Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы программно-конфигурируемых сетей. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
Кафедра «Информатики и вычислительной техники»
Н.Ф. Бахарева, Ю. А. Ушаков, М. В. Ушакова, А.Е. Шухман
ОСНОВЫ ПРОГРАММНО-
КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЕЙ
Учебное пособие
по дисциплине «Проектирование и моделирование сетей ЭВМ» для
магистров направлений «Информатика и вычислительная техника»,
«Управление в технических системах», «Программная инженерия» а
также для аспирантов научных специальностей 05.13.11 и 05.13.15.
Самара
2015
УДК 004.72
ББК 32.973-018я7
О -753
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ,
протокол № , от .05.2015 г.
Рецензент – Заведующий кафедрой программного обеспечения и
управления в технических системах Поволжского государственного
университета телекоммуникаций и информатики
д.т.н., профессор В.Н. Тарасов
О -753 Основы программно-конфигурируемых сетей: учебное пособие /
Н.Ф. Бахарева, Ю. А. Ушаков, М. В. Ушакова, А.Е. Шухман
– Самара: ПГУТИ, 2015. – 111с.
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
федерального государственного образовательного бюджетного
учреждения высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и
информатики» в качестве учебного пособия для магистров,
обучающихся по программам высшего профессионального
образования по направлениям подготовки: «Информатика и
вычислительная техника», «Управление в технических системах», а
также для аспирантов научных специальностей 05.13.11, 05.13.15.
Учебное пособие подготовлено при поддержке гранта РФФИ
(проект № 14-07-97034).
УДК 004.72
ББК 32.973-018я7
© Бахарева Н.Ф.,
Ушакова М. В.,
Шухман А.Е.,
Ушаков Ю. А.
© ПГУТИ, 2015
Содержание
1 Введение в сети с коммутацией каналов ......................................................... 7
1.1 Сравнение традиционных технологий коммутации ........................................ 7
1.2 Недостатки и дополнительные возможности сетей Ethernet ........................ 10
1.3 Программно-конфигурируемые сети .............................................................. 14
1.4 Системы управления сетями ............................................................................ 15
2 Эффективность управления сетевой инфраструктурой ............................... 17
2.1 Понятие эффективности распределенных вычислительных сетей и
компьютерных сетей ................................................................................................. 17
2.2 Производительность распределенных вычислительных систем и сетей .... 19
2.3 Применение теории массового обслуживания к исследованию
вычислительных систем и компьютерных сетей ................................................... 23
2.4 Область применения программно-конфигурируемых сетей ........................ 28
2.5 Распределенные облачные вычисления .......................................................... 29
3 Обзор протокола OpenFlow ............................................................................ 32
3.1 Описание таблиц для протокола OpenFlow .................................................... 32
3.2 Пути анализа потоков трафика для формирования таблиц потоков
OpenFlow .................................................................................................................... 34
3.3 Анализ трафика конвергентных сетей ............................................................ 38
3.4 Методы обеспечения QoS в ПКС .................................................................... 40
3.5 Получение статистической информации о трафике в OpenFlow сетях ....... 48
3.6 Алгоритм сбора статистики OpenFlow ........................................................... 51
4 Cетевые операционные системы для ПКС .................................................... 55
4.1 Обзор традиционных сетевых операционных систем ................................... 55
4.2 Сетевые операционные системы в программно-конфигурируемых сетях . 58
4.3 Проблема выбора сетевой операционной системы ....................................... 62
4.4 Расширение функциональных характеристик за счет интеграции СОС с
облачными сервисами ............................................................................................... 65
4.5 Виртуализация сетей передачи данных .......................................................... 66
4.6 Управление сетевыми ресурсами и потоками данных в ПКС с помощью
сетевой операционной системы ............................................................................... 68
4.7 Использование ПКС для управления сетью ЦОД ........................................ 72
5 Практическое руководство по программно-конфигурируемой сети ........ 75
5.1 Работа с эмулятором mininet ............................................................................ 75
5.2 Внешнее управление таблицами OpenFlow коммутаторов .......................... 84
5.3 Установка и настройка контроллеров ............................................................. 88
5.4 Тестирование работоспособности программно-конфигурируемой сети .... 89
Список использованных источников ...................................................................... 92
Приложение АПример использования контроллера ПКС .................................... 97
Приложение БИсходный код прототипа обеспечения QoS в ПКС .................... 105
Обозначения и сокращения
В настоящей работе использованы следующие сокращения:
АСНИ автоматизированная система научных исследований;
ИС испытательный стенд;
ИС ЭО ПКС испытательный стенд для исследования
эксплуатационных характеристик ЭО ПКС;
ИТ информационные технологии;
КС компьютерные сети;
ЛВС локальные вычислительные сети;
ОС операционная система;
ОКР опытно-конструкторская разработка;
ПКС программно-конфигурируемые сети;
СеМО сети массового обслуживания;
СМО система массового обслуживания;
СОС сетевая операционная система;
СПД сети передачи данных;
СУБД система управления баз данных;
СХД система хранения данных;
УК узел коммутации;
ЦОД центр обработки данных;
ЭО ПКС экспериментальный образец ПКС;
ANCA adaptive none-continuous allocation (алгоритм
адаптивного несмежного назначения задач);
ARP address resolution protocol (протокол определения
адреса);
FCFS firstcome, firstserved (первым пришел первым обслужен)
– алгоритм обслуживания запросов;
MAC media access control (управление доступом к среде) –
уникальный идентификатор устройства в сети Ethernet;
OSI open system sinter connection (модель взаимодействия
открытых систем);
QoS quality of service (качество обслуживания);
SAN storage area network (сеть хранения данных);
TCP/IP transport control protocol/internet protocol – стек сетевых
протоколов;
VLAN virtual local area network (виртуальная локальная сеть).
4
Введение
В настоящее время сетевые устройства работают по принципам,
заложенным на заре развития компьютерных технологий. Современные
требования к компьютерным сетям существенно изменились со времен начала
развития сети Интернет. Существующие сетевые протоколы канального
уровня, предназначенные для расширения возможностей сетевой
инфраструктуры Fiber Channel, Infiniband, а также EthernetII, имеют
ограниченные возможности по управлению трафиком и QoS.
Усовершенствованные варианты протокола Ethernet – Converged Enhanced
Ethernet и Cisco Data Center Ethernet включают расширения по управлению
потоками на основе приоритетов, разделению пропускной способности,
управлению перегрузками и логическим состоянием полос передачи данных, по
обеспечению передачи без потерь, а также по одновременному использованию
нескольких параллельных путей передачи данных между узлами. Основные
недостатки данных решений – сложная децентрализованная схема управления
потоками данных, основанная на множестве закрытых протоколов,
значительная стоимость сетевого оборудования, сложность его расширения.
Отдельно следует заметить, что данные решения используют реактивную схему
управления потоками, когда решения по коммутации принимаются во время
передачи потока.
Весьма перспективным направлением технологий является
использование программно-конфигурируемых сетей (ПКС, от англ. SDN –
Software Defined Network). Принципы ПКС впервые возникли в
исследовательских лабораториях Стэнфорда и Беркли [1] и в настоящее время
развиваются в рамках консорциума Open Network Foundation и европейского
проекта OFELIA[2]. Известен положительный опыт компаний Google и Amazon
по внедрению ПКС в ЦОД.
В основе подхода ПКС лежит возможность динамически управлять
пересылкой данных в сети с помощью открытого протокола OpenFlow. Все
активные сетевые устройства объединяются под управлением сетевой
операционной системы (СОС), которая обеспечивает приложениям доступ к
управлению сетью. Сетевые контроллеры могут быть централизованными,
использовать общие абстракции для пересылки пакетов. Результаты разработки
и исследования современных СОС отражены в работах А. Таваколи, М.
Кассадо, Т. Копонена, С. Шенкера, П. Ванга, Дж. Лю, В. Ли, Я. Ку.
За счет управления пересылкой данных в сети использование ПКС в ЦОД
позволяет реализовать схемы одновременной многопутевой передачи данных,
управление потоками на основе приоритетов, виртуализацию сети, обеспечить
QoS, эффективно распределить нагрузку на сеть. Открытость стандарта
OpenFlow и вынесение логики управления в отдельный контроллер упрощает
программное и аппаратное обеспечение активного сетевого оборудования, что
позволит в будущем производителям снизить его стоимость, а, следовательно, и
уменьшить затраты на создание ЦОД. Централизация и открытость средств
управления ПКС позволяет гибко и эффективно адаптировать работу ЦОД под
5
возникающие потребности бизнеса, что ускоряет внедрение инноваций и
обеспечивает конкурентоспособность компаний.
Наличие потребности компаний в создании эффективных
распределенных вычислительных ЦОД, включающих СХД, на основе ПКС,
перспективный характер технологии ПКС, а также отсутствие готовых решений
в этой области являются существенными факторами, определяющими
актуальность этого направления.
Учебное пособие предназначено для магистров, обучающихся по
программам высшего профессионального образования по направлениям
подготовки: «Информатика и вычислительная техника», «Управление в
технических системах» и«Фундаментальная информатика и информационные
технологии», а также для аспирантов научных специальностей 05.13.11,
05.13.15
6
1 Введение в сети с коммутацией каналов
1.1 Сравнение традиционных технологий коммутации
В настоящее время вычислительная сеть является неотъемлемой частью
любой организации, а её отсутствие рассматривается как анахронизм,
существенно снижающий эффективность работы персонала. Особенно важно
наличие вычислительной сети в учебном заведении, так как без использования
информационных и компьютерных технологий давно стало невозможно
обеспечивать учебный процесс и проводить научную работу.
Ядром сети в таких случаях обычно служит неплохой даже по современным
меркам управляемый коммутатор второго или даже третьего уровня OSI. Сеть
построена по топологии расширенная звезда, некоторые сегменты имеют
отдельные маршрутизаторы, серверы и управляемые коммутаторы. Но удел
дорогостоящего оборудования - ядро сети и магистраль. Остальная сеть обычно
построена на неуправляемых коммутаторах, иногда даже без учета соображений
латентности (последовательно более 3-х коммутаторов), магистральных потоков
(корпуса в полном объеме подключаются в обычный порт какого-либо простого
коммутатора) (рисунок 1.1). При современном расширении такие сети
испытывают огромную дополнительную нагрузку, как по данным, так и по
управлению.
Рисунок 1.1 – Типичная сеть масштаба одного кампуса
Некоторые сети структурированы на центральном коммутаторе
посредством технологий 802.1qVLAN (VirtualLAN), как на рисунке 1.2. В этом
случае каждая подсеть автономна и потоки данных с другой подсети могут идти
только через маршрутизатор.
7
Рисунок 1.2 – Разделение сети на сегменты посредством VLAN
Главным требованием, предъявляемым к сетям, является выполнение их
основной функции: обеспечение пользователям потенциальной возможности
доступа к разделяемым ресурсам сети [3]. Все остальные требования связаны с
качеством выполнения основной задачи. Для разных логических типов сетей
приоритетными параметрами могут быть производительность, надежность,
совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость,
масштабируемость и их совокупность.
Понятие «качество обслуживания» (QoS, Quality of Service) чаще всего не
идентично понятию «качество сети». Под QoS обычно понимается
производительность и надежность.
Корпоративные сети передачи данных (КСПД) представляют собой
территориально распределенные, соединенные между собой сегменты единой
сети, использующие выделенные централизованные ресурсы и сервисы. Цель
построения корпоративных сетей передачи данных – обеспечение транспорта для
территориально распределенных бизнес-приложений. К таким приложениям
обычно относят сетевые базы данных, информационные порталы, электронную
почту, традиционный файловый обмен, IP телефонию, видеоконференцсвязь и
дистанционное обучение. КСПД - один из важнейших инструментов развития
бизнеса. Качественную и надежную корпоративную сеть имеют, в первую
очередь, географически распределенные компании, бизнес которых зависит от
надежности и гибкости совместной работы ее подразделений [4].
Построение КСПД в общем - это организация связности по протоколу IP
между рабочими станциями и серверами предприятия. Сеть образуется
совокупностью узлов связи, располагаемых на территории офисов или других
точек присутствия предприятия. В основе построения корпоративных сетей
передачи данных положена методология проектирования компании Cisco Systems
на основе композитной сетевой модели предприятия. Данное решение – это
модульный подход к построению структуры сети. Методология решения
позволяет строить как небольшие сети, объединяющие несколько офисов, так и
крупные, включающие сотни узлов.
Развивая сеть путем добавления новых модулей или узлов, подход
обеспечивает предсказуемость качественных характеристик сети и требует
минимальных усилий и средств для поиска и устранения неисправностей.
8
В основе композитной модели (рисунок 1.3) лежит принцип разделения сети
на модули (декомпозиции). Каждый характеризуется свойственными только ему
функциями и особенностями реализации. Ключевым компонентом, связующим
узлы КСПД, является услуга связи, которая обеспечивает передачу трафика между
узлами. Виды услуг связи, используемые при организации каналов между узлами,
делятся на следующие группы:
1) выделенные линии связи – оптические или медные кабели,
соединяющие узлы сети заказчика (это могут быть как свои, так и
арендуемые линии связи);
2) выделенные каналы данных – каналы данных предоставляемые
оператором связи поверх своей сети передачи данных:
Frame Relay (PVC);
ATM (PVC);
E1/E3/STM-1;
Ethernet VLAN;
3) услуги по соединению на базе «группового» доступа:
IPVPN;
VPLS – Virtual Private LAN Service. Технология позволяет эмулировать
распределенную ЛВС поверх сети Оператора;
сеть «Интернет».
Рисунок 1.3 - Основные модули узла КСПД
Принципиальная разница между этими типами услуг заключается в
различном механизме передачи трафика между сетевыми узлами клиента. В
первом случае используются выделенные каналы связи, то есть трафик проходит
строго по определенным направлениям. В случае группового доступа трафик
может проходить произвольно между любыми офисами. Второй способ
обеспечивает лучшие скоростные характеристики передачи трафика и
оптимальное «дешевое» использование полосы пропускания.
Узлы сетей передачи данных можно классифицировать в три группы:
центральный узел, отделение/крупный узел, конечный узел.
9
Центральные узлы – это наиболее крупные узлы сети. На данных узлах
осуществляется консолидация информационных ресурсов, размещается основная
масса серверов приложений, развертываются выделенные подсистемы
безопасности, и осуществляется стыковка с внешними сетями.
Отделение/крупные узлы – "основная масса" сети. Здесь размещаются
информационные ресурсы, имеющие только локальное значение и
предоставляющие сервисы только локально - абонентам данного узла.
Конечный узел – данный тип узла является самым маломощным. В его
составе нет никаких информационных ресурсов и серверов приложений. Данные
узлы предназначены только для подключения пользователей.
Классификация типов узлов весьма условная, но она помогает добиться
большей легкости при первичной декомпозиции при проектировании. Например,
в крупных компаниях – системных интеграторах – принято следующее деление –
конечный узел (SOHO, Small office or Home office) до 48 задействованных портов
СПД или абонентов, отделение – до 300, центральный узел – все, что более 300.
1.2 Недостатки и дополнительные возможности сетей Ethernet
Большинство экспертов уверены в том, что технология Ethernet станет
основой [5] для построения единой конвергентной сетевой инфраструктуры
ЦОД. Институт IEEE [6] разрабатывает стандарты, которые должны обеспечить
гарантированную полосу пропускания и контроль потока для трафика с учетом
его приоритета, а также более усовершенствованные механизмы управления
потоками. С этими нововведениями Ethernet сможет заменить в ЦОД
существующие сети Fibre Channel [7] и Infiniband [8], а также существенно
повысить производительность работы новых Storage Area Network (SAN)
[9]систем на основе iSCSI [10].
Поддержка мобильности виртуальных машин, технология Fibre Channel
over Ethernet (FCoE) [11] и другие новые приложения требуют построения
крупномасштабных сетей, функционирующих на втором уровне модели OSI
[12].
Постоянно совершенствуясь, Ethernet превратился сегодня в наиболее
масштабируемую и экономически эффективную технологию для построения
сетей TCP/IP.
Трафик ЛВС менее всего зависит от характеристик сети, но активно
использует свойственные Ethernet технологии широковещательной/групповой
рассылки, виртуальных ЛВС (Virtual Local Area Network, VLAN). Для
эффективной работы SAN необходима малая задержка и передача пакетов без
потерь. Для реализации высокопроизводительных вычислительных систем
(High-Performance Computing Cluster, HPCC [13]) требуется еще меньшая
задержка и широкая полоса пропускания. Последние достижения в области
технологии iSCSI привели к тому, что все больше заказчиков рассматривают ее
как надежное решение для сетей SAN.
Благодаря своей гибкости, Ethernet сегодня доминирует в большинстве
сетевых сред. Современные технологии обеспечивают скорость 10 Гбит/с (на
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]