Whitepaper. SDN 101: Eine Einführung in softwaredefiniertes Networking. citrix.de

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1 SDN 101: Eine Einführung in softwaredefiniertes Networking citrix.de

2 Im Bereich Networking befanden sich unter den angesagtesten Themen des letzten Jahres softwaredefiniertes Networking (SDN) und Netzwerk-isierung (NV). Bei IT-Abteilungen in Unternehmen gibt es jedoch noch viele Missverständnisse zu diesen Themen. Für diese Missverständnisse gibt es eine Vielzahl von Gründen. Einer davon ist die Vielzahl an Anbietern, die Lösungen für unterschiedliche Problemstellungen anbieten, die aus unterschiedlichen Lösungsarchitekturen und -technologien bestehen. Jeder von ihnen behauptet, SDN und/oder NV-Lösungen anzubieten. Das Hauptziel dieses Whitepapers ist es, diese Missverständnisse aus dem Weg zu räumen. Um das zu erreichen, wird SDN in diesem Whitepaper im Kontext einer umfassenden Bewegung betrachtet, um einen besseren Fokus auf softwarebasierte Lösungen zu haben. Zudem werden die Probleme genannt, die mithilfe von SDN gelöst werden können. In diesem Whitepaper werden sowohl SDN als auch NV diskutiert und die Beziehung zwischen diesen beiden sich verbreitenden Networking-Konzepten beschrieben. Hintergrund Herkömmliches Datennetzwerk In herkömmlichen Networking-Ansätzen wird der Großteil der Netzwerkfunktionen in einem dedizierten Gerät implementiert, zum Beispiel einem Switch, Router oder Application Delivery Controller. Außerdem wird in diesem dedizierten Gerät der Großteil aller Funktionen in Form einer dedizierten Hardware wie beispielsweise einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) implementiert. Dieser Ansatz zur Entwicklung von Netzwerkgeräten weist folgende Hauptmerkmale auf: Die ASICs, die die Netzwerkfunktionen bereitstellen, entwickeln sich nur langsam; Die Entwicklung der ASIC-Funktionen erfolgt unter der Kontrolle des Geräteherstellers; Die Geräte sind proprietär; Jedes Gerät wird individuell konfiguriert; Aufgaben wie das Provisioning, das Change Management und das De-Provisioning sind sehr zeitaufwändig und fehleranfällig. citrix.de 2

3 Networking-Organisationen stehen unter dem wachsenden Druck, effizienter und flexibler sein zu müssen, als es mit einem herkömmlichen Networking-Ansatz möglich ist. Eine Ursache für diesen Druck ist die großflächige Verbreitung der Server-isierung. Virtuelle Maschinen (VMs) sind ein Teil der Server-isierung und werden innerhalb von Sekunden oder Minuten dynamisch von einem Server auf einen anderen verlegt. Wenn jedoch diese Verlagerung einer VM über eine Layer-3-Grenze hinweg stattfindet, kann es Tage oder Wochen dauern, das Netzwerk so zu rekonfigurieren, dass die VM an ihrem neuen Standort unterstützt wird. Es ist unter Umständen schwierig, exakt zu definieren, was man unter einem flexiblen Netzwerk versteht. Wenn nun also die Verlagerung einer VM eine Netzwerk- Neukonfigurierung von einigen Wochen nach sich zieht, ist das betroffene Netzwerk nicht flexibel. Zusammenfassend kann man folgende Aussagen treffen: ein herkömmliches Netzwerk entwickelt sich langsam; seine Funktionen sind je nachdem, was die ASIC- und Netzwerkgerät-Anbieter zur Verfügung stellen, eingeschränkt; es verursacht vergleichsweise hohe Betriebsausgaben und ist von relativ statischer Natur. SDN verspricht, ohne diese Beschränkungen auszukommen. Der Übergang zur Software Es wurde bereits angemerkt, dass das herkömmliche Datennetzwerk weitgehend hardwarezentriert ist. Jedoch führte die Umstellung auf virtualisierte Netzwerk-Appliances und das immer größer werdende Interesse an Software-Defined Datencentern(SDDCs) in den letzten Jahren dazu, dass man immer mehr auf softwarebasierte Netzwerkfunktionalität gesetzt hat. Mitte bis Ende der 2000er-Jahre beispielsweise bestanden Netzwerkgeräte wie WAN Optimization Controller (WOCs) und Application Delivery Controller (ADCs) aus zweckgebundener Hardware. Das bedeutet, dass Funktionen wie Verschlüsselung/Entschlüsselung und die Verarbeitung von TCP-Strömen von einer speziell für diesen Zweck entwickelten Hardware durchgeführt wurden. Hauptsächlich aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Flexibilität ist es nun üblich, die Funktionen eines WOC oder ADC von einer Software ausführen zu lassen, die sich auf einem Standard-Server oder einer VM befindet. Ein SDDC könnte man als komplettes Gegenstück zu den herkömmlichen Rechenzentrumsnetzwerken bezeichnen, die gerade beschrieben wurden. Eines der Hauptmerkmale eines softwaredefinierten Rechenzentrums ist beispielsweise, dass die komplette Rechenzentrums-Infrastruktur virtualisiert und als Service bereitgestellt wird. Ein weiteres Hauptmerkmal besteht darin, dass die automatisierte Kontrolle der Rechenzentrums-Anwendungen und -Services über ein richtlinienbasiertes Management System bereitgestellt wird. Mögliche Vorteile Bei grundlegend neuen Technologieansätzen bestehen häufig Missverständnisse darüber, in welchen Bereichen diese neuen Ansätze Vorteile aufweisen. Um einen neuen Technologieansatz wie SDN erfolgreich zu bewerten und einzuführen, müssen IT-Organisationen die Vorteile ermitteln, die der Organisation wichtig sind und die mit diesem neuen Ansatz ermöglicht werden. Nach all den Diskussionen zum Thema SDN in den letzten Jahren haben sich die folgenden als wahrscheinlichste Vorteile von SDN herauskristallisiert: Unterstützung der dynamischen Bewegung, Replikation und Zuteilung virtueller Ressourcen; Vereinfachte administrative Aufgaben wie Konfiguration und Bereitstellung von Funktionen wie QoS und Sicherheitsfunktionen; citrix.de 3

4 Vereinfachte Bereitstellung und Skalierbarkeit von Netzwerkfunktionen; Traffic Engineering mit einer End-to-End-Sicht des Netzwerks; Effizientere Verwendung von Netzwerkressourcen; Verringerte Betriebsausgaben; Netzwerkfunktionen können, basierend auf einem Software-Entwicklungszyklus, schneller entwickelt werden; Anwendungen können bei Bedarf dynamisch Services vom Netzwerk anfordern; Effizientere Sicherheitsfunktionen; Verringerte Komplexität. Softwaredefiniertes Networking Die Open Networking Foundation (ONF) ist die Gruppe, die hauptsächlich mit der Entwicklung und Standardisierung von SDN in Verbindung gebracht wird. Laut ONF 1 ist softwaredefiniertes Networking (SDN) ein im Trend liegende Architektur, die dynamisch, verwaltbar, kosteneffizient und anpassungsfähig ist. Dadurch ist SDN ideal für die dynamischen Anwendungen von heute geeignet, die eine hohe Bandbreite erfordern. Diese Architektur entkoppelt Netzwerkkontroll- und Weiterleitungsfunktionen und ermöglicht es, die Netzwerkkontrolle direkt programmierbar zu machen. Die darunterliegende Infrastruktur wird somit abstrahiert und für Anwendungen und Netzwerk-Services verfügbar gemacht. Das OpenFlow -Protokoll ist ein grundlegendes Element für die Erstellung von SDN-Lösungen. Laut ONF ist die SDN-Architektur: direkt programmierbar: Die Netzwerkkontrolle ist direkt programmierbar, da sie von den Weiterleitungsfunktionen losgelöst ist. flexibel: Die Trennung von Kontroll- und Weiterleitungsfunktionen ermöglicht Administratoren, netzwerkweite Datenverkehrsströme anzupassen, um dadurch wechselnden Anforderungen gerecht zu werden. zentral verwaltet: Die Netzwerkintelligenz ist (logisch) in softwarebasierten SDN-Controllern zentralisiert, die eine globale Ansicht des Netzwerks aufrechterhalten. Diese wird von Anwendungen und Policy Engines als einzelner, logischer Switch angesehen. programmatisch konfiguriert: Ein SDN ermöglicht es Netzwerkmanagern, mithilfe von dynamischen, automatisierten SDN-Programmen Netzwerkressourcen schnell zu konfigurieren, zu managen, abzusichern und zu optimieren. Diese können sie selbst schreiben, da sie nicht von proprietärer Software abhängig sind. auf offenen Standards basierend und anbieterunabhängig: SDN vereinfacht wenn über offene Standards implementiert das Netzwerkdesign und den Netzwerkbetrieb, da Anweisungen von den SDN-Controllern stammen, anstatt von mehreren, anbieterspezifischen Geräten und Protokollen. 1 citrix.de 4

5 Abbildung 1 zeigt eine graphische Darstellung einer SDN-Architektur nach Vorbild von ONF. Application Layer Business Applications API API API Control Layer SDN Control Software Network Services Network Services Network Services Infrastructure Layer Control Data Plane interface (e.g., OpenFlow) Network Device Network Device Network Device Network Device Network Device Abbildung 1: Die SDN-Systemarchitektur Quelle: ONF Nachstehend finden Sie eine Beschreibung einiger Schlüsselkonzepte, die Teil der in Abbildung 1 dargestellten SDN-Systemarchitektur sind. Business Applications (Unternehmensanwendungen) Hierbei handelt es sich um die Anwendungen, die direkt von den Endanwendern verwendet werden. Vorteile ergeben sich bei Videokonferenzen, Lieferketten- und Kundenbeziehungsmanagement. Network & Security Services (Netzwerk- und Security-Services) Hierbei handelt es sich um Funktionen, die es möglich machen, dass Unternehmensanwendungen effizient und sicher ausgeführt werden. Vorteile ergeben sich bei einer großen Anzahl von L4 L7-Funktionen, einschließlich ADCs, WOCs und Sicherheitsfunktionen wie Firewalls, IDS/IPS und DDoS Schutz. Reiner SDN-Switch Bei einem reinen SDN-Switch werden alle Kontrollfunktionen eines herkömmlichen Switches (d. h. Routing-Protokolle, die verwendet werden, um Weiterleitungstabellen zu erstellen) in der zentralen Kontrolleinheit ausgeführt. Die Funktionen des Switches sind komplett auf die Datenebene beschränkt. Hybrid-Switch In einem Hybrid-Switch werden SDN-Technologie und herkömmliche Switch-Protokolle zeitgleich ausgeführt. Ein Netzwerkmanager kann den SDN-Controller so konfigurieren, dass er bestimmte Datenströme entdeckt und kontrolliert. Gleichzeitig können herkömmliche, verteilte Netzwerkprotokolle weiterhin den restlichen Datenverkehr im Netzwerk regeln. citrix.de 5

6 Hybrid-Netzwerk Ein Hybrid-Netzwerk ist ein Netzwerk, in dem traditionelle und SDN-Switches egal ob reine SDN Switches oder Hybrid-Switches in derselben Umgebung ausgeführt werden. Northbound API Die in Abbildung 1 abgebildete Northbound API ist die API, die die Kommunikation zwischen der Kontrollebene und der Ebene der Unternehmensanwendungen ermöglicht. Derzeit existiert noch keine standardbasierte Northbound API. Southbound API Die in Abbildung 1 dargestellte Southbound API ist die API, die die Kommunikation zwischen der Kontroll- und der Infrastrukturebene ermöglicht. Unter den Protokollen, die diese Kommunikation ermöglichen können, befinden sich z. B. OpenFlow, das Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP) und das Network Configuration Protocol. Ein Grund für die vielen Missverständnisse bezüglich SDN ist, dass viele Anbieter die von ONF aufgestellte Definition von SDN nicht vollständig akzeptieren. Während beispielsweise einige Anbieter OpenFlow als grundlegendes Element ihrer SDN-Lösungen sehen, warten andere lieber noch ab. Ein weiterer Grund für Missverständnisse ist die Uneinigkeit darüber, was die Infrastrukturebene ausmacht. Laut ONF ist die Infrastrukturebene eine umfassende Reihe an physischen und virtuellen Switches und Routern. Wie unten beschrieben stützt sich einer der derzeitigen Ansätze zur Implementierung von Netzwerkvirtualisierung auf eine Architektur, die der in Abbildung 1 ähnelt, aber ausschließlich virtuelle Switches und Router enthält. Netzwerk-isierung Netzwerk-isierung ist kein neues Thema, da Netzwerk-Organisationen schon seit langer Zeit Technologien wie virtuelle LANs (VLANs), Routing and Forwarding (VRF) und Private Networks (VPNs) implementieren. Jedoch bezieht sich der Begriff Netzwerk-isierung in diesem Whitepaper auf die Funktionen, die in der rechten Hälfte von Abbildung 2 gezeigt werden. Insbesondere bezieht sich Netzwerk-isierung auf die Fähigkeit, End-to-End-Netzwerkverbindungen bereitzustellen, die von der darunterliegenden physischen Netzwerkinfrastruktur abstrahiert sind. Dies ähnelt der Art, wie virtualisierte Server, die von der darunterliegenden Infrastruktur von x86-basierten Servern abstrahiert sind, IT-Ressourcen verteilen. citrix.de 6

7 Application Application Application Workload Workload Workload x86 Environment L2, L3, L4, Network Services Decoupled Server Hypervisor Requirement: x86 Network & Security ization Requirement: IP Transport CPU Physical CPU, Memory, IO Physical Network Abbildung 2: Netzwerk-isierung Quelle: VMware Eine Möglichkeit, Netzwerk-isierung zu implementieren, besteht aus einer Anwendung, die auf einem SDN-Controller ausgeführt wird, das OpenFlow-Protokoll nutzt und virtuelle Netzwerke definiert. Letzteres geschieht basierend auf den Richtlinien, die mithilfe der L1 L4-Bestandteile des Headers den entsprechenden virtuellen Netzwerken Datenströme zuteilen. Dieser Ansatz wird oft als Fabric-basierte Netzwerk-isierung bezeichnet. Eine andere Möglichkeit, Netzwerk-isierung zu implementieren, ist der Gebrauch von Datenkapselung und Tunneling, um mehrere virtuelle Netzwerk-Topologien zu erstellen, die über ein übliches physisches Netzwerk gelegt werden. Dieser Ansatz wird oft als Overlay-basierte Netzwerk- isierung bezeichnet. IT-Organisationen haben in den letzten Jahren basierend auf Protokollen wie VXLAN Netzwerk-isierung über Overlays implementiert. Die erste Welle dieser Lösungen verfügte jedoch nicht über einen Controller. Da diese Controller-losen Lösungen typischerweise Informationen mithilfe von Flooding an die Endsysteme verteilten, ließen sie sich schlecht skalieren. Abbildung 3 zeigt einen moderneren Ansatz zur Implementierung der Netzwerk-isierung. In diesem Ansatz wird ein Controller verwendet. Zusätzlich ist eine Architektur vorhanden, die jener in Abbildung 1 ähnelt. Der Unterschied ist, dass die Netzwerkelemente entweder vswitches oder vrouter sind. Eine der Hauptfunktionen des Controllers in Abbildung 3 ist es, einen Tunnel für die Steuerebene bereitzustellen. Diese Funktion ermöglicht es dem sich zuschaltenden Gerät, einen Mapping-Vorgang zu implementieren, der festlegt, wohin das gekapselte Datenpaket gesendet werden soll, um die geplante Ziel-VM zu erreichen. citrix.de 7

8 API Access from Cloud Management Platform Controller Cluster Control Plane Traffic Bridged to VLAN Routed to Subnet Software Hardware Encapsulation Protocol (STT, VXLAN, GRE) IP Fabric (Hardware Agnostic) Abbildung 3: Overlay-basierte Netzwerk-isierung Quelle: VMware Im Netzwerk-isierungsansatz, der in Abbildung 3 gezeigt wird, kann ein virtuelles Netzwerk ein Layer-2- oder Layer-3-Netzwerk sein, während das physische Netzwerk je nach Overlay-Technologie ein Layer-2-, Layer-3-Netzwerk oder eine Kombination aus beiden sein kann. Mit Overlays enthält der Außenheader ein Feld, das üblicherweise 24 Bits lang ist. Diese 24 Bits können verwendet werden, um ca. 16 Millionen virtuelle Netzwerke zu identifizieren. Die praktischen Grenzen liegen jedoch oft im Bereich von bis virtuellen Netzwerken. Im in Abbildung 3 gezeigten Ansatz wird die isierung an der Netzwerkgrenze vorgenommen, während der Rest des physischen L2/L3-Netzwerks unverändert bleibt. Die Konfiguration muss nicht modifiziert werden, um die Netzwerk-isierung zu unterstützen. Der Hauptvorteil einer Overlay-basierten Netzwerk-isierungslösung besteht darin, dass virtuelle Maschinen unabhängig vom physischen Netzwerk bewegt werden können. Wenn eine VM ihren Standort ändert sie kann sich nun sogar in einem neuen Subnetz befinden müssen die Switches an der Grenze des Overlays einfach ihre Mapping-Tabellen aktualisieren, um den neuen Standort der VM wiederzugeben. Zusammenfassung Ein SDN besteht aus vielen leistungsstarken Technologien. SDN selbst ist keine Technologie, sondern eine Architektur. Egal, ob Fabric- oder Overlay-basiert, Netzwerk-isierung kann als eine SDN- Anwendung angesehen werden. Der Hauptvorteil einer Netzwerk-isierungslösung besteht darin, dass virtuelle Maschinen unabhängig vom physischen Netzwerk bewegt werden können. SDN hat jedoch andere potenzielle Vorteile, einschließlich weniger administrative Last bei der Bereitstellung von Funktionen wie QoS und Sicherheit. citrix.de 8

9 Während einige der Merkmale eines SDN, wie z. B. die größere Abhängigkeit von Software, bereits weiträumig auf dem Markt akzeptiert sind, bieten Anbieter erst seit Kurzem SDN-Lösungen an. Die Verbreitung von SDN beginnt gerade erst. Bei all den potenziellen Vorteilen, die SDN vermutlich bieten wird, müssen IT-Organisationen planen, wie sie ihre Netzwerke entwickeln, um SDN zu implementieren. Kapitel 4 des 2013 Guide to Network ization and Software Defined Networking stellt einen solchen Plan vor. 2 Weitere Informationen finden Sie unter citrix.de/sdn 2 Corporate Headquarters Fort Lauderdale, FL, USA Silicon Valley Headquarters Santa Clara, CA, USA EMEA Headquarters Schaffhausen, Schweiz India Development Center Bangalore, Indien Online Division Headquarters Santa Barbara, CA, USA Pacific Headquarters Hongkong, China Latin America Headquarters Coral Gables, FL, USA UK Development Center Chalfont, Großbritannien Über Citrix Citrix (NASDAQ:CTXS) ist führender Anbieter von mobilen Arbeitsplätzen und bietet durch isierung, Mobility Management, Networking und Cloud-Services neue Möglichkeiten, Arbeitsweisen zu verbessern. Citrix-Lösungen ermöglichen Unternehmensmobilität durch sichere, persönliche Arbeitsplätze, die Mitarbeitern von jedem Gerät aus über beliebige Netzwerke und Clouds einen sofortigen Zugriff auf Anwendungen, Desktops, Daten und Kommunikationen bietet. Bereits seit 25 Jahren gestaltet Citrix mit innovativen Produkten IT einfacher und Arbeitsweisen effektiver. Mehr als Unternehmen und über 100 Millionen Anwender setzen weltweit auf die Technologie von Citrix. Der Jahresumsatz 2013 betrug 2,9 Milliarden US-Dollar. Weitere Informationen unter Copyright 2014 Citrix Systems, Inc. Alle Rechte vorbehalten. Citrix und OpenFlow sind Marken von Citrix Systems, Inc. und/oder Tochtergesellschaften, die u. U. in den USA und anderen Ländern registriert sind. Weitere in diesem Dokument genannte Produkt- und Unternehmensnamen sind Marken ihrer jeweiligen Unternehmen. 0514/PDF citrix.de 9