубину очереди видит отдельный пакет).

Илл. 5.44. Реконфигурируемый конвейер сопоставления действий для обеспечения программируемой плоскости данных

Модель RMT также