1

Tehniki fakultet u Rijeci

Preddiplomski sveuilini studij raunarstva

Izborni projekt Programsko inenjerstvo

2013./2014.

Softverski definirane mree

Student Niko Konjuh

Profesor mentor doc. dr. sc. Tihana Galinac Grbac

Rijeka, 19.2.2014.

2

Sadraj

1. Uvod - to su softverski definirane mree? ................................................................................. 3

2. Arhitektura softverski definiranih mrea..................................................................................... 4

3. Openflow kontroler....................................................................................................................... 7

4. Eksperiment i testiranje Openflow-a............................................................................................. 8

4.1 Postavljanje virtualne maine................................................................................................... 8

4.2/4.3 Pretvoriti vorite u Ethernet preklop/ Modificirati preklop da pusha tok podataka...... 9

4.4 Dodati podrku za vie prekidaa............................................................................................. 10

4.5/4.6 Pokrenuti prekida na pravoj mrei/Modifcirati prekida da obrauje IP proslijeivanje... 10

4.7 Postavljanje vatrozida na prekida............................................................................................. 11

5. Openstack networking Neutron ill Quantum................................................................................ 12

Zakljuak.......................................................................................................................................

Literatura.......................................................................................................................................

3

Slika 1.1

1. Uvod - to su softverski definirane mree?

Razvijene ne tako davne 2008. godine na amerikim univerzitetima Berkeley i Stanford, softverski

definirane mree danas su nezamjenjiva mrena arhitektura u mnogim softverskim poduzeima.

Najjednostavnije, softverski definirane mree moemo opisati kao pristup u umreavanju raunala

koji omoguuje mrenim administratorima da upravljaju mrenim uslugama kroz apstrakciju niih

nivoa funkcionalnosti.

Sama potreba za softverski definiranim mreama dolazi zbog nepodobnosti tradicionalnih mrenih

arhitektura da zadovolje zahtjeve dananjih poduzea, nositelja mrea te krajnjih korisnika.

Zahvaljujui irokom i upornom industrijskom nastojanju predvoenom Otvorenom mrenom

zakladom (Open Networking Foundation - ONF), softverski definirane mree (Software Defined

Networking ili krae SDN) su postale promjenjiva mrena arhitektura.

SDN radi na principu odvajanja sustava koji donosi odluke o tome gdje e promet podataka biti poslan

(the control plane - upravljaka povrina) iz podlonih sustava koji proslijeuju promet do odabrane

destinacije (data plane - podatkovna povrina) to na kraju pojednostavljuje umreavanje.

SDN je korak unaprijed u evoluciji programabilnog i aktivnog umreavanja. Omoguuje mrenim

administratorima da imaju glavnu kontrolu mrenog prometa preko kontrolera bez potrebe za fizikom

adresom na mrenim sklopkama.

4

2. Arhitektura softverski definiranih mrea

Tri kljuna elementa softverski definiranih mrea:

Sposobnost upravljanja prosljeivanjem paketa i politika primjene istih;

Sposobnost obavljanja gore navedenog u dinaminom okruenju;

Mogunost programiranja mrea

SDN arhitektura mora biti u mogunosti da manipulira tokom paketa i sklopovlja kroz mreu u

velikim razmjerima u programiranom modu.

Hardverski cijevovod SDN-a obino e biti dizajniran kao konvergirana (sposobana prenositi sve vrste

podataka ukljuujui eljene oblike skladitenja prometa) isprepletenost velikih cijevi niih vremena

ekanja (lower latency) uobiajenog naziva fabric (tkanina). Sama SDN arhitektura e zauzvrat

pruiti irokomreni pogled i mogunost centralnog upravljanja mrea i mrenih tokova.

Ova arhitektura je postignuta odvajanjem upravljake povrine od podatkovne povrine ureaja i prua

suelje koje se moe programirati za tu odvojenu upravljaku povrinu. Podatkovna povrina ureaja

prima pravila proslijeivanja od odvojene upravljake povrine i primjenjuje ta pravila u hardveru

ASIC-sa. Ti ASIC-i mogu biti ASIC-i za razmjenu dobara ili prilagoeni silikonski ovisno o

funkcionalnosti i preformansama potrebnih aspekata.

Sljedei dijagram prikazuje taj odnos:

Slika 2.1 U ovom modelu, SDN kontroler daje upravljaku

povrinu, a podatkovna povrina se sastoji od hardverski

sklopnih ureaja. Ti ureaji mogu biti potpuno novi

hardverski ureaji ili postojei ureaji sa specijaliziranim

ugraenim softverom (firmware-om)

5

Slika 2.2

Kako je tema softverski definiranih mrea jako popularna tema u mrenoj industriji, strunjaci su jo

uvijek podvojeni oko najboljeg naina implementacije te naina na koji e utjecati na ininjere i

administratore. No jedna je injenica neosporna: SDN je donio novu panju i inovaciju u umreavanju.

Kako bi dobili uvid u razliite pristupe SDN-a sljedee su nabrojene i opisane neke od

najveih/najvanijih SDN tehnologija od razliitih prodavaa.

I Big Switch Networks Open SDN

Big Switch Networks' Open SDN platforma nudi Openflow fabric prekida koji se

moe izvoditi na golim metalnim sklopkama i hipervizor virtualnim sklopkama, te

omoguuje irok izbor SDN mrenih aplikacija ukljuujui podatkovni centar za

mrenu virtualizaciju i nadzor mree.

II Cisco eXtensible Network Controller (XNC)

Cisco XNC je Java OSGi bazirana aplikacija izgraena za potporu nadogradivosti,

proirivosti i modularnosti potrebnih za brzi razvoj poduzetnih IT arhitektura.

III IBM SDN VE

6

IBM Software Defined Network for Virtual Environments stvara virtualnu mreu za

virtualne ureaje. Ova virtualna mrea je odvojena i izolirana od fizike mree slino

kao to je virtualni ureaj odvojen i izoliran od hardvera domaina posluitelja (host

server hardware).

IV Midokura MidoNet

Midokura's MidoNet je rasporeen decentraliziran mreno-virtualizacijski projekt koji

je osmiljen u svrhu Infrastructure-as-a-Service (IaaS) oblaka (cloud) kao na primjer

OpenStack i CloudStack. Midonet doputa krajnjim korisnicima da izgrauju

proizvoljne, kompleksne mrene topologije u svojim cloud okrujima, ne trebajui

nita vie od IP povezivosti od fizike mree.

V Juniper Networks Contrail

Juniper Networks Contrail je virtualni overlay sustav za mrene virtualizacije i

inteligencije. Kroz RESTful API-je Contrail radi sa CloudStack i OpenStack

arhitekturama kako bi zajedno osigurali zalihe mrenih,raunalnih i memorijskih

resursa. Contrail-ov SDN kontroler virtualizira mreu kako bi omoguila

automatizaciju i izvoenje hibridnih cloud okruenja, elastinih usluga ulanavanja

mrea i sigurnosnih usluga te BDI (Big Data for Infrastructure) analitikih maina

koje pruaju real-time pogled u cijelu mreu.

Slika 2.3

Slika 2.4

7

3. OpenFlow

Mnogi strunjaci smatraju da je Openflow kontroler kao protokol krucijalan za rast i irenje ukupnog

SDN-a.

OpenFlow je otvoreni standard koji omoguuje istraivaima da pokreu eksperimentalne protokole

na mreama koje se svakodnevno koriste. OpenFlow je dodan kao svojstvo komercijalnim Ethernet

preklopnicima, usmjerivaima i beinim pristupnim tokama i prua istraivaima mogunost

izvoenja eksperimenata, bez potrebe da prodavai otkrivaju unutarnje procese svojih mrenih

ureaja. Trenutano, OpenFlow se provodi od strane velikih proizvoaa.

U klasinim usmjerivaima (routerima) brzo proslijeivanje paketa (put podataka) i odluke

usmjerivaa visokog stupnja pojavljaju se na istom ureaju. Openflow razdvaja te dvije funkcije. Put

podataka je jo uvijek na prekidau, dok su odluke usmjerivaa prebaene na odvojeni kontroler,

obino server. Openflow i Kontroler komuniciraju preko Openflow protokola, koji definira poruke

tipa: prihvaeni podaci (packet-received), poslani paketi (sent-packet-out), mijenjaj proslijeivanja

(modify-forwarding-table) i get statistike.

Svrha samog Openflow-a jest jednostavno implementiranje inovativnog usmjeravanja i prebacivanja

protokola u mrei. Koristi se kod aplikacija kao to su virtualne maine, mreama visoke sigurnosti te

mobilnim IP mreama nove (sljedee generacije).

Openflow sadri mnoge prednosti u odnosu na ostale SDN standrade:

Centralizirana kontrola okruenja sa vie dobavljaa

Smanjena sloenost kroz automatizaciju

Via stopa inovacije

Poveana mrena sigurnost i pouzdanost

Preciznije kontrole mree

Bolje korisniko iskustvo

Naalost, jako je mala zainteresiranost velikih korporacija i sveuilita oko implemetnacije Openflow-

a u studentski i/ili poslovni program uenja. Glavni mreni arhitekt Sveuilita u Indiani (Indiana

University) i izvrni upravitelj InCNTRE-a Matt Davy je rekao: Trenutno je ogroman interes oko

Openflow-a, a jedino Sveuilite u Indiani (IU) ui svoje studente toj tehnologiji. Kao svjetski lider u

unapreenju SDN-a i Openflow-a, Sveuilite u Indiani je dobro opremljeno za pruanje obuke i

edukacijskih programa za ostale programere koji se ele u tome okuati.

8

Slika 4.1 Shema eksperimentalnog rada sa

Openflow-om

4. Eksperiment i testiranje Openflow-a

4.1 Postavljanje virtualne maine

Instalacija 3 potrebna besplatna software-a za pokretanje virtualne maine i u konanici Openflow-a:

VirtualBox virtualizacijski software

Putty ssh konzola/terminal

Xming X server

Te image za virtualnu mainu sa Openflow slubene stranice.

Postavljanje

virtualne maine

Pretvoriti vorite

u Ethernet preklop

Modificirati preklop

da pusha tok

podataka

Dodati podrku

za vie prekidaa

Modifcirati prekida

da obrauje IP

proslijeivanje

Pokrenuti prekida

na pravoj mrei

Postavljanje

vatrozida na

prekida

9

Nakon instalacije potrebnih software-a pokrenuo sam VirtualBox i prispojio odgovarajui image na

nj. Nakon toga sam provjerio rad mrea 'host' i NAT na virtualnoj maini Ubuntu. Host mrea eth0 je

pokazivala moju lokalnu IP adresu 192.168.XX.XXX dok je NAT mrea eth1 pokazivala adresu

10.0.2.15, to mi je bio dovoljan dokaz da su mree dobro prispojene. Nakon toga sam pokrenuo

Xming i putty. U putty sam unio eth0 adresu i omoguio sam X11 proslijeivanje za SSH.

Sada sam kreirao mreu sa tri virtualna hosta te jedan OpenFlow software sa 3 porta. Povezao sam

svakog vritualnog hosta sa virtualnim ethernet kablom i namjestio im MAC adrese na jednaku

vrijednost njihove IP adrese. Na kraju, konfigurirao sam OpenFlow da se spaja na udaljeni kontroler.

Poslije dosta vremena utroenog na metode pokuaja i pogreke, uspio sam iztestirati i promjeniti sve

krive podatke u virtualnoj mrei pomou komanda ping i dpctl.

Pomou pre-built software-a Wireshark unutar VM iztestirao sam rad kontrolera i to je izgledalo

ovako:

4.2/4.3 Pretvoriti vorite u Ethernet preklop / Modificirati preklop da pusha tok podataka

Koristio sam POX kontroler zbog osobne bliskosti sa Python programskim jezikom.

Nakon instalacije POX-a provjerio sam ponaanje vorita sa komandom tcpdump

Slika 4.2 Prikaz podataka unutar

Wireshark-a koristei filter of

Slika 4.3 Prikaz podataka unutar

Wireshark-a koristei filter of && (of.type

!= 3) && (of.type !=2) (kako bi Wireshark

ignorirao echo-zahtjeve i odgovor-

poruke)

10

Poslije toga, Kreirao sam referentnu toku vorita kontrolera sa komandom iperf.

Sa POX-om sam poslao par OpenFlow poruka preko python programskog jezika kako bih iztestirao

njegov rad (ofp_action_output class, ofp_match class, ofp_packet_out OpenFlow message).

Zakljuno, jo sam jednom pokrenuo komandu tcpdump na svakom virtualnom hostu kako bi

verficirao sve izmjene i dodavanja.

Kada preklopnik vie nije imao ponaanje vorita, trudio sam se sputati tok sa poznatim izvornim i

destinacijskim portovima.

4.4 Dodati podrku za vie prekidaa

Poto sam radio sa POX kontrolerom, nije bilo potrebe raditi dodatne testove za podrku vie

prekidaa jer kod kreira jednu instancu po prekidau a svaka instanca odrava svoju MAC tablu.

4.5/4.6 Pokrenuti prekida na pravoj mrei / Modifcirati prekida da obrauje IP proslijeivanje

Kako bi uope mogu pokrenuti prekida trebala mi je mrea koja se sastojala od 3 OpenFlow

prekidaa, posluitelja i wireless klijenta.

Cijela struktura:

1. 3 OpenFlow pristupne toke

2. FlowVisor (za virtualizirati mreu)

3. 1 kontroler

4. 1 Webserver

5. 1 beini ureaj (iPhone)

11

Da bi bio u mogunosti komunicirati sa FlowVisorom, koristio sam proslijeivanje portova od strane

putty-a.

Nakon konfiguracije lokalne maine, beinog ureaja i FlowVisor-a (te puno pinganja i ifconfig-a)

pokrenuo sam kontroler iz njegovog lokalnog direktorija.

Na kraju sam konfigurirao Webserver kako bi vidio itav tok poznatih podataka od mene kao klijenta

do posluitelja.

4.7 Postavljanje vatrozida na prekida

Postavljanje vatrozida je bio najjednostavniji zadatak u ovom eksperimentu. Koristio sam komandu

iperf p 10.0.0.2 i to na klijentu i na posluitelju kako bi se blokirao bilokakav pristup podacima na

ovom specifinom portu.

12

5. Openstack networking Neutron ili Quantum

Neutron predstavlja OpenStack projekt koji osigurava networking as a service izmeu suelja

ureaja kojima upravljaju drugi OpenStack servisi (npr. nova).

Neutron daje cloud stanarima (cloud tenants) API (Application Proggraming Interface) za izgradnju

bogatih mrenih topologija i konfiguriranje sloenijih mrea unutar cloud-a (npr kreiranje multi

rangirane web tehnoloke topologije).

Takoer, omoguuje inovativne dodatke (otvorenog i zatvorenog koda) koji nas upoznaju sa sloenim

mrenim mogunostima (npr. L2-u-L3 tuneliranje radi izbjegavanja VLAN ogranienja, daje kraj-na-

kraj QoS garancije, koritene u protokolima za nadgledanje kao NetFlow) te doputa svakome da

izgradi svoje sloene mrene servise koji se spajaju u Openstack stanarske mree (npr. : LB-aaS,

VPN-aaS, firewall-aaS, IDS-aaS, data-center-interconnect-aaS).

13

6. Zakljuak

Trendovi poput korisnike mobilnosti, server virtualizacije, IT-as-a-Service i potrebe da se brzo

odgovori na promjenjive uvjete poslovanja daju znaajne zahtjeve i teret mreama - zahtjeve koje

dananje konvencionalne mrene arhitekture nemogu podnijeti. Softverski definirane mree daju novu,

dinaminu mrenu arhitekturu koja transformira tradicionalne mrene okosnice u bogate service-

delivery platforme.

Moramo biti svjesni kako budunost umreavanja e se sve vie i vie oslanjati na software, koji e

ubrzati tempo novih inovacija za mree kao to je ubrzao tempo u raunarstvu i skladitenju domena.

SDN obeava promjeniti dananje statine mree u fleksibilne, programabilne platforme sa

inteligencijom da dinamino alocira resurse, veliinu da podrava ogromna sredita podataka i

virtualizaciju potrebnu da podrava dinamina, visokoautomatizrana i sigurna cloud okruenja.

Sa mnogim prednostima i nevjerojatnim industrijskim momentom, SDN je na putu da postane nova

norma za cijelokupnim mreni sustav.

14

7. Literatura

https://wiki.engr.illinois.edu/download/attachments/197298167/CloudFlow-

3rd.pdf?version=6&modificationDate=1336587605000

http://www.design-ers.net/eh-rjecnik.asp

https://wiki.openstack.org/wiki/Quantum

https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/white-papers/wp-sdn-

newnorm.pdf

http://archive.openflow.org/wp/learnmore/

http://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_networking