Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu, đánh giá ứng dụng giải pháp SND cho hạ tầng mạng truyền tải trong các telco cloud data center

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu khả năng ứng dụng giải pháp SDN cho mạng truyền tải, đánh giá các tính năng giải pháp SDN (Feature test) cung cấp cho Cloud Data Center, khả năng làm việc liên mạng (interworking) với Cloud ecosystem (Open Stack, servers, storage, hypervisors, …) và các thiết bị IP thông qua giải pháp overlay. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu, đánh giá ứng dụng giải pháp SND cho hạ tầng mạng truyền tải trong các telco cloud data center

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP SDN CHO HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN TẢI TRONG CÁC TELCO CLOUD DATA CENTER LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2021
1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP SDN CHO HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN TẢI TRONG CÁC TELCO CLOUD DATA CENTER Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8480104.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM MẠNH LINH Hà Nội - 2021
2 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Phạm Mạnh Linh, đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi nền tảng kiến thức thức quý báu, tư duy khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn lãnh đạo đơn vị nơi công tác đã tạo điều kiện rất tốt cho tôi hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là các bạn trong đội dự án đã hỗ trợ rất nhiệt tình, giúp tôi tháo gỡ các vướng mắc khó khăn trong thời gian tôi xây dựng và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cám ơn tới gia đình và các bạn trong lớp Cao học Hệ thống thông tin K25 đã luôn bên cạnh, giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Công trình này được tài trợ từ đề tài KHCN cấp ĐHQGHN, Mã số đề tài: QG.20.55. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 3 năm 2021 Học viên Hoàng Văn Dũng
3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm được trình bày trong luận văn này do tôi đề ra và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Mạnh Linh và được thực hiện trong quá trình hợp tác nghiên cứu giữa Tổng Công ty Mạng lưới Viettel và các đối tác. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc một cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo trong luận văn. Trong luận văn, không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo. Hà nội, ngày 15 tháng 3 năm 2021. Học viên Hoàng Văn Dũng
4 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 15 1.1. Tổng quan về Mạng định nghĩa mềm SDN – Software Defined Networking ... 15 1.2. Sự khác biệt giữa SDN với mạng truyền thống ................................................. 15 1.2.1. Về kiến trúc ..................................................................................................... 16 1.2.2. Về tính năng .................................................................................................... 17 1.3. Tìm hiểu kiến trúc của SDN ............................................................................... 18 1.4. Tiềm năng ứng dụng và xu hướng triển khai ..................................................... 19 1.4.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng ......................................................................... 19 1.4.2. Xu hướng triển khai ........................................................................................ 21 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM SDN CỦA CÁC HÃNG VÀ MÃ NGUỒN MỞ ................................................................................................................ 23 2.1. Nghiên cứu các giải pháp ứng dụng của Nokia và Juniper ................................ 23 2.1.1. Nghiên cứu giải pháp SDN của Nokia – Hệ thống Nuage ............................. 23 2.1.1.1. Các dịch vụ ảo hóa VSD.............................................................................. 24 2.1.1.2. Bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC ............................................................. 25 2.1.1.3. Bộ định tuyến, chuyển mạch ảo VRS .......................................................... 26 2.1.1.4. Chính sách bảo mật và chuỗi dịch vụ .......................................................... 27 2.1.2. Giải pháp SDN của Juniper - Contrail ............................................................ 28 2.1.2.1. Kiến trúc Contrail ........................................................................................ 29 2.1.2.2. Contrail SDN controller............................................................................... 30 2.1.2.3. Contrail vRouter .......................................................................................... 32 2.1.2.4. Các giao thức quản lý và điều khiển............................................................ 34 2.1.3. So sánh giải pháp giữa Nuage Nokia và Contrail Juniper .............................. 35 2.2. Nghiên cứu các giải pháp ứng dụng SDN mã nguồn mở ................................... 36 2.2.1. Giải pháp của Tungsten Fabric (TF) ............................................................... 36 2.2.2. Giải pháp của OpenDaylight (ODL) ............................................................... 37 2.2.3. So sánh giải pháp của Tungsten Fabric (TF) và OpenDaylight (ODL) .......... 39 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP TỰ PHÁT TRIỂN ..................................... 40 3.1. Mục tiêu triển khai ............................................................................................. 40 3.2. Phạm vi triển khai............................................................................................... 40 3.3. Tổ chức triển khai ............................................................................................... 40 3.3.1. Quy hoạch đấu nối và triển khai lắp đặt thiết bị ............................................. 40 3.3.2. Cài đặt, tích hợp SDN controller .................................................................... 42
5 3.3.2.1. Cài đặt, tích hợp SDN controller ................................................................. 42 3.3.2.2. Công cụ Skydive .......................................................................................... 42 3.3.3. Đồng bộ tài nguyên ......................................................................................... 43 3.3.4. Triển khai cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN ................................................ 43 3.4. Kết quả triển khai ............................................................................................... 44 3.4.1. Triển khai hệ thống ......................................................................................... 44 3.4.2. Kiểm tra tính năng, test dịch vụ và đảm bảo điều kiện đổ tải......................... 45 3.4.3. Tích hợp, đổ tải và đánh giá ............................................................................ 45 3.5. Đánh giá hệ thống sau khi tích hợp SDN Controller. ........................................ 45 3.6. Đánh giá tiềm năng ứng dụng ............................................................................ 47 3.7. So sánh các tính năng SDN Opensource với truyền thống ................................ 48 3.8. So sánh các SDN Opensource với sản phẩm thương mại .................................. 49 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 52 PHỤ LỤC 1: Kết quả thử nghiệm tại Lab với giải pháp Tungsten Fabric và Opendaylight ...................................................................................................................................... 53
6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ STT Ý nghĩa chữ viết tắt 1 ACL Access Control List (Danh sách điều khiển truy nhập) Application Programming Interface (Giao diện lập trình ứng 2 API dụng) 3 ARP Address Resolution Protocol (Giao thức phân giải địa chỉ) 4 BGP Border Gateway Protocol (Giao thức định tuyến liên vùng) 5 BSS Business Support System (Hệ thống hỗ trợ kinh doanh) Compounded Annual Growth Rate (Tốc độ tăng trưởng hằng 6 CAGR năm kép) 7 CLI Command Line Interface (Giao diện dòng lệnh) 8 CMS Cloud Management System (Hệ thống quản lý đám mây) Communication Service Provider (Các nhà cung cấp dịch vụ 9 CSP truyền thông) Dynamic Host Configuration Protocol (Giao thức cấu hình 10 DHCP máy chủ động) 11 DPI Deep Packet Inspection (Kiểm tra chuyên sâu gói tin) Forwarding Information Base (Cơ sở thông tin chuyển 12 FIB tiếp/Bảng thông tin chuyển tiếp) 13 GUI Graphical User Interface (Giao diện đồ họa người dùng) Interface for Metadata Access Points (Giao diện cho các điểm 15 IF-MAP truy cập siêu dữ liệu) 16 IP Internet Protocol (Giao thức Internet) Intrusion Prevention System (Hệ thống phòng chống xâm 17 IPS nhập) Kernel-based Virtual Machine (Công nghệ ảo hóa phần cứng 18 KVM trên mã nguồn mở tích hợp trong Linux) 19 MAC Media Access Control (Địa chỉ vật lý) 20 MDNS Multicast Domain Name System (Quảng bá tên miền) Multiprotocol Label Switching (Chuyển mạch nhãn đa giao 21 MPLS thức)
7 Ký hiệu/ STT Ý nghĩa chữ viết tắt MPLS over Generic Routing Encapsulation (Giao thức đóng 22 MPLSoGRE gói nhiều loại giao thức lớp network) 23 NETCONF Network Configuration Protocol (Giao thức cấu hình mạng) Network functions virtualization (Công nghệ ảo hóa chức 24 NFV năng mạng) Network Functions Virtualization Infrastructure (Hạ tầng ảo 25 NFVI hóa chức năng mạng) 26 NGINX Máy chủ web kiến trúc đơn luồng, hướng sự kiện Open Networking Foundation (Tổ chức phát triển SDN thông 27 ONF qua việc nghiên cứu các tiêu chuẩn mở) 28 ONOS Open Network Operating System (Hệ điều hành mạng mở Open Platform for NFV (Nền tảng mã nguồn mở cho Công 29 OPNFV nghệ ảo hóa chức năng mạng) 30 OSS Operations Support System (Hệ thống hỗ trợ vận hành mạng) 31 OVA Open Virtualization Format (Định dạng ảo hóa mở) 32 OVS Open vSwitch (Chuyển mạch ảo) Open vSwitch Database Management Protocol (Giao thức 33 OVSDB quản lý cơ sở dữ liệu bộ chuyển mạch ảo) 34 QoS Quality of Service (Chất lượng dịch vụ) Ứng dụng sử dụng kiến trúc REST (REpresentational State 35 RESTful Transfer - Chuyển trạng thái đại diện) là một chuẩn thiết kế API cho Web services Software Defined Networking (Mạng điều khiển bằng phần 36 SDN mềm) Service Routing Operation System (Hệ điều hành định tuyến 37 SROS dịch vụ) Transmission Control Protocol/ Internet Protocol - Giao thức 38 TCP/IP điều khiển truyền nhận/ Giao thức liên mạng User Diagram Protocol (Giao thức truyền gói dữ liệu người 39 UDP dùng) 40 UI User Interface (Giao diện người dùng) 41 VLAN Virtual Local Area Network (Mạng LAN ảo) 42 VM Virtual Machine (Máy ảo) 43 VNI Virtual Network Identifier (Định danh mạng ảo)
8 Ký hiệu/ STT Ý nghĩa chữ viết tắt 44 VPLS Virtual Private LAN Service (Dịch vụ mạng LAN riêng ảo) 45 vPort Virtual Ports (Cổng giao tiếp ảo) Virtual Routing and Switching (Chuyển mạch và định tuyến 46 VRS ảo) 47 VSC Virtualized Services Controller (Bộ điều khiển dịch vụ ảo) Nuage Virtualized Services Directory (Thư mục dịch vụ ảo 48 VSD của Nuage) 49 VSG Virtualized Services Gateway (Cổng dịch vụ ảo) 50 VSN Virtualized Services Node (Node dịch vụ ảo) 51 VSP Virtualized Services Platform (Nền tảng dịch vụ ảo hóa) VXLAN Tunnel endpoint (Điểm đầu/cuối của VXLAN 52 VTEP tunnel) 53 VXLAN Virtual Extensible LAN Extensible Messaging and Presence Protocol (Giao thức mở 54 XMPP và dựa trên nền tảng XML dùng trong nhắn tin nhanh)
9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 - So sánh giải pháp giữa Nokia và Juniper..................................................... 36 Bảng 3.1 - Quy hoạch đấu nối ....................................................................................... 41 Bảng 3.2 - Đánh giá hệ thống trước và sau khi tích hợp SDN ......................................46 Bảng 3.3 - Đánh giá tính năng giải pháp SDN mã nguồn mở tự phát triển ..................49
10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - So sánh kiến trúc mạng truyền thống và SDN .............................................16 Hình 1.2 - Kiến trúc SDN .............................................................................................. 18 Hình 1.3 - Lớp điều khiển SDN .................................................................................... 19 Hình 1.4 - Biểu đồ Hype Cycle cho vận hành cung cấp dịch vụ truyền thông 2019 ....20 Hình 1.5 - Dự báo quy mô thị trường SDN 2019-2025 ................................................21 Hình 2.1 - Kiến trúc hệ thống Nuage Nokia..................................................................23 Hình 2.2 - Các dịch vụ ảo hóa VSD ..............................................................................24 Hình 2.3 – Bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC ............................................................. 26 Hình 2.4 – Bộ định tuyến và chuyển mạch ảo............................................................... 26 Hình 2.5 – Cơ chế làm việc chính sách bảo mật ........................................................... 28 Hình 2.6 – Kiến trúc Contrail - Juniper .........................................................................29 Hình 2.7 – Contrail SDN controller ..............................................................................30 Hình 2.8 - Analytics Node ............................................................................................. 31 Hình 2.9 - Configuration Node ...................................................................................... 31 Hình 2.10 – Control Node ............................................................................................. 32 Hình 2.11 – Computer Node ......................................................................................... 33 Hình 2.12 - Kiến trúc OpenDayLight ............................................................................38 Hình 3.1 - Sơ đồ lắp đặt .................................................................................................41 Hình 3.2 - Mô hình cắt chuyển ...................................................................................... 42 Hình 3.3 – Các bước cắt chuyển.................................................................................... 44 Hình 3.4 - Giám sát bằng công cụ Skydive ...................................................................45 Hình 3.5- Sơ đồ kiến trúc tổng thể của hệ thống dịch vụ phân tích cảnh báo lan truyền dịch bệnh trên đàn gia súc ............................................................................................. 47
11 MỞ ĐẦU Trên thế giới, SDN đang là xu hướng công nghệ quan trọng mà tất cả các Tier 1 Operator theo đuổi (Gartner một công ty tư vấn công nghệ hàng đầu thế giới đã chỉ ra rằng trong 05 năm nữa SDN sẽ chín muồi) [1]. Một trong những môi trường thuận lợi và dễ triển khai SDN nhất là các Cloud Data Center. Hiện nay, các nhà cung cấp nội dung lớn như Google, Facebook, Amazon đã ứng dụng triển khai SDN vào trong các Data Center. Các Tier 1 Operator cũng đã từng bước đưa SDN vào Data Center và thực hiện ảo hóa các thành phần điều khiển, như AT&T đưa ra mục tiêu ảo hóa được 75% các phần tử trong mạng vào năm 2020. Global Market Insights dự báo quy mô thị trường SDN được dự báo lên đến 100 tỷ USD vào năm 2025 và ước tính sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) hơn 40% trong khoảng thời gian dự báo 2019-2025 [6]. Nhìn chung, các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông (CSP) hàng đầu trên thế giới đã đưa vào triển khai SDN trong những năm gần đây. Các thiết bị chuyển mạch hộp trắng (white-box switches) được lựa chọn bởi chúng có thể được lập trình để linh hoạt sử dụng các giao thức khác nhau, như OpenFlow hoặc các biến thể khác của southbound API để tạo các kết nối định tuyến. Các CSP triển khai SDN trong các phân đoạn khác nhau trên cơ sở hạ tầng của họ tùy thuộc vào các mong muốn triển khai tập trung vào tự động hóa hoạt động của các phân đoạn này. Tuy nhiên, nhiều CSP vẫn đang theo dõi sự phát triển SDN, dự kiến sẽ mất nhiều năm trước khi triển khai SDN với quy mô lớn. Một số nhà cung cấp sản phẩm đã được hình thành và một số nhà cung cấp mới nổi tiếp tục phát triển công nghệ SDN. Cũng có một số cộng đồng mã nguồn mở phát triển phần mềm SDN theo cách riêng của họ. Việc thiếu các tiêu chuẩn chung, các vấn đề về khả năng tương tác đa tầng, các tính năng kiểm soát dịch vụ không đầy đủ, quá tập trung các chức năng kiểm soát và dẫn đến sự thiếu hiệu quả với lưu lượng kiểm soát và những lo ngại về việc tuân thủ và bảo mật của các bộ điều khiển SDN tập trung là những rào cản lớn đối với việc áp dụng SDN quy mô lớn. Bất chấp những rào cản này, các dịch vụ truyền thông đang tiến lên với việc triển khai SDN vì lợi ích của SDN vượt xa các vấn đề tiềm ẩn nói trên. Việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới nói chung và nhất là các công nghệ liên quan đến tự động hóa, thông minh hạ tầng mạng truyền tải viễn thông và CNTT nói riêng luôn là thách thức mà đội ngũ kỹ thuật Viettel luôn nỗ lực vượt qua để bắt kịp xu hướng phát triển và tiến tới làm chủ công nghệ mới. SDN là một trong những ứng dụng phổ biến đối với mạng truyền tải hiện nay mà các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông định hướng triển khai, với việc phân tách phần điều khiển mạng (Control Plane) và chức năng vận chuyển dữ liệu (Forwarding Plane/Data Plane), SDN cho phép việc điều khiển mạng có thể lập trình được dễ dàng và cơ sở hạ tầng mạng độc lập với các ứng dụng và dịch vụ mạng. Đây là hệ thống quan trọng mà đội ngũ kỹ thuật Viettel đã nghiên cứu, ứng dụng trên cơ sở hợp tác với các nhà cung cấp Nokia và Juniper và định hướng tự phát
12 triển nền tảng mã nguồn mở để triển khai cho hạ tầng mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data center và mạng Metro trong tương lai gần. Bản thân là một trong những thành viên tham gia dự án nghiên cứu ứng dụng SDN vào mạng lưới Viettel, tôi xin giới thiệu đề tài: " NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP SDN CHO HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN TẢI TRONG CÁC TELCO CLOUD DATA CENTER". Với mong muốn hiểu được cơ chế hoạt động của mạng điều khiển bằng phần mềm và bản thân có thể triển khai thiết lập được hệ thống khi đưa vào mạng thật, tôi đã đặt mục tiêu nghiên cứu các nội dung sau đây: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:  Tìm hiểu kiến trúc, hiệu quả lợi ích giải pháp ứng dụng SDN đối với mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center, làm rõ cơ chế phân tách phần điều khiển mạng và chức năng vận chuyển dữ liệu của hệ thống, các công nghệ, giao thức hoạt động trong quá trình vận hành của hệ thống trên hạ tầng mạng truyền tải, các ưu/nhược điểm giải pháp ứng dụng của các hãng/phát triển từ mã nguồn mở.  Tổ chức triển khai thử nghiệm, đánh giá so sánh giải pháp của các nhà cung cấp/mã nguồn mở khác nhau để định hướng lựa chọn giải pháp phù hợp và phương án kỹ thuật phục vụ lộ trình ứng dụng trên mạng truyền tải. Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu khả năng ứng dụng giải pháp SDN cho mạng truyền tải, đánh giá các tính năng giải pháp SDN (Feature test) cung cấp cho Cloud Data Center, khả năng làm việc liên mạng (interworking) với Cloud ecosystem (Open Stack, servers, storage, hypervisors, …) và các thiết bị IP thông qua giải pháp overlay. Đối tượng nghiên cứu:  Giải pháp SDN của các hãng Nokia và Juniper.  Giải pháp SDN mã nguồn mở Tungsten Fabric và OpenDayLight.  Ứng dụng giải pháp trên mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center. Phạm vi nghiên cứu:  Tổng quan về SDN.  Giải pháp SDN của Nokia và Juniper, giải pháp SDN mã nguồn mở Tungsten Fabric và OpenDayLight.  Triển khai thử nghiệm: Thiết kế hệ thống, xây dựng kịch bản thử nghiệm, tổ chức triển khai lắp đặt, tích hợp, cấu hình hệ thống và đánh giá tính năng, độ ổn định, khả năng làm việc interworking với nhiều phần cứng khác nhau để đề xuất lộ trình ứng dụng trên mạng lưới. Phương pháp nghiên cứu:  Nghiên cứu lý thuyết về SDN cho mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center với mục tiêu là hiểu được nền tảng cơ bản.  Nghiên cứu giải pháp SDN của Nokia và Juniper với mục tiêu là hiểu và triển khai được công nghệ.
13  Nghiên cứu giải pháp SDN mã nguồn mở Tungsten Fabric và OpenDayLight với mục tiêu là hiểu và triển khai được công nghệ.  Tổng hợp, so sánh, đánh giá, đưa ra nhận định, đề xuất lộ trình ứng dụng.  Tìm hiểu về các phần tử liên quan trên mạng lưới (thiết bị, ứng dụng trên mạng truyền tải hiện tại) với mục tiêu lựa chọn các testcase, đánh giá, lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu phù hợp. Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng lab thử nghiệm trên nền tảng do đối tác cung cấp/tự phát triển và thiết bị hiện có phục vụ cho việc đánh giá các testcase theo mục tiêu kịch bản đã xây dựng. Vai trò tác giả trong dự án nghiên cứu, thực nghiệm tại đơn vị:  Chủ trì tổ chức nghiên cứu, lựa chọn giải pháp thử nghiệm giai đoạn 1 (nghiên cứu xu thế, tiềm năng của giải pháp; test thử nghiệm giải pháp của các hãng và giải pháp mã nguồn mở).  Tổ chức thiết lập, cấu hình, tích hợp Lab thử nghiệm; tham gia test thử nghiệm và nghiệm thu giải pháp tự phát triển. Với các mục tiêu xác định cụ thể như trên, kết quả của luận văn dự kiến sẽ đưa ra được lựa chọn giải pháp ứng dụng phù hợp cho mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center và lộ trình triển khai trên mạng thật cũng như định hướng xây dựng nền tảng tự phát triển trong tương lai. Luận văn được cấu trúc như sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về SDN, so sánh khác biệt giữa SDN và công nghệ mạng truyền thống về cấu trúc và tính năng. Tìm hiểu kiến trúc của giải pháp ứng dụng SDN cũng như tiềm năng và xu hướng triển khai của các nhà mạng trên thế giới. CHƯƠNG 2: THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP SDN CỦA CÁC HÃNG VÀ MÃ NGUỒN MỞ Chương 2 được trình bày qua 2 phần. Phần thứ nhất giới thiệu các giải pháp ứng dụng SDN của Nokia và Juniper cho mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center. Phần thứ hai trình bày về nội dung nghiên cứu và kết quả thử nghiệm trên Lab giải pháp mã nguồn mở Tungsten Fabric và OpenDayLight cũng như so sánh, phân tích đánh giá tính ứng dụng phù hợp của 2 giải pháp này. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP TỰ PHÁT TRIỂN Chương 3 là chương chuyển thể các kiến thức nghiên cứu, test thử nghiệm trên lab và giải pháp tự phát triển hệ thống SDN Opensource thành nội dung ứng dụng thực tế trên mạng thật. Chương này đưa ra thực nghiệm tích hợp giải pháp tự phát triển vào hệ thống Private Cloud DC. Tuy nhiên, để kết quả thực nghiệm là một giải pháp ứng dụng hiệu quả trên diện rộng trong mạng truyền tải của Viettel, ngoài việc tối ưu lại hệ thống thì còn phải phát
14 triển bổ sung các tính năng nâng cao nhằm đáp ứng nhu cầu không chỉ cho mạng truyền tải Telco Cloud Data Center mà còn đối với mạng truyền tải IP. Trên đây là giới thiệu cơ bản nội dung về luận văn tốt nghiệp của bản thân. Nội dung thực hiện chỉ mới là quan điểm và tư duy cá nhân, sẽ còn nhiều tồn tại và thiết sót. Do vậy, rất mong quý thầy cô, bạn học và nhất là các thầy cô giáo trong hội đồng bảo vệ tốt nghiệp cho ý kiến đóng góp để luận văn được hoàn thiện. Kết quả luận văn là kết quả triển khai dự án thực tế tại Viettel mà bản thân tác giả là một thành viên của đội dự án.
15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về Mạng định nghĩa mềm SDN – Software Defined Networking 1.1.1. Nhu cầu và nguyên nhân ra đời Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí cho việc vận hành và quản trị hệ thống mạng cho các tổ chức doanh nghiệp. Đối với một kiến trúc mạng truyền thống, mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển đều cùng nằm trên một thiết bị vật lý và mỗi thiết bị độc lập về mặt chức năng với nhau, các chính sách chuyển tiếp lưu lượng hoạt động trên trên mỗi thiết bị riêng và không có giao diện có khả năng hiển thị toàn bộ mạng. Khi số lượng thiết bị trên mạng lưới càng nhiều, thì càng gây nên sự phức tạp trong mạng và làm khó khăn cho người quản trị mạng trong quá trình vận hành và điều khiển. Cùng với các thay đổi về mô hình mạng, sự gia tăng của các dịch vụ đám mây và nhu cầu phát triển của các nhà khai thác băng thông dịch vụ đưa ra một yêu cầu cần phải phát triển một giải pháp mới. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kiến trúc mạng mà ở đó nhiệm vụ điều khiển mạng được xử lý bởi các bộ điều khiển và các bộ điều khiển đó có thể tác động tới phần cứng, bộ nhớ và các chức năng của các thiết bị định tuyến (router), chuyển mạch (switch) để đạt được mục đích của người sử dụng. Do đó, mạng lưới trở nên linh hoạt hơn, hiệu suất sử dụng cao hơn và dễ quản lý hơn. 1.1.2. Khái niệm về mạng SDN Trên thế giới hiện có nhiều định nghĩa về mạng SDN nhưng theo tổ chức ONF (Open Networking Foundation – một tổ chức hỗ trợ phát triển SDN thông qua việc nghiên cứu các tiêu chuẩn mở phù hợp) thì mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một kiểu kiến trúc mạng mới, năng động, dễ quản lý, chi phí hiệu quả, dễ thích nghi và rất phù hợp với nhu cầu mạng ngày càng tăng hiện nay. Kiến trúc này phân tách chức năng điều khiển mạng (Control Plane) và chức năng vận chuyển dữ liệu (Forwarding Plane/Data Plane), điều này cho phép việc điều khiển mạng có thể lập trình được dễ dàng và hạ tầng mạng vật lý độc lập với các ứng dụng và dịch vụ mạng. Một cách định nghĩa khác theo quan điểm của chuyên gia phân tích Ramesh Marimuthu và Amresh Nandan (Gartner): Mạng được định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một cách tiếp cận kiến trúc để thiết kế, xây dựng và vận hành mạng và cho phép khả năng lập trình của các phần tử mạng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ có thể đạt được sự linh hoạt và tăng trưởng kinh doanh thông qua các sản phẩm dịch vụ mới với thời gian nhanh hơn để tiếp thị cùng với các hoạt động tự động và hiệu quả về chi phí. SDN tách mặt phẳng điều khiển khỏi mặt phẳng chuyển tiếp, sự tách biệt này cho phép khả năng lập trình các chức năng điều khiển mạng độc lập với hạ tầng bên dưới [1]. 1.2. Sự khác biệt giữa SDN với mạng truyền thống
16 Để hiểu rõ sự khác biệt giữa SDN và mạng truyền thống, chúng ta sẽ xem xét trên 2 khía cạnh: kiến trúc và tính năng của chúng. 1.2.1. Về kiến trúc Đối với hệ thống mạng truyền thống, các thiết bị mạng lớp 2 và lớp 3 phải đảm nhận nhiều chức năng để đảm bảo hoạt động, ví dụ các chức năng của Layer switch hiện nay như VLAN, Spanning tree, Quality of Service, Security… và đa số các thiết bị mạng và các giao thức này hoạt động độc lập với nhau vì mỗi nhà sản xuất thiết bị cung cấp các giải pháp mạng khác nhau. Điều này tạo ra sự phân mảnh đối với toàn bộ hệ thống mạng đồng thời làm giảm hiệu năng hoạt động. Đối với mạng điều khiển bằng phần mềm SDN, việc điều khiển được tập trung tại lớp Controller Layer, các thiết bị mạng chỉ có nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin do đó sự khác biệt giữa các nhà sản xuất sẽ không ảnh hưởng tới toàn hệ thống mạng. Điều này tương tự như sự phát triển của máy tính hiện nay, mỗi máy tính được sản xuất và cung cấp bởi các hãng khác nhau (như Dell, HP, IBM, Apple, Google...) và chạy các hệ điều hành khác nhau (như Windows, MacOS, Linux, Unix, …) nhưng đều có khả năng truy cập và sử dụng internet dựa trên giao thức mạng TCP/IP [2]. Về phía người quản trị mạng, họ không cần trực tiếp làm việc tại các thiết bị mạng để cấu hình, tích hợp vào hệ thống mà chỉ cần thông qua các API đã được cung cấp cùng với kiến thức cơ bản về TCP/IP đều có thể xây dựng ứng dụng cho toàn hệ thống mạng. Với khả năng quản lý tập trung, SDN mang lại nhiều lợi ích tuy nhiên cũng mở ra nhiều nguy cơ về bảo mật hơn so với hệ thống mạng truyền thống. Có thể thấy sự khác biệt cơ bản (Hình 1.1) giữa mạng truyền thống và mạng SDN cụ thể qua 3 điểm sau: Hình 1.1 - So sánh kiến trúc mạng truyền thống và SDN
17  Chức năng điều khiển và chức năng chuyển tiếp dữ liệu trên mạng truyền thống đều được tích hợp trong cùng một thiết bị mạng trong khi trong 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.  Chức năng thu thập và xử lý các thông tin: Đối với mạng truyền thống, chức năng này được thực hiện ở tất cả các phần tử trong mạng còn trong mạng SDN, nó được xử lý tập trung tại bộ điều khiển SDN.  Mạng truyền thống không thể được lập trình bởi các ứng dụng. Việc cấu hình các thiết bị mạng được thực hiện một cách riêng lẻ và thủ công. Trong khi đối với SDN, mạng sẽ được lập trình bởi các ứng dụng, bộ điều khiển SDN có thể tương tác đến tất cả các thiết bị trong mạng. Phần điều khiển được tách rời và được tập trung ở bộ điều khiển SDN. Điều này có nghĩa là các thiết bị mạng ở lớp thiết bị phần cứng không cần phải hiểu và xử lý các giao thức phức tạp mà chúng chỉ nhận và vận chuyển dữ liệu theo một đường nào đó dưới sự chỉ huy của bộ điều khiển SDN. Dựa vào bộ điều khiển SDN mà các nhà khai thác và quản trị mạng có thể lập trình cấu hình trên đó thay vì phải thực hiện thủ công hàng ngàn câu lệnh cấu hình trên các thiết bị riêng lẻ. Điều này giúp triển khai các ứng dụng mới và các dịch vụ mạng một cách nhanh chóng. 1.2.2. Về tính năng Sự khác biệt căn bản nhất giữa SDN và mạng truyền thống là SDN dựa trên phần mềm trong khi mạng truyền thống thường dựa trên phần cứng. Do dựa trên phần mềm, SDN linh hoạt hơn, cho phép người dùng kiểm soát tốt hơn và dễ dàng quản lý tài nguyên hầu như trên chỉ trên mặt phẳng điều khiển. Ngược lại, các mạng truyền thống sử dụng các bộ chuyển mạch, bộ định tuyến và cơ sở hạ tầng vật lý khác để tạo kết nối và giao tiếp trên mạng [3]. Bộ điều khiển SDN sử dụng giao diện giao tiếp với các API. Với giao diện này, các nhà phát triển ứng dụng có thể lập trình trực tiếp mạng, trái ngược với việc sử dụng các giao thức được yêu cầu bởi mạng truyền thống. SDN cho phép người dùng sử dụng phần mềm để cung cấp các thiết bị mới thay vì sử dụng cơ sở hạ tầng vật lý, do đó, quản trị viên có thể định tuyến đường truyền, lưu lượng cũng như chủ động lập lịch cho các dịch vụ mạng. Không giống như các thiết bị chuyển mạch truyền thống, SDN còn có khả năng giao tiếp tốt hơn với các thiết bị sử dụng mạng. Ảo hóa là điển hình cho sự khác biệt chính giữa SDN và mạng truyền thống. Khi SDN ảo hóa toàn bộ mạng, nó sẽ tạo một bản sao của mạng vật lý và cho phép cung cấp tài nguyên từ một vị trí tập trung. Ngược lại, với một mạng truyền thống, vị trí vật lý của mặt phẳng điều khiển (nằm phân tán trên các thiết bị mạng) sẽ cản trở khả năng quản trị viên có thể kiểm soát luồng lưu lượng.
18 Với SDN, mặt phẳng điều khiển được xây dựng dựa trên phần mềm, cho phép truy cập thông qua một thiết bị được kết nối. Quyền truy cập này cho phép quản trị viên quản lý lưu lượng từ giao diện người dùng tập trung (UI) với độ chi tiết và chính xác cao. Vị trí tập trung này cho phép người dùng kiểm soát tốt hơn cách thức hoạt động của mạng và cách cấu hình mạng. Khả năng xử lý nhanh các cấu hình mạng khác nhau từ giao diện người dùng tập trung đặc biệt có lợi thế trong việc phân tách và quản lý các node mạng. SDN trở thành một giải pháp thay thế phổ biến cho mạng truyền thống vì nó cho phép các quản trị viên quản lý tập trung và cung cấp tài nguyên, băng thông khi cần mà không cần đầu tư thêm cơ sở hạ tầng vật lý. Mạng truyền thống đòi hỏi phần cứng mới để tăng dung lượng mạng. Mô hình cho SDN so với kết nối mạng truyền thống có thể tóm tắt đơn giản như việc với một cái thì yêu cầu nhiều thiết bị hơn để mở rộng và cái còn lại chỉ cần gõ phím và thao tác trên một màn hình! 1.3. Tìm hiểu kiến trúc của SDN Về cơ bản, SDN được chia làm ba lớp: lớp ứng dụng (Application Layer), lớp điều khiển (Control Layer) và lớp thiết bị hạ tầng (Infrastructure Layer). Các lớp sẽ liên kết với nhau thông qua giao thức hoặc các API (Hình 1.2). Hình 1.2 - Kiến trúc SDN Lớp ứng dụng SDN là các chương trình giao tiếp với bộ điều khiển SDN thông qua các giao diện lập trình ứng dụng API, cho phép lớp ứng dụng lập trình (cấu hình) mạng (ví dụ như điều chỉnh các tham số trễ, băng thông, định tuyến, …) qua lớp điều khiển để tối ưu hoạt động của mạng lưới theo một yêu cầu cụ thể của người quản trị. Ngoài ra, các ứng dụng sẽ đưa ra mô hình trực quan về mạng lưới bằng cách thu thập thông tin từ bộ điều khiển cho các mục đích ra quyết định. Các ứng dụng này có thể bao gồm quản lý mạng, phân tích hoặc các ứng dụng kinh doanh được sử dụng để chạy các trung tâm
19 dữ liệu lớn. Ví dụ: Một ứng dụng phân tích có thể được xây dựng để nhận ra hoạt động mạng đáng ngờ vì mục đích bảo mật. Lớp thiết bị hạ tầng (Infrastructure Layer) bao gồm các thiết bị mạng (thiết bị vật lý hoặc ảo hóa) thực hiện việc chuyển tiếp gói tin dưới sự điều khiển của Lớp điểu khiển. Một thiết bị mạng có thể hoạt động theo sự điều khiển của nhiều controller khác nhau, điều này giúp tăng cường khả năng ảo hóa của mạng. Lớp điều khiển là trung tâm của kiến trúc mạng SDN. Nó cung cấp cho người quản trị tổng quát về toàn mạng, quyết định triển khai các chính sách và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong hạ tầng mạng. Nó cung cấp một giao diện Northbound API cho việc giao tiếp với lớp ứng dụng. Thực hiện các chính sách quyết định liên quan tới định tuyến, chuyển tiếp, redirect, cân bằng tải, hoặc tương tự (Hình 1.3). Hình 1.3 - Lớp điều khiển SDN  Bên trong SDN controller chưa các module giúp quản lý topo mạng, quản lý trạng thái, quản lý các thiết bị, quản lý các cảnh báo, tính toán đường đi ngắn nhất và cung cấp các kỹ thuật bảo mật.  SDN controller sử dụng giao điện Southbound để giao tiếp với các thiết bị lớp hạ tầng. Các giao thức phổ biến là Openflow, OVSDB, ForCES, OF-Config... Thông qua các giao thức này SDN controller có thể cấu hình và thu thập các thông tin trạng thái trên thiết bị.  Nền tảng SDN có thể sử dụng để triển khai trên nhiều mô hình khác nhau như trong các Data center, Lan, Wan, Telecom, Enterprise… 1.4. Tiềm năng ứng dụng và xu hướng triển khai 1.4.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng Chúng ta sẽ phân tích tiềm năng của SDN trong tương lai bằng việc phân tích biểu đồ Hype Cycle của Gartner – một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ thông tin hàng đầu thế giới. Theo nghiên cứu của Gartner [1] SDN hiện tại đang trong quá trình thứ 2 – Đỉnh kỳ vọng (Peak of Inflated Expectations) với việc giới truyền thông đưa tin về một số sản phẩm ứng dụng SDN thành công và thất bại của các nhà cung cấp dịch vụ, các Tier 1 Operator đã đưa ra các hành động, còn hầu hết thì không hoặc chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu, tìm hiểu để triển khai thử nghiệm. Phần lớn các nhà cung cấp dịch vụ vẫn đang thận trọng tìm hướng tiếp cận phù hợp, chiêu mộ nhân tài và lên kế hoạch đầu tư trong tương lai (Hình 1.4).