Научно-технический семинар 21 ноября, доклад Руслана Смелянского

1. Software Defined Network:
возможности и реалии
д.ф-м.н, профессор Р.Л. Смелянский
Центр прикладных исследований компьютерных сетей

2. Содержание
1
Проблемы современных сетей
2
Что такое Программно-Конфигурируемые Сети
3
Что такое Виртуализация Сетевых Сервисов
4
5
Взаимосвязь ПКС и ВСС
Примеры

3. Если в 80-е годы
главным было
качество,
а в 90-е реинжиниринг, то
в 2000-е главное
- СКОРОСТЬ
B I L L G AT E S I N B U S I N E S S @ T H E S P E E D O F T H O U G H T
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
3

4. Сеть как платформа сервисов
Transrate
Ad Insertion
Transcode
Encrypt
Protect
Multicas
t
Enhance
Stream
QoS
Translate Compress
Сеть как платформа
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
4

5. Тенденции и требования рынка
Ключевые тенденции





Изменение модели вычислений (outsourcing &
robosourcing);
Global IP Traffic By Type
59.354
60
Fixed Internet
Быстрый рост траффика: к 2016 году объем трафика
возрастет в 6 раз
50
40
46.29
Managed IP
27.434
30
Изменение структуры траффика: к 2016 г. 90 % видеотрафик;
Взрывной рост мобильности;
35.879
Mobile data
20.65
20
10
14.955
4.989
0.237
9.014
6.839
0.546
1.163
11.352
2.198
13.189
14.848
6.254
3.806
0
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Несоответствие темпов роста трафика и темпов роста
доходов операторов
Необходимо сокращать стоимость передачи трафика!
К 2003 г. в Интернет было
сгенерировано 5 экзабайт. Сегодня
такой объем – за 2-3 дня
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
Эрик Шмит, Google
5

6. Чудовищный рост сложности
Число ежегодно публикуемых RFC
Сложность из-за дополнительных функциональностей таких как поддержка
мобильности,VPN, туннелирование, управление сетями и т.д.
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
6

7. Сеть оператора сегодня
CPE
BRAS
DSLAM
Standard High Volume
DPI
Firewall Servers/Storage/Switches
Access
Carrier Grade
NAT
Monitor
CDN
Edge
Core
WAN Accelerator
DSLAM
21.11.2013
© ON.LAB
IMS, VoLTE, CSCF
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
7

8. Рост числа middleboxes
Подавляющее число этих сервисов (IMS, VoLTE, DPI, CPE, CSCF etc.) реализовано в виде, так
называемых, middleboxes (функция и железо едины!)
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
8

9. Что такое ПКС
 Упрощение сетевого оборудования
 Упрощение проблемы сходимости
протоколов маршрутизации
Открытый интерфейс
для приложений
Мониторинг и построение
топологии/карты сети
Сетевая операционная система
Аппаратный коммутатор/
Расчет маршрута
по запросу
Управление
маршрутизатор
 Реальное управление качеством
передачи данных
Данные
 Повышение эффективности
распределения ресурсов и
размещения сервисов в сети
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
9

10. Техники SDN
• Реализация SDN на базе специальных
коммутаторов (протоколы
Openflow, XMPP и пр.)
• Реализация SDN на базе виртуальных
коммутаторов по технологии Overlay
(протоколы VXLAN, NVGRE и пр.)
• SDN на базе серверов агрегации
трафика
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
10

11. ПКС эволюция
RIP
VLAN
OSP OSPF F
IIS-IS
Classic router
ACL
……
21.11.2013
MPLS
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
11

12. ПКС эволюция
RIP
VLAN
…
21.11.2013
OSPF
Classic
router
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
IS-IS
ACL
MPLS
12

13. ПКС эволюция
RIP
VLAN
OSPF
Classic router
IS-IS
ACL
…
21.11.2013
MPLS
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
13

14. ПКС эволюция
Flow Table
VLAN
TCAM
Controller
Switch
RIP
OSPF
IS-IS
ACL
MPLS
…
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
14

15. ПКС эволюция
Flow Table
MAC
src
MAC
dst
TCAM
*
*
IP
IP
Flow Table Dst
Src
*
Switch
*
00:1f:..
5.6.7.8
TCP
sport
*
TCP
dport
*
*
VLAN
* Controller
port 1
RIP
OSPF
Routing
Rule examples
*
Action
*
port 5
IS-IS
ACL
Switching
*
*
*
*
*
22
drop
MPLS
Firewall
…
00:20.. 00:1f:.. 1.2.3.4 5.6.7.8
20
666
port 7
Flow Switching
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
15

16. ПКС эволюция
Flow Table
MAC
src
MAC
dst
TCAM
*
*
IP
IP
Flow Table Dst
Src
*
Switch
5.6.7.8
TCP
sport
*
TCP
dport
Action
* Controller
port 1
*
00:1f:..
*
*
*
*
port 5
*
*
*
*
*
22
drop
21.11.2013
20
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
RIP
OSPF
Routing
Rule examples
00:20.. 00:1f:.. 1.2.3.4 5.6.7.8
VLAN
666
IS-IS
Switching
ACL
MPLS
Firewall
port 7
…
Flow Switching
16

17. Flow Table
TCAM
Network operating system
ПКС эволюция
Controller
Switch
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
APP
VLAN
APP
RIP
APP
OSPF
APP
IS-IS
APP
ACL
APP
MPLS
APP
…
17

18. ПКС эволюция
Network operating system
Switch
Controller
Switch
APP
VLAN
APP
RIP
APP
OSPF
APP
IS-IS
APP
ACL
APP
MPLS
APP
…
Switch
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
18

19. SDN in Overlays VS SDN in OpenFlow
SDN in OpenFlow:
SDN in overlays:
виртуализация адресов и
топологии
независимость от организации
физической сети (любая IP сеть)
накладные расходы на процесс
инкапсуляции
скорость работы (отсутствие
накладных расходов на инкапсуляцию и
работы программных коммутаторов)
учет качества доступа к сети.
не проработанность подходов
виртуализации
невозможность учитывать
качество доступа к сети
сложность контроля и отладки
инкапсулированного трафика
специальное оборудование
ограничение конфигурации сети
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
19

20. OpenFlow switch
Архитектура OpenFlow NoviSwitch™ 1248
• Features the NoviWare 250 OpenFlow V1.3
switching software implementing all OF 1.3
actions, instructions and matching fields
• 200 Gbps throughput powered by two EZchip NP4 NPUs
• 48 data plane ports
•
•
20 cages for SFP+/SFP transceivers providing
10GE/1GE connectivity
24 cages fro SFP transceivers providing 1GE
connectivity
• Dedicated Ethernet ports for management and
connection to OpenFlow Controller
• Eight core 1.5 GHz PPC host processor with 8GB
of DDR3 memory
• Optimized TCAM memory supports 125K to 1
OpenFlow v1.3 switch that offer up to 200 gigabits Million entries in flow table
• Up to 1000 flow-mods/second
per sec of genuine wire-speed performance, 1
• Initial configuration loading via XML
million flow entries and over 500 flowmods/sec.
• Dynamic configuration and reporting via CLI
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
20

21. ПКС эволюция
App
App
Контроллер
App
App
App
Контроллер
Slice2
App
Контроллер
Slice3
Slice1
Слой виртуализации
ПКС устройство
коммутации пакетов
ПКС устройство
коммутации пакетов
ПКС устройство
коммутации пакетов
Простое устройство
коммутации пакетов
Простое устройство
коммутации пакетов
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
21

22. Проект В4 Google
Проект B4 WAN призван
исследовать:
•
Подходы к обеспечению
надежности и
эффективной
производительности
•
Гибкий инжениринг
трафика по сетевым
приложениям
•
Возможность
уменьшения накладных
расходов для
обеспечение надежности
(эффективная
утилизация канала
связи).
21.11.2013
Категории приложений:
1)
Копирование данных пользователя (например, почта, документы, аудио/видео файлы)
2)
Удаленный доступ к хранилищам
3)
Крупномасштабная синхронизация состояния данных между несколькими ЦОД
Эти три класса трафика отсортированы по возрастанию объема, по убыванию
чувствительности к задержкам, и по убыванию общих приоритетов.
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
22

23. Виртуальные Сетевые Сервисы (NFV)
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
23

24. 21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
24

25. Virtual Network Function as a Service
(VNFaaS)
Enterprise network functions include:
1) AR - Enterprise Access Router /
Enterprise CPE
2) PE - Provider Edge Router
3) FW - Enterprise Firewall
4) NG-FW - Enterprise NG-FW
5) WOC - Enterprise WAN
optimization Controller
6) DPI - Deep Packet Inspection
(Appliance or a function)
7) IPS - Intrusion Prevention System
and other Security appliances
8) Network Performance Monitoring
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
25

26. Virtual Network Function as a Service
(VNFaaS)
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
26

27. Intel DPDK
DPDK = Data Plane Development Kit
http://intel.com/go/dpdk/
•
•
•
•
•
•
•
•
Intel DPDK – это набор библиотек и драйверов
для быстрой обработки пакетов на платформах
Intel.
Использование больших виртуальных страниц
(huge pages 2mb/1gb).
Размещение объектов равномерно по всем
каналам оперативной памяти.
Адресное пространство карточки доступно из
userspace.
Неблокирующие очереди для передачи пакетов.
Нет прерываний в драйверах DPDK – активный
цикл.
Активное использование SSE инструкций для
обработки пакетов.
Выделение целых ядер процессоров под задачи.
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
27

28. Open vSwitch ускоренный с DPDK
• Open vSwitch - это виртуальный программный
коммутатор, который обеспечивает соединение между
виртуальными машинами и физическими интерфейсами.
– VLAN, SPAN, RSPAN, GRE, sFlow, Netflow, OpenFlow 1.1.
Open vSwitch
Open vSwitch + DPDK
PHY-to-PHY
1.1 Mpps
10 Mpps
VM-to-PHY
0.3 Mpps
4 Mpps
VM-to-VM
0.3 Mpps
2 Mpps
* на 10 Gb канале
** на udp пакетах, 64 байта (самый сложный сценарий)
*** теоретический максимум 15 Mpps
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
28

29. Сеть оператора с NFV
CPE
Standard High Volume
DPI
CG-NAT
DPI Servers/Storage/Switches
BRAS
Network Function-VMs
BRAS DPI Firewall
Access
BRAS
BRAS
CG-NAT
CPE-Func
CPE-Func
CPE-Func
CPE-Func
WAN-Accl
CDN
CDN
CDN
WAN-Accl
CDN
Monitor
DSLAM
Carrier Grade
NAT
CPE-Func
Core
BRAS
CPE-Func
DPI
WAN Accelerator
Monitor
Monitor
DSLAM
CPE-Func
21.11.2013
© ON.LAB
CG-NAT
CPE-Func
CPE-Func
WAN-Accl
WAN-Accl
CDN
CDN
CDN
BRAS
BRAS
CPE-Func
OLT
Edge
BRAS
CPE-Func
Monitor
CDN
CG-NAT
CPE-Func
Monitor
DPI
CDN
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
29

30. NFV с плоскостью управления SDN
BRAS
BRAS
WAN-Accel
CPD
VM + Network Orchestration
Load
Balancer
VM Mgmt
NF-VM
SDN Controller
NF-VM
NF-VM
CG-NAT
NF-VM
NF-VM
Firewall
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
NF-VM
Core
Edge
Access
21.11.2013
© ON.LAB
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
30

31. CDN как NFV
Region
Consumer
Consumers
S1
Data origin
CDN
Consumers
Statistics
S1
NFV
regional
farm
21.11.2013
Controller
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
31

32. CDN как NFV
Region
Consumer
Consumers
S1
Data origin
Consumers
S1
CDN
Update
CDN
CDN
NFV
regional
farm
Controller
CDN orcestrator
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
32

33. Конвейеризация NFV
Consumer
CDN
Message
Router
Firewall
Data origin
vRGW
DPI
BRAS
vSTB
NAT
SIP
RAN Control
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
33

34. Конвейеризация ВСС
NFV
enabled
network
Consumer
Suspicious
traffic
Data origin
DPI
DPI
DPI
NFV
regional
farm
REST
API
21.11.2013
Network Controller
DPI orcestrator
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
34

35. Конвейеризация NFV
NFV
enabled
network
Consumer
Suspicious
traffic
Packet mirroring
Data origin
DPI
DPI
DPI
NFV
regional
farm
REST
API
21.11.2013
Network Controller
DPI orchestrator
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
35

36. Конвейеризация NFV
NFV
enabled
network
Consumer
Malware
traffic
Action
Packet mirroring
Data origin
DPI
DPI
DPI
NFV
regional
farm
REST
API
21.11.2013
Network Controller
DPI orcestrator
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
36

37. Архитектура NFVплатформы
ВСС pool
Firewall, Encryption, DPI,…
VM
VM
VM
VM
Virtual Switch
High performance
datapath
OS/Linux Kernel
Hardware
• Высокие требования к производительности на всех уровнях
• Легковесное виртуальное окружение
• Высокопроизводительный и настраиваемый виртуальный
коммутатор
• Высокоскоростной сетевой стек ОС
• Специализированное аппаратное обеспечение (например, сетевые
адаптеры)
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
377

38. Заключение
!
ПКС дает существенные преимущества в управлении и виртуализации ресурсов сети и
качестве сетевых сервисов
!
NFV позволяет устанавливать сервис там, тогда и в том количестве, которое
востребовано сейчас и в данном месте
!
ПКС позволяет сократить время между возникновением потребности в услуги до вывода
уже готового решения на рынок
21.11.2013
Смелянский Р.Л. ЦПИКС
38

39. http://arccn.ru/
+7 (495) 240 50 63
smel@arccn.ru
@ArccnNews