Software Defined Networks di Riccardo Florio

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1 Software Defined Networks di Riccardo Florio Dopo anni di innovazioni tecnologiche, che si sono orientate fondamentalmente verso l'incremento di prestazioni prima e di funzionalità successivamente, i trend che stanno attualmente caratterizzando in modo più incisivo il mondo del networking sono legati prevalentemente a un modo nuovo di concepire l'utilizzo della rete stessa alimentato da temi quali il cloud computing, la mobilità, la consumerizzazione e un orientamento spinto verso il servizio. Si tratta, in realtà, di una naturale conseguenza dell'evoluzione che contraddistingue il mondo dell'it nel suo complesso, in un contesto in cui i dati diventano Big Data, le applicazioni hanno requisiti prestazionali sempre maggiori, crescono le esigenze di sicurezza e di conformità normativa e l accesso mobile si appresta a diventare il metodo prevalente di connessione. L evoluzione verso modelli cloud non solo esalta le richieste di prestazioni e di qualità del servizio, ma porta anche a richiedere un controllo più accurato per poter misurare e analizzare in modo sempre più preciso costi e benefici all interno di un contesto dove gli asset possono non essere più di proprietà esclusiva dell azienda. Tutto ciò sta portando al centro dell interesse aziendale il tema della network transformation perché l infrastruttura di rete, in un contesto di business e di distribuzione delle informazioni globali, diventa il requisito abilitante per ogni politica indirizzata all innovazione e al recupero di vantaggio competitivo per il business; e questo avviene per ogni tipologia di azienda operante in qualsiasi settore di mercato. Ecco allora che i requisiti chiesti alla rete sono sempre più stringenti in termini di flessibilità, sicurezza, convergenza, gestione unificata, virtualizzazione e prestazioni. Tutto ciò contribuisce a delineare un evoluzione tecnologica e una strategia di trasformazione delle reti in una direzione ben identificata in grado di dare agli utilizzatori (aziende e operatori) una risposta alle loro necessità. 1

2 Trend tecnologici per il networking del futuro Networking e virtualizzazione La virtualizzazione costituisce un elemento tecnologico importante per abilitare una trasformazione del network in grado di rispondere alle esigenze citate. All interno delle reti locali del data center l utilizzo della virtualizzazione a livello di I/O viene già adottato con successo per supportare politiche di consolidamento delle risorse di elaborazione, realizzate sia attraverso architetture blade sia con l utilizzo massiccio di macchine virtuali (anche centinaia all interno di un singolo server fisico), per evitare che la componente di trasporto diventi il collo di bottiglia inibitore per i processi IT. L impatto della virtualizzazione sul mondo delle reti, l'esigenza di flessibilità e di prestazioni, di semplificazione gestionale in un contesto sempre più unificato tra wired e wireless e da ultima, non certo per importanza, l'esigenza di ridurre i costi, sono tutti aspetti che concorrono a promuovere l avvento del Software-Defined Networking (SDN) che si preannuncia come una nuova importante direzione per il networking. Le reti Software-Defined (SDN) Nato all interno del mondo della ricerca e dell università, il Software Defined Networking sta conquistando consensi come modello tecnologico di rete idoneo ad affrontare alcune delle più stringenti problematiche legate ai temi dei Big Data, del cloud e dei sistemi ottimizzati. Molteplici sono gli obiettivi alla base delle SDN: fornire una soluzione tecnologica in grado di snellire la creazione e il delivery di servizi, incrementare i livelli di servizio, fornire un livello di prestazioni adatto alle esigenze più stringenti dei carichi applicativi, ridurre il Total Cost of Ownership (TCO) e favorire lo spostamento da modelli di spesa Capex a Opex. In sintesi, il Software Defined Networking è un modello per la virtualizzazione della rete che abbraccia l'intera infrastruttura (dagli operatori, ai carrier ai produttori di apparati di telecomunicazioni) realizzando una connessione tra il livello di rete e le applicazioni che abilita un controllo diretto di entrambi i layer e ne permette l orchestrazione in base ai bisogni applicativi degli utenti. L utilizzo della tecnologia SDN favorisce l integrazione nativa del network nei sistemi cloud perché mette a disposizione meccanismi intelligenti

3 integrati che consentono di orchestrare il comportamento delle risorse di rete. Grazie a un controllo centralizzato degli elementi di rete, gli amministratori dispongono di una visione unificata del network che gli permette di configurare la connettività di rete e i servizi sulla base di pattern di ottimizzazione del carico di lavoro, ottenendo forti semplificazioni nella configurazione e abilitando il provisioning rapido di reti application-aware. L utilizzo della virtualizzazione consente, quindi, di predisporre un Distributed Overlay Virtual Network (DOVE) sul quale gli amministratori possono implementare Virtual Application Networks con servizi di rete che possono essere orchestrati attraverso differenti data center in modo trasparente per l utente e che consentono l automazione e la mobilità di carichi di lavoro virtualizzati. Separare il piano dei dati da quello di controllo In un'architettura di rete è possibile identificare diversi piani funzionali: il piano dei dati che muove le informazioni da punto a punto, il piano di gestione e, in mezzo, il piano di controllo, che attua le politiche definite nel piano di gestione e dirige le attività continue del piano dati. Un concetto fondamentale del modello SDN è questa separazione tra il piano di controllo e quello dei dati. Il piano di controllo viene distribuito attraverso i componenti di rete quali switch Ethernet, ma in modo centralizzato in termini di policy e di operation, fornendo un livello di controllo granulare. Gli switch tradizionali devono essere gestiti individualmente e SDN apre la possibilità di creare un approccio di sistema realmente end- to-end verso un networking guidato da policy dall'alto verso il basso. SDN si adatta quindi molto bene all'idea di un unified networking completando l'integrazione di hardware, software di gestione e la definizione e attuazione delle policy. In considerazione del fatto che l'attuale domanda nel mercato del networking e anche perlomeno per il prossimo futuro sarà guidata dai differenti requisiti applicativi, si comprende come la natura "applicationcentrica" del modello SDN sia destinata al successo. Inoltre, questo modello consente, una volta implementato, di continuare a usufruire delle innovazioni tecnologiche senza richiedere aggiornamenti globali delle apparecchiature o una revisione dell'implementazione di rete. 3

4 Trend tecnologici per il networking del futuro Questo ovviamente a patto di aver superato il primo step che, invece, richiede un investimento inziale e una revisione importante per fare evolvere la rete dal modello esistente a uno predisposto pre il "software defined" e dotarsi dei dispositivi di rete adatti. Nel breve periodo è, pertanto, plausibile aspettarsi poche implementazione SDN "pure" fatta eccezione per alcune reti di grandi service provider che dovessero ricorrere a SDN per risolvere i loro problemi di scala. All'interno del mondo aziendale è probabile, invece, che assisteremo allo sviluppo di reti ibride che continueranno a operare in modo tradizionale, ma che sfrutteranno l'sdn per offrire caratteristiche e funzionalità aggiuntive. I componenti di una SDN È possibile identificare tre componenti fondamentali per la costruzione di un SDN. La prima componente è l'infrastruttura che comprende le porte sottostanti e l'hardware per l'inoltro che sposta i dati attraverso la rete. È importante in un ambiente SDN che l'infrastruttura supporti un mezzo di accesso programmatico ai dati e al livello di controllo. Il secondo livello è rappresentato da un componente di controllo centralizzato che presenti una visione astratta dell'infrastruttura e che consenta all'amministratore di rete di applicare le policy attraverso la rete. Tale controller deve comunicare con l'infrastruttura, ma deve anche essere in grado di comunicare con le applicazioni, che rappresentano il terzo livello di una rete definita dal software. Le applicazioni SDN hanno una visibilità di tutta la rete e questo ne consente l'ottimizzazione consentendo di predisporre dei livelli di servizio (SLA) di tipo end-to-end che comprendano gli aspetti prestazionali, la qualità del servizio e anche il livello di sicurezza. Le applicazioni SDN possono farsi carico di determinare il percorso ottimale dei dati, di evitare loop e di effettuare il routing. Ma la promessa del modello SDN è più ampia e prevede che le applicazioni possono essere facilmente sviluppate per soddisfare praticamente qualsiasi esigenza. Il fatto che le applicazioni comunichino con il livello di controllo utilizzando API (Application Programming Interface) aperte basate su standard permette alle aziende di sviluppare le proprie applicazioni SDN in casa.

5 I Vantaggi dell'sdn Le reti tradizionali hanno a lungo "lottato" per colmare il divario tra i sistemi supportati e i servizi offerti. I tentativi di colmare questa lacuna in passato hanno determinato configurazioni di rete complesse che cercavano di utilizzare i dispositivi di rete per monitorare il traffico delle applicazioni, dedurre lo stato della rete e le esigenze prestazionali per poi rispondere secondo policy predefinite. Separando il piano di controllo dai dati dal piano di inoltro, SDN rende possibile adattare lo stato e la capacità della rete al livello di servizio aziendale richiesto (sulla base di policy ad alto livello), consentendo ai sistemi aziendali di richiedere i servizi dalla rete direttamente, piuttosto che confidare nella capacità della rete di soddisfare con successo tali requisiti. SDN aggiunge quindi potenziali benefici sotto forma di flessibilità, economicità e di estensibilità funzionale e potrebbe diventare un modo comune, se non addirittura la metodologia di implementazione preferita, per le future infrastrutture di rete. L'interazione con la rete diventa anche più facile attraverso l'utilizzo di un'interfaccia unificata ottenuta attraverso l'astrazione del piano di controllo, da cui effettuare tutte le operazioni di gestione, di provisioning e di modifica alla rete. Questo modello rimuove anche numerosi ostacoli all'innovazione, dando ai cloud provider e alle imprese un completo controllo programmatico su una rete che diventa astratta e dinamica. Il protocollo OpenFlow La separazione tra il layer di switching e quello di controllo all'interno di un'architettura SDN può essere realizzata sfruttando il protocollo standard OpenFlow. Lo sviluppo di OpenFlow è iniziato nel 2007 ed è stato condotto dalla Stanford University e dalla University of California a Berkeley. Nel 2011, la standardizzazione del protocollo è stata presa in carico dalla Open Networking Foundation (ONF), associazione di categoria riconosciuta e indipendente. Questo protocollo centralizza in modo standardizzato l'attuazione di un piano di controllo della rete e fornisce anche le API necessarie per favorire l'accoppiamento con la parte applicativa che si fa carico di interpretare e 5

6 Trend tecnologici per il networking del futuro dare forma alle richieste provenienti dal business e favorire l'estensione delle funzionalità necessarie per soddisfare tali esigenze. A differenza di quanto avviene in un router o switch tradizionale, dove l'inoltro veloce dei pacchetti (percorso dei dati) e il livello delle decisioni di routing (percorso di controllo) avvengono all interno dello stesso dispositivo, in uno switch basato su OpenFlow queste due funzioni risultano separate. La parte relativa al percorso dei dati risiede ancora all interno dello switch mentre le decisioni di routing vengono spostati in un controller separato che può essere tipicamente un server standard. Lo switch e il controller comunicano tramite il protocollo OpenFlow che definisce i diversi messaggi: per esempio, pacchetto ricevuto, invio del pacchetto, modifica della tabella di inoltro, richiesta di statistiche e così via. Poiché OpenFlow consente alle applicazioni o ai controller SDN di accedere al piano dati di un dispositivo di rete gli amministratori hanno la possibilità di modificare dinamicamente il modo in cui i flussi di traffico attraversano la rete. La maggior parte dei dispositivi di rete moderni hanno tabelle di flusso per l'implementazione di firewall, NAT, QoS e raccolta di dati statistici. Il protocollo OpenFlow fornisce anche un mezzo di programmazione per queste tabelle di flusso da un controller centralizzato attraverso un canale SSL (Secure Sockets Layer). Questo protocollo utilizza un insieme ben definito di regole di corrispondenza per classificare il traffico di rete in flussi. Definisce anche una serie di azioni che l'architetto di rete può utilizzare per istruire i dispositivi di rete abilitati OpenFlow a gestire questi flussi; questi dispositivi possono includere router, switch, switch virtuali, o access point wireless. Il traffico può essere organizzato attraverso percorsi che sono predefiniti per caratteristiche quali velocità, minor numero di "hop" o latenza più bassa, dando ai gestori di rete la capacità di adattare i servizi di rete per soddisfare le esigenze di diversi tipi di applicazioni e dati. Gli amministratori di rete possono utilizzare gli attributi di OpenFlow attributi, come la porta di ingresso, indirizzo di origine e di destinazione MAC o IP, VLAN ID, per intraprendere azioni di inoltro. Tali azioni potrebbero prevedere l'inoltro dei pacchetti verso porte dello switch o il controller, abbandono di pacchetti, o indirizzare i pacchetti attraverso il normale di canale di inoltro del dispositivo. OpenFlow può anche modificare i flussi di traffico, come ad esempio modificare la configurazione di una VLAN o la sua priorità, o impostare l'indirizzo di origine e di destinazione a livello MAC, IP o TCP / UDP.

7 Il protocollo OpenFlow utilizza un set di istruzioni standard, il che significa che qualsiasi controller abitato per OpenFlow può inviare un insieme di istruzioni comuni a qualsiasi switch abilitato per OpenFlow, indipendentemente dal produttore. OpenFlow può essere semplicemente aggiunto come funzionalità agli switch Ethernet, ai router e agli access point wireless disponibili commercialmente, consentendo in tal modo di effettuare sperimentazioni senza dover richiedere ai vendor di divulgare il funzionamento interno dei propri dispositivi di rete. WAN e SDN Il modello SDN si sta affermando non solo a livello di rete locale ma anche geografica. La possibilità di esercitare una gestione su scala globale della connettività per una grande azienda ha le potenzialità di ridurre costi e migliorare il servizio. La riduzione dei costi può essere ricondotta a molteplici fattori: dalle attività di brokerage della connettività su alcune tratte, ai costi di manutenzione e supporto nonché di sfruttare un supporto tecnico centralizzato che è in grado di intervenire prontamente su qualsiasi tratta della rete. La possibilità di controllare le prestazioni della dorsale di rete su scala globale e di definire policy, di ottimizzare i percorsi di rete e le scelte dei carrier per fornire un re-instradamento e un failover dinamico è ciò che consente di predisporre degli SLA su servizi erogati su scala globale. Questo rappresenta un aspetto di portata dirompente che, peraltro, è esattamente ciò che i nuovi modelli di cloud computing richiedono. Rispetto all utilizzo di VPN a banda larga su Internet consente di predisporre una gestione end-to-end. Per le aziende che dovessero usufruire di servizi di questo tipo significa poter contare su un unico service provider di riferimento per erogare servizi su scala globale con la possibilità di prevedere personalizzazioni e modifiche nel tempo. 7