Исследование архитектур управляемых устройств сетей SDN

Сегодня Россия стоит перед исторической необходимостью перехода от индустриального общества на принципиально новый уровень общественного и экономического развития, определяемого жесткими требованиями современной научно-технической революции. Речь идет о формировании информационного общества.
Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам коммуникации и вычислительным сетям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а так же самые прогрессивные информационные технологии. С внедрением компьютеров решение задач информатизации общества поставлено на реальную основу. Кроме того, потребовался новый подход к организации систем обмена данными и общения пользователей. Одной из прогрессивных технологий стало применение сервисов Интернет, позволяющее организовать связь территориальной удаленных друг от друга участников.
Стоит отметить, однако, что архитектура сети Интернет в современных условиях глобальной информатизации не всегда способна эффективно и адекватно реагировать на новые потребности. Рост числа разнообразных устройств для доступа к сети (в первую очередь мобильных устройств), стремительное развитие беспроводных технологий связи стали основной причиной быстрого роста числа пользователей сети. Объем трафика растет в геометрической прогрессии, становится все более разнообразными виды трафика. По прогнозам специалистов компании Cisco в предстоящие 5 лет объем трафика должен увеличиться в 4 раза.
Таким образом, на передний план выходят проблемы модернизации существующих сетей, одним из решения которых может стать использование технологий программно-конфигурируемых сетей. Это позволит решить обозначенные выше проблемы, связанные со стремительным ростом трафика и числа подключаемых к Интернет устройств.
Тема дипломного исследования актуальна, так как всесторонний анализ архитектуры управляемых устройств сетей SDN может стать основой проекта программно-конфигурируемой сети.
Цель исследования – проведение анализа архитектуры управляемых устройств сетей SDN.
Для достижения цели необходимо решения следующих задач:
провести обзор литературы и Интернет-источников по вопросам построения программно-конфигурируемых сетей;
определить этапы становления и развития программно-конфигурируемых сетей;
изучить архитектуру программно-конфигурируемых сетей;
рассмотреть представленные на рынке телекоммуникационных услуг решения SDN;
провести симуляцию сети SDN.
Объект исследования – программно-конфигурируемые сети.
Предмет исследования – управляемые устройства сетей SDN.
Методы исследования - теоретический анализ; изучение и обобщение; синтез.
Так как свое развитие сети SDN получили не так давно (2007 год), то и в литературе вопросам их применения уделено не так много внимания. Информационной основой настоящего исследования стали научные статьи авторов Бикмухамедова Р.Ф., Ефимушкина В.А., Коридзе А.Н. и др.
Бикмухамедов Р.Ф. раскрывает вопросы реализации беспроводной сети SDN на базе протокола OpenFlow с использованием существующего оборудования и применением виртуальных машин. В работе представлены этапы проектирования и реализации сети, в «которой можно задавать поддержку различного функционала на оборудовании разных вендоров, программируя лишь контроллер, код которого является открытым» [3].
Реализации программно-конфигурируемой сети посвящена и работа А.Н. Коридзе, который на примере сети вуза демонстрирует возможности использования технологии SDN совместно с NVF.
Коломеец А.Е. рассматривает построение программно-конфигурируемых сетей как «ответ на кризис компьютерных сетей» [8]. Автор определяет круг причин возникновения сетей SDN, рассматривает их архитектуру и стандарт OpenFlow, выделяет достоинства рассматриваемых технологий.
Обзору решений SDN уделяет внимание Ефимушкин В.А.. Он проводит обзор участников рынка SDN и классифицирует предлагаемые решения (аппаратные устройства, контроллеры, сетевые приложения, интеграционные решения).
В контексте исследования архитектуры контроллера особый интерес вызывает статья Галич С.В., который исследует возможности OpenDaylight – «программного обеспечения на основе виртуальной машины Java» [5].
Анализ литературы показал, что на современном этапе вопросам реализации программно-конфигурируемых сетей уделено недостаточно внимания. Так, исследованию архитектур управляемых устройств сетей SDN присуща научная новизна, что еще раз актуализирует тему дипломной работы.
Теоретическая значимость настоящего исследования состоит в наличии анализа возможностей реализации программно-конфигурируемых сетей, их особенностей, архитектуры.
Практическое применение результаты исследования могут найти при реализации сетей SDN как методическое сопровождение данного процесса.
Дипломная работа состоит из введения, двух глав, заключения.
Во введении определены цель, задачи, объект и предмет исследования, обоснована актуальность.
Первая глава (теоретическая) содержит описание особенностей реализации программно-конфигурируемых сетей. Представлено описание этапов становления и развития сетей SDN, определена их архитектура. Особое внимание уделено протоколу OpenFlow.
Во второй главе (практической) представлен обзор современных решений SDN. Проведено исследование архитектуры контроллера Open Daylight.
Заключение посвящено выводам исследования.

Введение 7
1 Теоретические аспекты функционирования SDN-сетей 11
1.1 Становление и перспективы развития программно-конфигурируемых сетей 11
1.2 Архитектура SDN сетей 22
1.3 Выводы по первой главе 29
2 Практический анализ архитектур управляемых устройств сетей SDN 31
2.1 Обзор решений SDN 31
2.2 Практическая реализация программно-конфигурируемых сетей 44
2.3 Выводы по второй главе 55
Заключение 56
Список использованных источников и литературы 58

В современном мире бизнес в сфере информационных технологий предъявляет все большие требования к гибкости и масштабируемости компьютерных сетей. К особенностям развития корпоративных сетей в настоящее время можно отнести стремительный рост объемов трафика и изменение его структуры передачи унифицированных коммуникаций. Кроме того, растет число пользователей мобильных устройств. Отметим и широкое распространение процессов виртуализации центров обработки данных. Традиционные подходы к построению сетей уже не способны решать обозначенные проблемы. Их возможности уже не соответствуют требованиям крупного бизнеса и сервису провайдеров. Таким образом, остро стоит вопрос о внедрении новых технологий, к числу которых относится технология программно-конфигурируемых сетей.
Настоящее исследование охватило круг вопросов, связанных с архитектурой управляемых устройств сетей SDN. Был проведен обзор литературы и Интернет-источников, который позволил сформулировать ряд положений. Так, являясь инновационной технологией, SDN все же имеет довольно давнюю по меркам развития информационных технологий предысторию. В 90- е годы прошлого века были организованы поиски решений модернизации существующих сетей. Одним из решений стали активные сети. В начале века были попытки разделения плоскости управления. И, наконец, в 2007 году ученые из Стэндфордского университета предложили технологию программно-конфигурируемых сетей, особенность которых состоит в разделении уровней управления и передачи данных.
Стоит отметить, что в работе представлен так же обзор возможностей применения технологии SDN, основанный на примерах ее реализации в облачных центрах обработки данных и облачных коммуникациях. Данный аспект еще раз подтверждает глобальные перспективы развития программно-конфигурируемых сетей и актуальность исследования управляемых устрйств.
Еще одним направлением теоретического исследования стало изучение архитектуры сетей SDN, разделяемой на несколько уровней - уровень передачи данных; уровень управления; уровень приложений. Было определено, что стандартом рассматриваемой технологии является протокол OpenFlow, который предоставляет доступ и связь между уровнями управления и инфраструктуры архитектуры программно-конфигурируемых сетей. Теоретический анализ завершается выделением главных преимуществ сетей SDN, которые заключаются в снижении стоимости построения сети, гибкой интеграции, удобстве администрирования и т.д.
Практическая часть дипломной работы направлена на обзор решений SDN и практической реализации небольшой программно-конфигурируемой сети. В работе представлены результаты анализа предложений рынка телекоммуникационных услуг для построения сети SDN – аппаратные устройства, контроллеры, сетевые приложения, интеграционные решения. Особое внимание уделено программному обеспечению (контроллерам). Так, в представлено описание ряда решений – NOX, Beacon, SNAC, Maestro, Trema, а так же российской разработки RUNOS.
Следует отметить, что исследование включило описание предложений центра прикладных исследований компьютерных сетей по реализации программно-конфигурируемых сетей.
Завершается исследование реализацией процесса эмуляции программно-конфигурируемой сети и описанием его этапов.
Таким образом, в рамках настоящего исследования проведен обзор литературы и Интернет-источников по вопросам построения программно-конфигурируемых сетей; определены этапы развития сетей SDN; представлено описание их архитектуры; рассмотрены возможные решения сетей SDN и выявлены их особенности; организована симуляция сети SDN, что свидетельствует о достижении цели и решении задач, поставленных во введении.

1. Указ Президента Российской Федерации от 07.07.2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации»
2. Thomas D. Nadeau, Ken Gray SDN: Software Defined Networks, O’Reilly, 2013. pp 10-25.
3. Бикмухамедов Р.Ф. Реализация беспроводной сети SDN на базе протокола OPENFLOW/ Р.Ф. Бикмухамедов// Материалы международной молодежной научной конференции «XXII Туполевские чтения (школа молодых ученых)». – 2015. – С.510-512.
4. Власов Д.В. Разработка интерфейса взаимодействия с контроллером программно-конфигурируемых сетей/ Д.В. Власов и др.// Современные проблемы науки и образования. - №3. – 2013. – С.83.
5. Галич С.В. Обзор архитектуры SDN-контроллера OpenDaylight/ С.В. Галич, О.Е. Сафонова, И.К. Сердюкова// Сборник докладов и тезисов VI Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы передачи информации в инфокоммуникационных системах». – 2015. – С.18-25.
6. Ефимушкин В.А. Анализ характеристик функционирования коммутатора программно-конфигурируемой сети/ В.А. Ефимушкин, Д.Н. Языков// XII всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. – С.8536-8545.
7. Ефимушкин В.А. Обзор решений SDN/NVF зарубежных производителей/ В.А. Ефимушкин, Т.В. Ледовских и др.// T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - №8. – 2015. – С.5-13.
8. Коломеец А.Е. Программно-конфигурируемые сети на базе протокола OpenFlow/ А.Е. Коломеец, Л.В. Сурков// Инженерный вестник. - №5. – 2014. – С. 2-4.
9. Коридзе А.Н. Как реализовать программно-конфигурируемую сеть в лабораторных условиях вуза/ А.Н. Коридзе, С.В. Тимченко, В.П. Шувалов// Перспективы науки. - №11. – 2015. – С.152-154.
10. Максимов, Н. В. Компьютерные сети / Н.В. Максимов, И.И. Попов. - М.: Инфра-М, 2010. - 448 с.
11. Олифер, В.Г., Олифер, Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. — СПб. : Питер, 2008. — 958 с.
12. Смелянский Р.Л. Программирование уровня передачи данных в ПКС (SDN)/ Р.Л. Смелянский, А.В. Шалимов, Е.В. Чемерицкий// Журнал Connect. - №4. – 2014. – С.32-38.
13. Смелянский Р.Л. Создание прототипа отечественной ПКС платформы управления сетевыми ресурсами и потоками с помощью сетевой операционной системы (СОС) на основе анализа и оценки существующих сетевых операционных систем для ПКС сетей м выбора одной из них для последующего развития по критериям производительности, масштабируемости, надежности, безопасности: отчет о научно-исследовательской работе/ рук. Р.Л. Смелянский. – М.: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», 2013. – 252с.
14. Таненбаум, Э. Компьютерные сети. 5-е изд. / Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл. – СПб.: Питер, 2012. – 960с.
15. Фомин, Д.В. Компьютерные сети: учебно-методическое пособие по выполнению расчетно-графической работы / Фомин Д.В. – М.: Директ-Медиа, 2015. – 66с.
16. JSC RPE «Polygon» 2015, «Rostelecom adopts Polygon products» [Электронный ресурс]. - viewed 7 April 2015. –Режим доступа: http://plgn.ru/about/news/2567.
17. OpenFlow Tutorial [Электронный ресурс] //OpenFlow.2013. – Режим доступа: //http://archive.openflow.org/wk/index.php/ OpenFlow_Tutorial
18. SDxCentral [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.sdxcentral.com/reports/sdn-market-size-infographic-2013/
19. Ермолаева А.Б. Программно-конфигурируемые сети и их развитие [Электронный ресурс]/ А.Б. Ермолаева, Н.В. Ромашова// Сайт ИТМиВТ. – Режим доступа: http://www.ipmce.ru/about/press/popular/pks/
20. Каленик С. Сколько стоит SDN? [Электронный ресурс]/ С. Каленик. – Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/148745/
21. Коржов В. Разумные сети [Электронный ресурс]/ В. Коржов// Электронный журнал «Открытые системы». – Режим доступа: http://www.osp.ru/os/1997/05/179247/
22. Первый отечественный SDN-контроллер обработает 30 миллионов потоков в секунду [Электронный ресурс]/ Роснаука. – Режим доступа: http://rosnauka.ru/news/985
23. Робачевский А. Программируемый Интернет [Электронный ресурс]/ А. Робачевский. – Режим доступа: http://www.ripn.net/articles/SDN/
24. Центр прикладных исследований компьютерных сетей (ЦПИКС) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://arccn.ru/
25. Черняк Л. SDN – От замысла до рынка [Электронный ресурс]/ Л. Черняк// Электронный журнал «Открытые системы». – Режим доступа: http://www.osp.ru/os/2012/09/13032494/