TỔNG QUAN VỀ SDN
Đặt vấn đề
Bộ giao thức TCP/IP, được áp dụng từ giữa những năm 80, đã trở thành tiêu chuẩn cho mạng máy tính Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là cồng kềnh và thiếu linh hoạt, vì nó phải giải quyết bài toán định tuyến trước khi thực hiện các tuyến đường đã xác định.
Trong các mạng hiện tại, chức năng điều khiển và truyền tải dữ liệu được kết hợp, dẫn đến sự phức tạp trong việc kiểm soát và điều khiển Cách tiếp cận dựa trên TCP/IP đã gây ra một số hạn chế nghiêm trọng trong việc sử dụng tài nguyên mạng.
Số lượng và tính phức tạp của các giao thức mạng hiện nay đã vượt quá 600, khiến cho việc điều khiển và truyền dữ liệu trở nên phức tạp, đòi hỏi người quản lý phải có chuyên môn cao Vấn đề bảo mật vẫn chưa có giải pháp tin cậy, và việc thay đổi thiết bị mạng tốn nhiều thời gian, chi phí và cần sự tham gia của nhà sản xuất do tính độc quyền Điều này dẫn đến việc không ai có thể đảm bảo rằng các thiết bị mạng chỉ chứa chức năng đã được mô tả, gây ra nhiều vụ bê bối nghe lén và đánh cắp dữ liệu Các thiết bị mạng hiện tại thường mang tính độc quyền và "đóng", cản trở sự đổi mới và phát triển từ phía người quản lý và cộng đồng mạng.
Mô hình mạng truyền thống không thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu hiện tại của thị trường, buộc các phòng quản trị mạng phải hạn chế tối đa mạng lưới của mình và sử dụng các công cụ điều khiển ở mức thiết bị cùng với quy trình điều khiển thủ công Ngân sách ngày càng bị cắt giảm, khiến cho việc duy trì mạng lưới trở nên khó khăn hơn Các nhà khai thác mạng cũng đang đối mặt với tình trạng tương tự, khi nhu cầu về tính di động và băng thông gia tăng, trong khi lợi nhuận giảm do chi phí thiết bị và thu nhập giảm sút Cấu trúc mạng hiện tại không được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của người dùng hiện đại, doanh nghiệp và nhà khai thác mạng Chúng ta sẽ xem xét một số hạn chế của mạng hiện tại.
Tính phức tạp của các bộ giao thức mạng hiện nay dẫn đến tình trạng trì trệ trong quản lý và vận hành mạng Các giao thức này, mặc dù được phát triển để đáp ứng nhu cầu về hiệu suất và độ tin cậy, lại được thiết kế một cách cô lập, mỗi giao thức giải quyết một vấn đề cụ thể Điều này khiến cho việc thêm hoặc di chuyển thiết bị trở nên phức tạp, yêu cầu quản trị viên can thiệp vào nhiều thiết bị khác nhau và cập nhật nhiều thông số như ACL, VLANs, và QoS Hệ quả là mạng hiện tại trở nên "tĩnh", không thể thích ứng linh hoạt với sự thay đổi nhanh chóng của môi trường server, nơi mà ảo hóa làm tăng số lượng host và thay đổi cách thức trao đổi dữ liệu Trong khi đó, các ứng dụng ngày nay được phân bố trên nhiều máy ảo và yêu cầu một mạng hội tụ IP để truyền tải dữ liệu, thoại và video Tuy nhiên, mạng hiện tại chỉ hỗ trợ QoS một cách thủ công, khiến cho việc điều chỉnh băng thông và các tham số khác trở nên khó khăn, không thể đáp ứng kịp thời với lưu lượng traffic luôn thay đổi của người dùng.
Các chính sách không đồng nhất trong quản lý mạng đòi hỏi người quản trị phải cấu hình hàng ngàn thiết bị, dẫn đến việc tốn nhiều thời gian cho việc thiết lập lại các danh sách ACL mỗi khi có máy ảo mới Sự phức tạp của mạng hiện tại khiến cho việc áp dụng các quy tắc bảo mật, QoS và các chính sách người dùng khác trở nên khó khăn, gây khó khăn cho các nhà quản trị trong việc duy trì một hệ thống đồng nhất và hiệu quả.
Trong bối cảnh nhu cầu tăng nhanh đối với các Data Center, việc mở rộng mạng trở nên khó khăn do sự phức tạp với hàng trăm, hàng ngàn thiết bị cần cấu hình và điều khiển Các nhà quản trị thường dựa vào dự báo traffic để mở rộng mạng, nhưng trong các Trung tâm dữ liệu ảo hóa hiện nay, traffic là yếu tố "động" khó có thể dự đoán Những gã khổng lồ như Google, Yahoo và Facebook đã đối mặt với thách thức trong việc mở rộng mạng, buộc họ phải áp dụng các thuật toán xử lý song song quy mô lớn Khi quy mô ứng dụng cho từng người dùng gia tăng, số lượng phần tử cần tính toán cũng tăng lên, dẫn đến việc dữ liệu trao đổi giữa các node có thể đạt đến mức Petabyte Để duy trì hiệu suất cao và chi phí kết nối thấp giữa hàng ngàn thiết bị, các công ty này không thể thực hiện cấu hình thủ công Hơn nữa, tính đa nhiệm làm phức tạp thêm bài toán khi mạng cần phục vụ nhiều nhóm người dùng với các ứng dụng và nhu cầu hiệu suất khác nhau, khiến các nhà khai thác lớn gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu hiện tại.
Các nhà mạng và công ty đang nỗ lực áp dụng các dịch vụ và khả năng mới để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người dùng, nhưng khả năng này lại phụ thuộc vào chu kỳ cập nhật firmware của nhà sản xuất, điều này trở thành một yếu tố quan trọng trong việc đáp ứng nhanh chóng các nhu cầu thay đổi liên tục.
Chu kỳ của mạng có thể kéo dài tới 3 năm hoặc hơn, trong khi thiếu chuẩn hóa và giao diện mở hạn chế khả năng điều chỉnh của các nhà mạng Sự không tương ứng giữa nhu cầu thị trường và khả năng của mạng dẫn đến "điểm gãy khúc" Để khắc phục vấn đề này, mạng điều khiển bởi phần mềm SDN (Software-Defined Networking) đã được phát triển.
Khái niệm và cấu trúc mạng SDN
Trước khi tìm hiểu về khái niệm SDN, hãy xem xét giả thuyết rằng việc tách rời phần điều khiển khỏi thiết bị mạng có thể nâng cao khả năng xử lý của thiết bị Liệu điều này có thể dẫn đến việc tạo ra một mạng thông minh và linh hoạt hơn hay không?
Mạng SDN (Software-Defined Networking) được phát triển dựa trên giả thiết rằng nhiệm vụ điều khiển mạng có thể được xử lý bởi các bộ điều khiển, cho phép thao tác trực tiếp lên phần cứng, bộ nhớ và chức năng của thiết bị router và switch Điều này mang lại sự linh hoạt, hiệu suất cao hơn và khả năng quản lý dễ dàng hơn cho mạng Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần phân tích sự khác biệt giữa chức năng của thiết bị trong mạng truyền thống và mạng SDN.
Hình 1.1: So sánh kiến trúc mạng truyền thống và SDN
Mạng truyền thống, như được mô tả trong Hình 1.1 (a), là một hệ thống đơn giản trong đó các thiết bị định tuyến và chuyển mạch trao đổi thông tin với nhau, với quá trình tính toán và xử lý diễn ra tại mỗi node mạng Chức năng chính của các thiết bị này là vận chuyển dữ liệu, tuy nhiên, chúng không hoàn toàn tập trung vào chức năng đó Ngược lại, mạng SDN mang đến một cách tiếp cận khác biệt, tập trung hơn vào việc tối ưu hóa chức năng vận chuyển dữ liệu.
Hình 1.1 (b) minh họa một sơ đồ mạng đơn giản với bộ điều khiển SDN, cho thấy quá trình thu thập thông tin từ các thiết bị mạng được chuyển đến bộ điều khiển Các thiết bị router/switch chỉ tập trung vào chức năng vận chuyển dữ liệu, giúp đơn giản hóa quản lý mạng và nâng cao hiệu suất làm việc của phần cứng.
Từ sự so sánh trên ta rút ra được một số điểm khác nhau giữa 2 mạng đó là:
Phần điều khiển và phần vận chuyển dữ liệu:
- Mạng truyền thống: Đều được tích hợp trong thiết bị mạng
- Mạng SDN: Phần điều khiển được tách riêng khỏi thiết bị mạng và được chuyển đến một thiết bị được gọi là bộ điều khiển SDN
Phần thu thập và xử lý các thông tin:
- Mạng truyền thống: Được thực hiện ở tất cả các phần tử trong mạng
- Mạng SDN: Được tập trung xử lý ở bộ điều khiển SDN
Khả năng lập trình bởi các ứng dụng:
- Mạng truyền thống: mạng không thể được lập trình bởi các ứng dụng Các thiết bị mạng phải được cấu hình một cách riêng lẽ và thủ công
- Mạng SDN: Mạng có thể lập trình bởi các ứng dụng, bộ điều khiển SDN có, thể tương tác đến tất cả các thiết bị trong mạng
Mạng SDN (Software Defined Network) được định nghĩa bởi ONF (Open Networking Foundation) là một kiến trúc mạng mới, linh hoạt và dễ quản lý, giúp giảm chi phí và thích ứng với nhu cầu mạng ngày càng tăng Kiến trúc này tách biệt phần điều khiển mạng (Control Plane) và chức năng vận chuyển dữ liệu (Forwarding Plane), cho phép điều khiển mạng trở nên lập trình được và độc lập với các ứng dụng mạng Phần điều khiển được tập trung tại bộ điều khiển SDN, cho phép các thiết bị phần cứng chỉ cần vận chuyển dữ liệu mà không cần hiểu các giao thức phức tạp.
Bằng cách sử dụng bộ điều khiển SDN, các nhà khai thác và quản trị mạng có thể lập trình cấu hình một cách hiệu quả, thay vì thực hiện hàng ngàn lệnh thủ công trên từng thiết bị Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn cho phép triển khai nhanh chóng các ứng dụng mới và dịch vụ mạng.
1.2.2 C ấ u trúc c ủ a m ạ ng SDN Để có cái nhìn tổng quan hơn ta xem xét đến kiến trúc của SDN Kiến trúc này tách biệt hai cơ chế đang tồn tại trong kiến trúc mạng hiện tại là cơ chế điều khiển và cơ chế chuyển tiếp Các đặc tính trong kiến trúc SDN:
- Khả năng lập trình trực tiếp: Việc điều khiển mạng được lập trình trực tiếp bởi nó đã được tách biệt với các chức năng chuyển tiếp
Việc tách biệt chức năng điều khiển và chuyển tiếp giúp các nhà quản trị mạng linh hoạt điều chỉnh luồng lưu lượng mạng khi cần thiết, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và đáp ứng nhanh chóng với các yêu cầu thay đổi.
Quản lý tập trung thông qua bộ điều khiển SDN cho phép chúng ta có cái nhìn tổng quan về mạng, giúp tối ưu hóa việc điều khiển và quản lý hệ thống mạng hiệu quả hơn.
SDN cho phép quản trị viên mạng dễ dàng cấu hình, quản lý và thiết lập bảo mật, đồng thời tối ưu hóa tài nguyên mạng một cách nhanh chóng Nhờ vào các chương trình hỗ trợ tự động hóa, việc lập trình SDN trở nên đơn giản và không còn phụ thuộc vào phần mềm truyền thống.
- Cung cấp các tiêu chuẩn mở: Khi triển khai thông qua các tiêu chuân mở,
SDN đã cách mạng hóa thiết kế và vận hành mạng bằng cách sử dụng các chỉ dẫn từ bộ điều khiển SDN, thay vì phụ thuộc vào giao thức hay thiết bị chuyên biệt từ các nhà cung cấp.
Kiến trúc của SDN bao gồm ba lớp riêng biệt: lớp ứng dụng, lớp điều khiển, và lớp cơ sở hạ tầng (lớp chuyển tiếp) Mô hình kiến trúc mạng SDN được minh họa trong hình 1.2.
Hình 1.2: Kiến trúc của mạng SDN
Lớp ứng dụng (Application Plane) bao gồm các ứng dụng triển khai trên mạng, kết nối với lớp điều khiển thông qua API (Giao diện lập trình ứng dụng) Điều này cho phép lớp ứng dụng lập trình lại mạng, điều chỉnh các tham số như độ trễ, băng thông và định tuyến, thông qua lớp điều khiển lập trình Nhờ đó, hệ thống mạng có thể tối ưu hóa hoạt động theo các yêu cầu cụ thể.
Lớp điều khiển (Control Plane) là trung tâm điều phối của mạng SDN, nơi các bộ điều khiển thực hiện cấu hình mạng dựa trên yêu cầu từ lớp ứng dụng và khả năng của mạng Những bộ điều khiển này có thể được triển khai dưới dạng phần mềm lập trình trực tiếp, giúp tối ưu hóa quản lý và vận hành mạng.
Các bộ điều khiển SDN có vai trò quan trọng trong việc xác định và quản lý các luồng dữ liệu qua lớp dữ liệu, yêu cầu sự cho phép trước khi cho phép dữ liệu đi qua mạng Khi được phê duyệt, bộ điều khiển sẽ tính toán và chọn đường đi tối ưu cho các luồng dữ liệu Bộ điều khiển hoạt động như một ứng dụng quản lý lưu lượng trong môi trường mạng, sử dụng các giao thức như OpenFlow, ONOS, ForCES, PCEP, NETCONF, và SNMP để truyền thông tin điều khiển đến hạ tầng mạng Hiện nay, hầu hết các bộ điều khiển SDN đều dựa vào giao thức OpenFlow, sẽ được đề cập chi tiết trong chương tiếp theo.
Ưu nhược điểm của SDN so với mạng IP
Mạng SDN có nhiều ưu điểm nổi bật so với mạng truyền thống, bao gồm khả năng quản lý dễ dàng hơn cho người quản trị, giảm chi phí và độ phức tạp Những lợi ích này khiến mạng SDN trở thành lựa chọn phù hợp hơn cho nhiều tổ chức.
Quản lý mạng trở nên tập trung và đơn giản nhờ vào công nghệ SDN, cho phép người quản trị kiểm soát hệ thống một cách hiệu quả mà không cần truy cập trực tiếp vào phần cứng Thay vào đó, họ có thể sử dụng các API đã được cung cấp để phát triển ứng dụng cho toàn bộ mạng.
SDN mang lại khả năng truyền tải nhanh chóng và linh hoạt thông qua cơ chế điều khiển duy nhất cho cơ sở hạ tầng mạng, giúp giảm bớt sự phức tạp trong các quy trình xử lý nhờ vào tự động hóa Điều này cho phép các doanh nghiệp triển khai nhanh chóng các ứng dụng, dịch vụ và cơ sở hạ tầng mạng.
SDN cho phép linh hoạt trong việc điều chỉnh các chính sách mạng, giúp phát hiện xâm nhập, quản lý tường lửa và cân bằng hiệu quả với sự thay đổi của phần mềm.
SDN giúp giảm chi phí đầu tư (CapEx) bằng cách tối ưu hóa yêu cầu mua sắm phần cứng cho việc xây dựng dịch vụ và mạng Công nghệ này loại bỏ lãng phí liên quan đến việc dự phòng, từ đó nâng cao hiệu quả chi phí cho doanh nghiệp.
SDN (Mạng định nghĩa phần mềm) giúp giảm chi phí vận hành (OpEx) nhờ khả năng lập trình các phần tử mạng, cho phép thiết kế, triển khai, quản lý và mở rộng mạng một cách dễ dàng Tính năng phối hợp và dự phòng tự động không chỉ rút ngắn thời gian quản lý mà còn giảm thiểu lỗi do con người, từ đó tối ưu hóa khả năng và độ tin cậy của dịch vụ.
SDN mở ra cơ hội cho các nhà cung cấp thiết bị trung gian khi tách rời phần điều khiển khỏi phần cứng Với việc điều khiển được tập trung tại bộ điều khiển SDN, các thiết bị mạng chỉ cần thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin, giúp giảm thiểu sự ảnh hưởng của sự khác biệt giữa các nhà sản xuất đến toàn bộ hệ thống mạng.
Bên cạnh những ưu điểm đã có của mình, mạng SDN vẫn tồn tại một số nhược điểm sau:
Vấn đề bảo mật trong mạng SDN rất quan trọng, vì nếu hệ thống điều khiển bị tấn công, kẻ xấu có thể truy cập và thay đổi mạng từ bất kỳ đâu và vào bất kỳ thời điểm nào Ngược lại, trong mạng truyền thống, việc truy cập vào hệ thống đòi hỏi quyền truy cập vật lý vào phần cứng thiết bị, điều này giúp tăng cường an ninh, khi mà chỉ một số ít cá nhân trong các công ty và doanh nghiệp được phép thực hiện điều đó.
SDN là một kiến trúc mạng mới, nhưng các giao thức tương tác giữa các bộ điều khiển vẫn chưa hoàn thiện, dẫn đến sự hạn chế trong phát triển mạng SDN.
Quá trình triển khai mạng SDN cần thực hiện từng bước một và không thể hoàn thiện trong thời gian ngắn Các công ty, doanh nghiệp không thể thay thế toàn bộ thiết bị hiện có bằng OpenFlow Switch một cách đồng loạt do chi phí cao.
Mạng SDN, mặc dù có những ưu nhược điểm so với mạng truyền thống, vẫn được xem là một kiến trúc mạng hiện đại và linh hoạt hơn, đáp ứng hiệu quả nhu cầu của các ứng dụng hiện nay.
Các mô hình triển khai mạng SDN
1.4.1 Switch Based Ý tưởng của mô hình dựa trên switch là các giao thức điều khiển SDN được đưa ra trực tiếp từ bộ điều khiển SDN (tại máy ảo) đến lớp điều khiển, lớp cơ sở hạ tầng/ dữ liệu với các SDN switch
Mô hình Switch Based cho phép các switch nhận diện và chuyển tiếp gói tin dựa trên các giao thức có sẵn, xử lý chúng đồng nhất Trong doanh nghiệp, switch thông minh với bảng mạch tích hợp ASIC giúp nhận biết và xử lý gói tin hiệu quả hơn, mặc dù giá thành cao hơn Trong mạng SDN, quản trị viên có thể quản lý lưu lượng dữ liệu từ thiết bị kiểm soát trung tâm mà không cần can thiệp vào từng switch, cho phép thay đổi quy tắc chuyển mạch linh hoạt, điều này rất hữu ích trong kiến trúc đám mây Kiến trúc này hỗ trợ đa kết nối qua phần cứng của nhiều nhà cung cấp khác nhau, nhưng hạn chế lớn nhất là không tận dụng hết các thiết bị mạng lớp 2 và lớp 3 của mạng truyền thống.
Mô hình Overlay Network cho phép ảo hóa các thiết bị trong mạng TCP/IP hiện có, giúp tối ưu hóa hiệu suất Trong mô hình này, các giao thức điều khiển của SDN được truyền trực tiếp từ bộ điều khiển SDN trên máy ảo đến các thiết bị chuyển mạch ảo (Hypervisor switch), từ đó kiểm soát hiệu quả các thiết bị mạng ở lớp dưới.
Hình 1.4: Mô hình Overlay Network
Mô hình sử dụng các thiết bị chuyển mạch ảo để xử lý các lệnh đến thiết bị mạng IP, với các thiết bị này là các máy ảo có nhiệm vụ giao tiếp giữa mạng IP và các ứng dụng mạng SDN Chuyển mạch ảo trong mô hình này thực hiện hai chức năng chính: vận chuyển dữ liệu ở lớp 2 thông qua mô đun Ethernet ảo (VEM) và tuân thủ các chính sách giám sát.
VEM cung cấp cấu hình mạng mạnh mẽ với hỗ trợ chuyển mạch lớp 2, bao gồm các chức năng nâng cao như cấu hình cổng, quản lý chất lượng dịch vụ, bảo mật cổng, VLAN và điều khiển truy cập Khi mất liên lạc với thiết bị chuyển mạch ảo, mô đun Ethernet ảo sử dụng chức năng Nonstop Forwarding (NSF) để tiếp tục chuyển tiếp lưu lượng dựa trên cấu hình cuối cùng Điều này đảm bảo độ tin cậy cao cho môi trường máy chủ ảo Để quản lý nhiều mô đun Ethernet ảo, Virtual Supervisor Module (VSM) được sử dụng, cho phép chạy nhiều VEM trên một máy chủ vật lý Cấu hình được thực hiện qua VSM và tự động chuyển đến các VEM, giúp quản trị viên dễ dàng cấu hình tất cả các VEM từ một giao diện duy nhất, đồng thời cung cấp chức năng cấu hình cổng qua phần mềm.
Mô hình triển khai này tận dụng cơ sở hạ tầng mạng IP hiện tại, mang lại lợi ích cho việc tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, nó cũng đặt ra thách thức cho các nhà quản trị, buộc họ phải duy trì hệ thống cũ và xử lý các vấn đề định tuyến trong mạng SDN.
Mô hình kết hợp giữa Switch Based và Overlay Network cho phép doanh nghiệp tận dụng mạng IP hiện có, đồng thời dần loại bỏ mạng lưới cũ để chuyển sang sử dụng hoàn toàn các switch SDN Điều này giúp doanh nghiệp kiểm soát tốc độ triển khai SDN và chi phí đầu tư thiết bị mạng một cách hiệu quả.
Ứng dụng của SDN
SDN mang lại nhiều lợi ích, cho phép triển khai trong các doanh nghiệp và nhà cung cấp hạ tầng viễn thông, nhằm đáp ứng yêu cầu của các nhà cung cấp trong từng phân khúc thị trường.
1.5.1.1 Áp dụng trong mạng doanh nghiệp
Mô hình SDN với khả năng tập trung, điều khiển và dự phòng tự động hỗ trợ hội tụ dữ liệu, giọng nói và video, cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi Điều này giúp các nhà quản trị mạng thực thi chính sách nhất quán trên hạ tầng không dây và có dây Hơn nữa, SDN còn tự động quản lý và giám sát tài nguyên mạng, dựa trên hồ sơ cá nhân và yêu cầu ứng dụng, nhằm tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và nâng cao khả năng của nhà mạng.
1.5.1.2 Áp dụng trong các trung tâm dữ liệu (Data Center)
Việc ảo hóa các thực thể mạng trong kiến trúc SDN mang lại nhiều lợi ích cho trung tâm dữ liệu, bao gồm khả năng mở rộng linh hoạt, tự động di chuyển máy ảo, tích hợp hiệu quả với kho lưu trữ, tối ưu hóa việc sử dụng server, giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện băng thông.
1.5.1.3 Áp dụng với dịch vụ điện toán đám mây (cloud)
SDN (Mạng định nghĩa phần mềm) hỗ trợ điện toán đám mây riêng và điện toán đám mây lai, cho phép phân bổ tài nguyên mạng linh hoạt Điều này giúp tăng cường khả năng đáp ứng nhanh chóng của dịch vụ điện toán đám mây và tạo điều kiện chuyển giao dễ dàng hơn đến các nhà cung cấp dịch vụ bên ngoài Với các công cụ an toàn để quản lý mạng ảo, doanh nghiệp và các đơn vị kinh doanh sẽ tăng cường niềm tin vào dịch vụ đám mây.
1.5.2 Ph ạ m vi các nhà cung c ấ p h ạ t ầ ng và d ị ch v ụ vi ễ n thông
SDN cung cấp cho các nhà mạng và nhà cung cấp dịch vụ một mô hình IT as a Service (ITaaS) thông qua việc mở rộng và tự động hóa thiết kế Mô hình này giúp đơn giản hóa triển khai dịch vụ tùy chọn và theo yêu cầu, đồng thời chuyển đổi sang mô hình self-service Với khả năng tập trung, dự phòng và điều khiển tự động, SDN hỗ trợ linh hoạt trong việc cho thuê tài nguyên, đảm bảo tài nguyên mạng được triển khai tối ưu, từ đó giảm thiểu chi phí CAPEX và OPEX, đồng thời nâng cao giá trị và tốc độ dịch vụ.
Kết luận chương
Với sự gia tăng của người dùng di động, ảo hóa máy chủ và các dịch vụ, kiến trúc mạng truyền thống không còn đủ khả năng đáp ứng nhu cầu hiện tại Mạng SDN mang đến một khái niệm mới về kiến trúc mạng linh hoạt, dễ thích nghi và mở rộng, phù hợp với đa dạng dịch vụ Việc tách biệt giữa phần điều khiển và dữ liệu giúp mạng SDN trở nên lập trình dễ dàng và quản lý hiệu quả hơn SDN hứa hẹn sẽ chuyển đổi các mạng tĩnh thành những hệ thống linh hoạt với khả năng tự động xử lý hành vi Với nhiều lợi ích và tiềm năng phát triển, kiến trúc SDN đang dần trở thành tiêu chuẩn mới cho các mạng hiện đại.
GIAO THỨC OPENFLOW
Lịch sử và sự phát triển của OpenFlow
Vào tháng 3 năm 2011, các công ty lớn như Cisco, Facebook, Google và Microsoft đã thành lập tổ chức Open Networking Foundation (ONF) nhằm thúc đẩy công nghệ OpenFlow và giao thức chuyển mạch OpenFlow Switching Protocol Tuy nhiên, một số chuyên gia cho rằng OpenFlow không đủ khả năng để triển khai rộng rãi, và việc các nhà sản xuất bổ sung các phần mở rộng độc quyền có thể làm giảm khả năng tương tác vốn có của công nghệ này.
Sự phát triển nhanh chóng của điện toán đám mây đã tạo ra nhu cầu cao về tính linh hoạt, độ tin cậy và an toàn trong quản lý mạng xương sống Để đáp ứng nhu cầu này, cần thiết phải có các hệ thống điều khiển thông minh và hiệu quả hơn, có khả năng phối hợp hoạt động của hàng ngàn thiết bị định tuyến và chuyển mạch Hiện tại, các thiết bị này chỉ cung cấp khả năng tái lập trình hạn chế, trong khi các quản trị viên hệ thống cần kiểm soát chi tiết và khả năng mở rộng lớn hơn để nâng cao hiệu quả tại các trung tâm xử lý dữ liệu Tuy nhiên, sự khác biệt trong API và chức năng giữa các nhà cung cấp làm hạn chế khả năng điều khiển lưu lượng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau.
Các thiết bị chuyển mạch truyền thống kết hợp chức năng chuyển tiếp gói dữ liệu nhanh chóng và định tuyến cấp cao Trong khi đó, OpenFlow mang đến khả năng điều khiển độc lập với phần cứng, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển tiếp và định tuyến Hơn nữa, trong mạng OpenFlow, tất cả các chức năng thông minh được tập trung trên một server trung tâm, cho phép thực hiện các hoạt động phức tạp một cách dễ dàng hơn.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Stanford và Đại học California đã bắt đầu phát triển SDN vào năm 2002, và dự án OpenFlow được khởi động vào năm 2008 Từ năm 2010, Juniper cùng các nhà cung cấp khác đã sản xuất các sản phẩm SDN độc quyền dựa trên OpenFlow, giúp SDN trở nên khả thi hơn.
Giao thức OpenFlow
Để tách biệt phần điều khiển khỏi phần chuyển tiếp và cung cấp khả năng lập trình cho lớp điều khiển, ONF đã áp dụng giao thức OpenFlow Đây là tiêu chuẩn đầu tiên cho phép giao tiếp giữa lớp điều khiển và lớp chuyển tiếp trong kiến trúc SDN OpenFlow cho phép truy cập trực tiếp và điều khiển lớp chuyển tiếp của các thiết bị mạng như switch và router, bao gồm cả thiết bị vật lý và ảo.
- Các đặc trưng của OpenFlow:
OpenFlow cho phép các ứng dụng phần mềm bên ngoài điều khiển lớp chuyển tiếp của thiết bị mạng, tương tự như cách mà tập lệnh CPU điều khiển hoạt động của một hệ thống máy tính.
+ Giao thức OpenFlow được triển khai trên cả hai giao diện của kết nối giữa các thiết bị cơ sở hạ tầng mạng và phần mềm điều khiển SDN
OpenFlow sử dụng khái niệm "flow" để nhận dạng lưu lượng mạng dựa trên các quy tắc đã được lập trình sẵn bởi phần mềm điều khiển SDN Giao thức này cho phép định nghĩa cách lưu lượng được truyền qua các thiết bị mạng theo các tham số như mô hình lưu lượng, ứng dụng và tài nguyên đám mây Nhờ đó, OpenFlow tạo điều kiện cho mạng được lập trình dựa trên luồng lưu lượng, cung cấp khả năng kiểm soát chi tiết và cho phép mạng phản hồi nhanh chóng với sự thay đổi theo thời gian thực của ứng dụng, người dùng và mức phiên Trong khi đó, mạng định tuyến IP hiện tại không thể cung cấp mức độ kiểm soát này, vì tất cả các luồng lưu lượng giữa hai điểm cuối đều phải đi theo cùng một đường mặc dù yêu cầu của chúng khác nhau.
Giao thức OpenFlow đóng vai trò quan trọng trong việc cho phép các mạng được định nghĩa bằng phần mềm, đồng thời là giao thức SDN tiêu chuẩn duy nhất cho phép kiểm soát lớp chuyển tiếp của thiết bị mạng.
Công nghệ SDN dựa trên OpenFlow giúp các nhà quản trị xử lý hiệu quả các ứng dụng băng thông cao, linh hoạt và thích ứng nhanh với nhu cầu kinh doanh thay đổi, đồng thời giảm thiểu hoạt động quản lý phức tạp Các doanh nghiệp và nhà khai thác mạng có thể hưởng lợi từ kiến trúc SDN trên nền tảng OpenFlow với nhiều ưu điểm đáng kể.
Tập trung hóa điều khiển trong môi trường đa nhà cung cấp thiết bị thông qua giao thức OpenFlow cho phép phần mềm điều khiển SDN quản lý linh hoạt mọi thiết bị mạng, bao gồm switch, router và switch ảo, bất kể nguồn gốc từ nhà cung cấp nào.
Giảm sự phức tạp trong quản lý mạng bằng cách tự động hóa là một lợi ích nổi bật của kiến trúc SDN dựa trên OpenFlow Kiến trúc này cho phép phát triển các phần mềm chạy trên các bộ điều khiển, mang lại khả năng quản lý mạng tự động và linh hoạt.
Openflow mang lại tốc độ đổi mới cao cho các nhà khai thác mạng, cho phép họ lập trình lại mạng để đáp ứng linh hoạt các nhu cầu kinh doanh và yêu cầu cụ thể của người dùng khi có sự thay đổi.
Gia tăng độ tin cậy và an ninh của mạng là một ưu tiên hàng đầu đối với các nhà quản trị mạng Thông qua OpenFlow, họ có thể định nghĩa các trạng thái cấu hình và chính sách ở mức cao, áp dụng trực tiếp vào cơ sở hạ tầng Kiến trúc SDN dựa trên OpenFlow cung cấp khả năng điều khiển và tầm nhìn toàn diện về mạng, giúp đảm bảo kiểm soát truy cập, định hình lưu lượng, quản lý chất lượng dịch vụ (QoS) và bảo mật Điều này cho phép các chính sách được thực thi nhất quán trên toàn bộ hệ thống mạng.
Kiến trúc SDN dựa trên OpenFlow giúp đáp ứng linh hoạt nhu cầu của người dùng bằng cách tối ưu hóa điều khiển mạng và cung cấp trạng thái thông tin sẵn có cho các ứng dụng cấp cao.
Nguyên lý hoạt động
Trong các thiết bị chuyển mạch Ethernet hiện đại, bảng dòng chảy (Flow tables) đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển các gói tin một cách hiệu quả từ nơi gửi đến nơi nhận Mặc dù mỗi nhà cung cấp có bảng dòng chảy riêng, nhưng vẫn có thể xác định một tập hợp các chức năng chung như QoS và báo cáo lưu lượng OpenFlow giúp chuẩn hóa những chức năng này vào trong một bảng riêng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và tối ưu hóa mạng.
OpenFlow tách biệt chức năng của lớp truyền dữ liệu và lớp điều khiển, với việc các thiết bị chuyển mạch vẫn thực hiện chức năng truyền dữ liệu như trước Quyết định định tuyến cấp cao được thực hiện bởi bộ điều khiển (Controller), trong khi giao tiếp giữa Controller và thiết bị chuyển mạch diễn ra qua giao thức OpenFlow Switching Protocol.
Hình 2.1: Sơ đồ quan hệ giữa Controller và thiết bị Openflow switch
Controller có khả năng chỉ đạo các switch thực hiện các quy tắc cho các luồng dữ liệu mạng, bao gồm việc truyền dữ liệu qua tuyến đường nhanh nhất hoặc tuyến đường có ít hops nhất.
OpenFlow cung cấp một giao diện API độc nhất, cho phép quản trị viên lập trình các tác vụ mạng và thiết lập quy tắc định tuyến gói tin, cân bằng tải và điều khiển truy cập Giao diện API này là công cụ quan trọng trong việc quản lý và tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Giao diện lập trình đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chuyển tiếp gói tin qua các bộ chuyển mạch mạng, đồng thời cung cấp các giao diện toàn cầu Dựa trên những giao diện này, người dùng có thể phát triển các công cụ quản lý cấp cao hiệu quả.
Ưu điểm của Openflow
- OpenFlow có một loạt các ưu điểm quan trọng như sau:
OpenFlow tách biệt quá trình điều khiển và xử lý khỏi thiết bị chuyển mạch, giúp tối ưu hóa hiệu suất bằng cách tận dụng tối đa tài nguyên cho việc tăng tốc chuyển tiếp gói tin Bên cạnh đó, việc ảo hóa điều khiển mạng của OpenFlow cũng góp phần giảm chi phí xây dựng và hỗ trợ mạng.
Công nghệ OpenFlow cho phép người quản trị mạng dễ dàng thêm các chức năng mới vào kiến trúc mạng hiện tại mà không cần phải tái thực hiện firmware trên thiết bị của từng nhà cung cấp Với giao diện API mở, OpenFlow hỗ trợ việc phát triển phần mềm quản lý tùy chỉnh, giúp thử nghiệm các chức năng mới trên thiết bị chuyển mạch một cách hiệu quả Trước đây, việc này gặp nhiều khó khăn do thiếu một giao diện API chung giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau.
OpenFlow cung cấp khả năng bảo mật và quản lý mạng dễ dàng thông qua bộ điều khiển trung tâm, cho phép quản trị viên quan sát toàn bộ mạng và phát hiện sự xâm nhập trái phép Người quản trị có thể thiết lập ưu tiên cho các luồng dữ liệu khác nhau và phát triển chính sách mạng phù hợp khi xảy ra sự cố Công nghệ này cũng cho phép tạo ra cấu trúc mạng ảo, bao gồm mạng LAN và WAN mà không cần thay đổi phần cứng Đặc biệt, chức năng điều khiển trung tâm ảo hỗ trợ quản lý mạng hiệu quả, giúp tạo ra mạng LAN ảo cho khách hàng mới mà không cần thay đổi thiết bị chuyển mạch hiện có.
Điện toán đám mây đang được hỗ trợ mạnh mẽ bởi công nghệ OpenFlow, giúp nâng cao khả năng "thông minh" của mạng.
Hình 2.2 minh họa bộ phần mềm và phần cứng hỗ trợ xây dựng mạng SDN thông qua OpenFlow Các thiết bị chuyển mạch và OpenFlow controller đảm nhận nhiệm vụ chính trong hệ thống này Để hỗ trợ các nhà phát triển và nghiên cứu, nhiều ứng dụng đã được phát triển sẵn, thực hiện các chức năng mạng cùng với các công cụ gỡ lỗi và giám sát.
Hình 2.2: Bộ các phần mềm và phần cứng hỗ trợ SDN và OpenFlow
Các khái niệm và thành phần cơ bản
- Các thành phần cơ bản của mạng SDN trên cơ sở giao thức OpenFlow là: + OpenFlow switch
Trong đó controller giao tiếp với các OpenFlow Switch thông qua giao thức OpenFlow
Hình 2.3: Sơ đồ tương tác giữa switch và controller theo giao thức OpenFlow
OpenFlow Switch bao gồm Group table, các Flow table và một kênh OpenFlow channel
Flow table và Group table chứa thông tin từ Controller để định tuyến gói tin Kênh OpenFlow là cầu nối liên lạc giữa Controller và switch OpenFlow.
Hình 2.4: Cấu trúc OpenFlow Switch
2.5.1.1.Các khái niệm cơ bản
Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các khái niệm và thuật ngữ cơ bản liên quan đến nguyên lý hoạt động của giao thức OpenFlow cùng với các thành phần chính của nó.
+ Packet: Là gói tin, bao gồm tiêu đề và các dữ liệu có ích (payload)
Pipeline là tập hợp các bảng liên kết, giúp kiểm tra tiêu đề gói tin, chuyển tiếp và chỉnh sửa gói tin trong bộ chuyển mạch OpenFlow.
Port trong OpenFlow switch là nơi nhận và gửi các gói tin, có thể là cổng vật lý, cổng ảo do switch xác định, hoặc cổng ảo theo giao thức OpenFlow.
+ Match Field: Là trường thông tin được xét trong packet và bao gồm tiêu đề của packet, cổng vào, giá trị của metadata
+ Metadata: Là kiểu dữ liệu chứa thông tin về các dữ liệu khác, sử dụng để chuyển thông tin từ bảng này đến bảng khác
+ Instruction: Chứa một loạt các hành động được áp dụng đến các packet hoặc để chỉnh sửa quá trình xử lý packet trong pipeline
A Flow Entry is a crucial component within a Flow table, utilized for the examination and management of data packets It consists of a collection of fields, including Match, metadata, counter, and instruction, which work together to facilitate effective packet processing.
+ Flow table: Một bảng chứa các flow entry
Hành động trong mạng là quá trình chuyển tiếp gói tin đến cổng hoặc điều chỉnh các thông số của gói tin, chẳng hạn như giảm giá trị trường TTL Những hành động này có thể được xác định như một phần của tập hợp các hướng dẫn liên quan đến luồng dữ liệu hoặc hoạt động của pipeline.
Action Set là tập hợp các hành động liên quan đến packet, được tích tụ liên tục trong quá trình xử lý tại mỗi bảng trong pipeline Tập hợp hành động này sẽ được thực hiện khi packet rời khỏi pipeline.
Danh sách các "container" bao gồm các hành động và phương pháp, giúp người dùng lựa chọn một hoặc nhiều container để áp dụng cho từng packet trong nhóm.
Một flow table bao gồm các thành phần sau:
Các trường khớp (Match Fields) được sử dụng để so khớp với các gói tin, bao gồm các cổng vào, tiêu đề gói tin và các tùy chọn dữ liệu được quy định theo bảng trước đó.
Bảng 2.1 trình bày các trường cơ bản được sử dụng để so sánh với các gói dữ liệu vào, trong đó mỗi trường chứa một giá trị cụ thể hoặc giá trị ANY, cho phép khớp với bất kỳ giá trị nào Ngoài việc so sánh thông qua tiêu đề gói, người dùng còn có thể sử dụng port vào và trường metadata Metadata đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin giữa các bảng trong thiết bị chuyển mạch.
B ả ng 2 1: Các entry thu ộ c tr ườ ng match
Transport source port/ ICMP type 16
Transport destination port/ ISMP code 16
+ Priority: Trường để so sánh sự ưu tiên của flow entry
+ Counters: Trường này sẽ được cập nhật khi gói tin được so khớp
+ Instructions: Trường chỉ các lệnh tương ứng với bản tin, dùng để chỉnh sửa các hành động hoặc quá trình xử lý pipeline
+ Timeouts: Thời gian chờ trước khi gói tin bị hết hạn
Cookie là dữ liệu được chọn bởi bộ điều khiển, cho phép bộ điều khiển thực hiện các chức năng như lọc thống kê lưu lượng, thay đổi lưu lượng và xóa lưu lượng.
- Group table chứa các thành phần như sau:
B ả ng 2 2: Các thành ph ầ n c ơ b ả n c ủ a entry trong Group Table
Group Identifier Group Type Counters Action Buckets
- Mỗi mục của Group Table chứa định danh của nhóm, loại của nhóm, counters và danh sách các hoạt động pipeline
+ Định danh nhóm (Group Identifier) là một số nguyên không dấu 32 bit, dùng để xác định nhóm
+ Loại của nhóm (Group Type): xác định loại của nhóm
+ Counters: Giá trị của trường này được cập nhật mỗi khi có packet được xử lý bởi nhóm
Danh sách các hoạt động pipeline là một chuỗi các bước được sắp xếp theo thứ tự, trong đó mỗi hoạt động bao gồm một tập hợp các hành động nhằm thực hiện hoặc điều chỉnh các tham số liên quan đến chúng.
- Có các loại nhóm xác định sau:
+ All: Tất cả các hoạt động pipeline trong nhóm đều được thực hiện Nhóm này được sử dụng cho các gói tin multicast và broadcast
Chọn lọc trong nhóm chỉ thực hiện một hoạt động pipeline duy nhất Các gói dữ liệu được gửi vào pipeline này dựa trên thuật toán lựa chọn, được tính toán bởi bộ chuyển mạch.
+ Indirect: Chỉ một pipeline hoạt động đã xác định từ trước được thực hiện trong bảng
+ Fast failover: Hoạt động pipeline đầu tiên sẽ được thực hiện Nếu không có các pipeline “còn sống” thì các packet sẽ bị loại bỏ
2.5.1.4 Quá trình xử lý pipeline
Pipeline của bộ chuyển mạch OpenFlow bao gồm nhiều bảng dòng chảy Flow Table, mỗi bảng chứa các entry riêng biệt Quá trình xử lý gói tin diễn ra qua pipeline, xác định cách thức tương tác của gói tin với các bảng này Nếu bộ chuyển mạch chỉ có một flow table, quá trình xử lý sẽ đơn giản hơn rất nhiều.
Hình 2.5: Quá trình xử lý pipeline
Các bảng Flow trong bộ chuyển mạch OpenFlow được đánh số từ 0, với quá trình xử lý pipeline khởi đầu từ bảng 0 Việc sử dụng các bảng Flow khác phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa các trường trong gói tin và các entry trong bảng tương ứng.
Kết luận chương
SDN và OpenFlow là hai khái niệm khác nhau trong lĩnh vực mạng SDN (Software-Defined Networking) đề cập đến cấu trúc mạng mà ở đó phần điều khiển và phần chuyển tiếp gói tin được tách biệt Ngược lại, OpenFlow là một giao thức được chuẩn hóa nhằm hiện thực hóa khái niệm SDN Giao thức này cho phép triển khai dễ dàng các phương thức chuyển mạch và định tuyến, mang lại hiệu quả quản lý mạng và nâng cao tính bảo mật.
Trong chương này, chúng ta đã khám phá tổng quan về giao thức OpenFlow, bao gồm các thuật ngữ cơ bản, cấu trúc và chức năng của thiết bị định tuyến OpenFlow, cũng như nguyên lý hoạt động và cách xử lý gói tin của OpenFlow Switch Giao thức này, với các giao diện mở API, cho phép lập trình viên phát triển các công cụ và ứng dụng quản lý mới, đáp ứng nhu cầu người sử dụng Hơn nữa, OpenFlow hỗ trợ kết nối với thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau một cách dễ dàng.
Giao thức OpenFlow được kỳ vọng sẽ hỗ trợ hiệu quả cho kiến trúc SDN, nhưng hiện tại vẫn còn nhiều điểm cần hoàn thiện và phát triển trong tương lai.