بررسی شبکه های نرم افزاری تعریف شده (مقاله ترجمه شده)

چکیده

به‌تازگی ایده‌ی شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی دوباره به شتاب قابل توجهی با توجه به ظهور شبکه‌ی تعریف شده با نرم‌افزار (SDN) رسیده است. SDN، اغلب به‌عنوان یک "ایده‌ی اصلی و جدید در شبکه"، به‌طور چشمگیری موجب تسهیل مدیریت شبکه و نوآوری فعال از طریق برنامه‌ریزی شبکه شده است. بررسی مقاله در شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی با تاکید در SDN بوده است. یک چشم‌انداز تاریخی از برنامه‌ریزی شبکه‌ از ایده‌های اولیه به تحولات اخیر ارائه شده است‌. سپس به‌طور خاص معماری SDN و استاندارد OpenFlow، در مورد جایگزین‌های فعلی برای پیاده‌سازی و تست پروتکل‌ها و سرویس‌های مبتنی بر SDN، بررسی برنامه‌های کاربردی آینده‌ی  SDN، اکتشاف و تحقیقات براساس SDN بحث و بررسی شده است.

مقدمه

شبکه‌های کامپیوتری به‌طور معمول از تعداد بیشتری از دستگاه‌های شبکه مانند روترها، سوئیچ‌ها و انواع متعددی از middleboxes با بسیاری از پروتکل‌های پیچیده که بر روی آنها اجرا می‌شوند ساخته شده‌اند (به‌عنوان مثال، دستگاه‌هایی که ترافیک را برای مقاصد دیگر حمل و نقل بسته، مانند فایروال دستکاری می‌کنند). اپراتورهای شبکه برای پیکربندی سیاست‌ها به طیف گسترده‌ای از حوادث شبکه و برنامه‌های کاربردی پاسخ‌گو هستند. آنها نیاز به تبدیل وظایف پیچیده و سطح بالا با دسترسی به ابزار محدود دارند.. به‌عنوان یک نتیجه، مدیریت شبکه و تنظیم عملکرد کاملا چالش برانگیز و مستعد خطا است. واقعیت این است که دستگاه‌های شبکه معمولا جعبه سیاه یکپارچه و به‌صورت عمودی برای چالش اپراتورهای شبکه و مدیران هستند.

یکی دیگر از چالش‌برانگیزترین موضاعاتی که محققان با آن روبرو هستند " تشکیل اینترنت" است. از آنجا که پایه استقرار آن بخشی از زیرساخت‌های حیاتی جامعه ما است (درست مثل حمل‌ونقل و شبکه‌های انرژی)، اینترنت با دشواری هم با تکامل فیزیکی و هم زیرساخت‌ها و پروتکل‌ها و عملکرد آن منطبق می‌شود. با این حال، به‌عنوان برنامه‌های کاربردی اینترنت و خدمات در حال ظهور و پیچیده و سخت، ضروری است که اینترنت قادر به تکامل این چالش‌های جدید باشد.

شبکه قابل برنامه‌ریزی اولیه

SDN دارای پتانسیل بسیار زیادی برای تغییر شبکه است و OpenFlow به‌عنوان یک "تبلیغ ایده‌های جدید در شبکه " است[5]. مزایای ارائه شده در محدوده‌ی کنترل متمرکز، الگوریتم ساده، شکل سخت‌افزار شبکه، از بین بردن middleboxe، طراحی و استقرار شخص ثالث برنامه‌ها است.

A) گسترش signaling : (OPENSIG) با گروهی که در سال 1995 با یک سری از کارگاه‌ها که به "ساخت ATM، اینترنت و شبکه‌های تلفن همراه باز، توسعه و برنامه‌ریزی " مشغول بودند آغاز شد[6]. آنها باور داشتند که جدایی بین ارتباطات سخت‌افزار و کنترل نرم‌افزار لازم است اما برای تحقق بخشیدن چالش برانگیز است. این عمدتا  به‌دلیل عمودی و یکپارچه بودن سوئیچ‌ها و روترها است، که به ماهیت بسته‌ی ساخته شده از استقرار سریع خدمات جدید شبکه و محیط‌های غیرممکن بستگی دارد. هسته اصلی پیشنهاد آنها فراهم کردن دسترسی به سخت افزار شبکه از طریق باز کردن رابط‌های شبکه قابل برنامه‌ریزی است؛ که اجازه می‌دهد خدمات جدید از طریق یک محیط برنامه‌ریزی توزیع شده استقرار یابند.

معماری شبکه‌های با تعریف نرم‌افزار

شبکه‌های ارتباطی داده‌ها معمولا شامل کاربر نهایی دستگاه، یا میزبان متصل شده توسط زیرساخت‌های شبکه است. این زیرساخت‌ها توسط میزبان و به‌کارگیری عناصر سوئیچینگ مانند روتر و سوئیچ و همچنین لینک‌های ارتباطی برای حمل داده‌ها بین میزبان به اشتراک گذاشته می‌شود. روترها و سوئیچ‌ها معمولا سیستم‌های "بسته" اغلب با رابط محدود کنترل فروشنده هستند. بنابراین، یک بار مستقر می‌شوند و در تولید زیرساخت های شبکه متداول کاملا دشوار هستند؛ به‌عبارت‌دیگر، استقرار نسخه‌های جدید پروتکل‌های موجود (به‌عنوان مثال، IPv6)، به‌طورکامل به استقرار پروتکل‌ها و خدمات جدید نیست و تقریبا مانع غیر قابل عبور در شبکه‌های فعلی است. اینترنت، به‌عنوان شبکه‌ای از شبکه‌ها، از این قاعده مستثنی است.

معماری کنونی SDN

در این بخش، ما به بررسی دو معماری شناخته شده SDN، یعنی ForCES [1] و OpenFlow ]2] خواهیم پرداخت. هر دوی OpenFlow و ForCES به‌دنبال اصل اساسی SDN از جدایی بین کنترل و داده‌ها هستند؛ و هر دو تبادل اطلاعات بین نقشه‌ها را استاندارد می‌کنند. بااین‌حال، آنها از لحاظ فنی در طراحی، معماری، مدل و رابط پروتکل حمل بسیار متفاوت هستند.

1) ForCES: روش پیشنهادی توسط IETF برای ForCES (حمل و جداسازی عنصر کنترل) باهمدیگر کار می‌کنند، باز تعریف معماری داخلی دستگاه شبکه ملزم به داشتن عنصر کنترل جدا از عنصر حمل است. بااین‌حال، دستگاه شبکه هنوز به‌عنوان یک نهاد نشان داده می‌شود. مثال رانندگی مورد استفاده توسط گروه تمایل به ترکیب سخت‌افزار حمل جدید با در نظر کنترل شخص ثالث در درون یک دستگاه شبکه است. بنابراین کنترل و داده‌ها در نزدیکی یکدیگر نگهداری می‌شوند (به‌عنوان مثال، همان جعبه یا اتاق). در مقابل، کنترل به‌طور کامل از دستگاه شبکه در سیستم SDN "مانند OpenFlow" جدا است.

• تمرکز در مقابل توزیع

اگر چه پروتکل‌ها مانند OpenFlow مشخص می‌کنند که یک سوئیچ توسط یک کنترل‌کننده کنترل می‌شود و در نتیجه تمرکز را بیان می‌کنند، شبکه با تعریف نرم‌افزار ممکن است یک کنترل متمرکز یا توزیع شده داشته باشد.

ارتباطات کنترلر به کنترلر توسط OpenFlow تعریف نشده است، بنابراین برای هر توزیع یا افزونگی در کنترل جریان موثر است.

ابزارهای توسعه SDN

SDN به منظور تسهیل تکامل شبکه و نوآوری با هدف استقرار سریع خدمات پروتکل‌های جدید مطرح شده است. در این بخش، یک نمای کلی از ابزار و محیط در حال حاضر برای توسعه‌ی سرویس‌های مبتنی بر SDN و پروتکل‌ها ارائه می‌کنیم.

شبیه‌ سازی و ابزار شبیه‌ سازی

] Mininet 53] اجازه می‌دهد تا یک شبکه OpenFlow برای شبیه‌سازی در یک دستگاه واحد با توسعه اولیه و روند استقرار داشته باشیم. خدمات جدید، برنامه‌ها و پروتکل‌ها در ابتدا می‌توانند بر روی شبیه‌ساز محیط زیست قبل از رفتن به سخت‌افزار واقعی، توسعه یافته و مورد آزمون قرار گیرند. به طور پیش فرض Mininet از V1.0، OpenFlow حمایت می‌کند هر چند ممکن است برای حمایت از یک سوئیچ نرم‌افزار برای پیاده‌سازی یک نسخه جدیدتر تغییر کند

نرم‌افزار SDN

شبکه با تعریف نرم‌افزار، برنامه‌های کاربردی با طیف گسترده‌ای از محیط‌های شبکه‌ای را دربر دارد. توسط افتراق کنترل و داده‌ها، شبکه قادر به برنامه‌ریزی سفارشی کنترل است، که فرصتی برای از بین بردن middleboxes و همچنین توسعه ساده و استقرار شبکه‌های جدید خدمات و پروتکل‌ها را دارد. در زیر، ما محیط‌های مختلف راه‌حل SDN را که پیشنهاد شده است مورد بررسی قرار می‌دهیم.

شبکه‌ های سازمانی

شرکت‌ها درحال اجرای شبکه‌های بزرگی هستند، در‌حالی‌که نیازمند داشتن امنیت و عملکرد شدیدی هستند. از این گذشته، محیط شرکت‌های مختلف می‌تواند شرایط بسیار متفاوتی داشته باشد، ویژگی‌ها و تعداد کاربران، به‌عنوان مثال، شبکه دانشگاه می‌تواند یک مورد خاص از شبکه‌های سازمانی در نظر گرفته شود: در چنین محیطی، بسیاری از دستگاه‌های اتصال موقت هستند و توسط دانشگاه کنترل نمی‌شوند، و بیشتر برای به چالش کشیدن امنیت و تخصیص منابع هستند. علاوه بر این، اغلب دانشگاه‌ها باید برای پشتیبانی testbeds تحقیق و پروتکل‌های تجربی ارائه کنند.

مدیریت کافی یک انتقاد مهم در محیط‌های شرکت است و SDN می‌تواند برای اجرای برنامه‌نویسی و تنظیم سیاست‌های شبکه و همچنین کمک به نظارت بر فعالیت‌های شبکه و عملکرد شبکه استفاده شود.

چالش‌ های پژوهش و دستورالعمل‌ های آینده

همان‌گونه که SDN به‌طور گسترده پذیرفته شده است و پروتکل‌هایی مانند OpenFlow بیشتر تعریف شده است، راه‌حل‌های جدید ارائه شده و چالش‌های جدید بوجود می‌آیند. در این بخش در مورد چالش‌های مختلف ناشی از SDN و همچنین تحقیقات آینده بحث می‌کنیم: (1) کنترل و طراحی سوئیچ، (2) مقیاس‌پذیری و عملکرد در SDNs، (3) واسط کنترلر-سرویس ، (4) مجازی‌سازی و برنامه‌های کاربردی سرویس ابری، (5) اطلاعات شبکه محور و (6) شبکه‌های ناهمگن با SDN.

طراحی کنترلر و سوئیچ

SDN به‌طور قابل توجهی مقیاس‌پذیری، عملکرد، نیرومندی و چالش‌های امنیتی را افزایش می‌دهد. در زیر به بررسی تعدادی از تحقیقات متمرکز در پرداختن به این مسائل در سطح طراحی سوئیچ و کنترلر می‌پردازیم.

Devoflow رسیدگی به جریان "کوتاه مدت" در سوئیچ ها و جریان "زندگی طولانی" در کنترلرها را برای کاهش جریان راه‌اندازی و تاخیر سربار کنترلر پیشنهاد داده است. کار ارائه شده در [28] بر خلاف ASIC طرفدار جایگزینی توسط یک جریان از قوانین تطبیق و پردازش آنها در CPU تا دسترسی کارآمد بود. FLARE یک مدل جدید گره شبکه با تمرکز بر" شبکه با برنامه‌ریزی عمیق" بود که برنامه‌ریزی برای داده‌ها، کنترل و همچنین به‌عنوان رابط بین آنها را به‌کار می‌برد. کار ارائه شده در [99] از جنبه‌های مهم در طراحی کنترلر از جمله کنترل سلسله مراتبی، مدل داده‌ها، مقیاس‌پذیری و توسعه مورد بحث قرار گرفته است.

نتیجه‌ گیری

در این مقاله، یک نمای کلی از برنامه‌ریزی شبکه ارائه شده و در این زمینه، به بررسی شبکه نوظهور با تعریف نرم‌افزار (SDN) پرداختیم، باا نگاه به شبکه‌های قابل برنامه‌ریزی، مشاهده می‌کنیم این مسئله از تحولات ایده‌های اولیه تا اخیر است. به‌طور خاص معماری SDN با جزئیات و همچنین استاندارد OpenFlow [2] توصیف شد. پیاده‌سازی SDN فعلی و تست سیستم‌عامل و خدمات شبکه و برنامه‌های کاربردی ارائه و مورد بررسی قرار گرفتند که بر اساس پارادایم SDN توسعه یافته بودند. با بحث در مورد آینده‌ی SDN به پشتیبانی از شبکه‌های ناهمگن به شبکه اطلاعات محور (ICN) رسیدیم.

این مقاله ISI در سال 2014 در نشریه آی تریپل ای و در مجله نظرسنجی و آموزش ارتباطات، توسط دانشگاه فرانسه منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله بررسی شبکه های نرم افزاری تعریف شده در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.