Neue Netzwerk-Architekturen mit Software-Defined Networking Netzwerk-Transformation mit SDN und Ethernet Fabrics

Redakteur: Wilfried Platten

Die klassischen Netzwerk-Architekturen stoßen an ihre Grenzen. Neue Anwendungen und Dienstleistungen, exponentielles Wachstum beim Internet-Traffic sowie die Servervirtualisierung lassen sie alt aussehen. Die Lösung: neue Technologien wie Software-Defined Networking und Ethernet Fabrics.

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Beim Tunneling wird der limitierte Layer-2-Verkehr über Layer-3-Overlays verlegt.
Beim Tunneling wird der limitierte Layer-2-Verkehr über Layer-3-Overlays verlegt.
(Bild: Brocade)

Neue Technologien sollen im Netzwerk die Leistung und Flexibilität bereitstellen die benötigt wird, um neue Dienste und leistungsstarke Analysetechnologien für die seitens der Unternehmen und Verbraucher benötigten Anwendungen und Dienstleistungen bereitzustellen.

Klassischer Hemmschuh

Die Nachfrage nach Diensten und Netzwerkleistung steigt rasant an. Wachstumstreiber sind etwa die schnell wachsende Nachfrage nach Video-Übertragungen und mobilen Datendiensten, die neue, attraktive und profitable Geschäftsfelder bieten. Gleichzeitig stellen sie auch Risikofaktoren und eine große Herausforderung für alle Netzwerkbetreiber dar:

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  • Mobilfunkbetreiber kämpfen mit der Überlastung der Funkfrequenzen, dem Übergang zu IP und der steigenden Anzahl neuer User.
  • Telekommunikationsanbieter werden mit dem enormen Wachstum des globalen IP-Traffic bei gleichzeitig stagnierenden monatlichen Preisen für die Endnutzer konfrontiert.
  • Betreiber von Rechenzentren müssen sich mit extremen Wachstumsraten im Bereich der Server und virtuellen Maschinen auseinandersetzen. Darüber hinaus bedeutet die zunehmende Machine-to-Machine-Kommunikation, dass die in den Rechenzentren auftretenden horizontalen Übertragungsraten den vertikalen Datentransfer mit der Außenwelt um ein Vielfaches übersteigen.
  • Forschungsnetzwerke müssen riesige Datenaufkommen handhaben, speichern und transportieren.

Mehr Speed, mehr Effizienz

Um den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, müssen Netzwerkbetreiber Effizienz, Flexibilität, Agilität und Skalierbarkeit der Anwendungen und Dienste in ihrem bestehenden Netzwerk erhöhen. Klassische Netzwerk-Architekturen haben mehrere Problembereiche, die von den Netzwerkbetreibern gelöst werden müssen. Das Entfernen redundanter Schichten und Verbindungen im Netzwerk ermöglicht es ihnen auch, die Effizienz der Verkehrsströme im Netzwerk zu erweitern. Ein agileres Netz ermöglicht die beschleunigte und effizientere Realisierung von Modifikationen. Weiterhin können die Netzwerkbetreiber der Netzinfrastruktur mehr Flexibilität und Modularität verleihen, indem ein Application-Programming-Interface (API) für Protokolle bereitgestellt wird, die außerhalb des Geräts laufen, um die Datenebene eines Netzwerk-Elements zu programmieren.

Roter Faden

Der rote Faden aller heutigen Herausforderungen der Netzbetreiber ist die Netzwerk-Architektur selbst. Die klassischen Architekturen sind von den Anwendungen bis zu den Betriebssystemen und der Hardware höchst spezialisiert. Darüber hinaus wurden diese Architekturen mit mehreren Ebenen für vertikalen Transfer und verschiedene Oversubscription-Modelle auf der Grundlage von allgemeinen, relativ statischen Traffic-Mustern konzipiert. Da die Bedeutung des horizontalen Datenverkehrs zusammen mit der Virtualisierung steigt, und die Verbindungen zwischen Anwendern und Geräten im Netzwerk zunehmen, kann das klassische Netzwerk aufgrund seiner mangelnden Flexibilität und Spezialisierung nicht hinreichend angepasst werden. Der heute gängige Netzwerktypus ist spröde, lokalisiert und langsam; er wurde nicht entwickelt, um den heute erforderlichen Betrieb zu ermöglichen.

Neues Netzwerk-Paradigma

Wenn das Netzwerk selbst zu einer Einschränkung geworden ist, muss ein neues Netzwerk-Paradigma her. Um auf heutige Herausforderungen vorbereitet zu sein, muss das Netzwerk der Zukunft Flexibilität, Netzwerkintelligenz und verteilte Steuerung in sich vereinen – kurz gesagt: es muss virtualisiert sein. Durch die Fokussierung auf ein Cloud-optimiertes, skalierbares und adaptives Netzwerk können Netzwerkbetreiber die Einschränkungen mit denen sie konfrontiert sind, bewältigen.

Die Macht der Software ist bereits in weiten Teilen der IT-Landschaft offensichtlich, und weitet sich derzeit auf das Netzwerk aus. Das neue Netzwerk verbindet die Leistungsfähigkeit von Fabric-basierten Architekturen mit SDN – einem Virtualisierung- Ansatz, der Hardware und Software entkoppelt, und der von den wichtigsten Netzwerkbetreibern unterstützt wird. SDN ermöglicht die Steuerung von Netzwerken durch Programmierung. Die Transformation des Netzes von der klassischen Architektur mit diskreten, physischen Ebenen zu einer hochelastischen, Cloud-optimierten Architektur ist aktuell voll im Gange.

SDN treibt die Transformation voran

SDN stellt eine Weiterentwicklung des Netzwerks dar, da hier eine Software-Abstraktionsschicht über die physische Netzwerkinfrastruktur gelegt wird. So entstehen Funktionen auf der Steuerungsebene, die von der Daten-Ebene und der diskreten, physischen internen Steuerungsebene der Netzwerkgeräte getrennt sind. Durch die Implementierung einer übergeordneten Steuerungsebene bietet SDN ein Mehr an Flexibilität sowie weniger Komplexität, die die derzeitigen Netzwerkarchitekturen zu einem Hindernis für Netzbetreiber machen. SDN bringt Netzwerken eine ganze Reihe von Vorteilen, da sie programmierbarer, und hinsichtlich der geschäftlichen Anforderungen anpassungsfähiger werden.Durch die Verringerung der Betriebskosten und des Stromverbrauchs bringen sie zudem Effizienzvorteile mit sich.

Der wahre Wert von SDN liegt allerdings im Potenzial der Abstraktion. Da die Komplexität der physischen Infrastruktur ausgeblendet und die Transportebene für Anwendungen und Dienste transparent wird, ermöglicht SDN nachweisbare Abläufe und vereinfachtes Netzwerk-Management. SDN bringt dem Netzwerk durch die Zentralisierung des Netzwerkbetriebs und -Managements und der beschleunigten Entwicklung von Anwendungen durch erhöhte Netzwerkintelligenz und einer transparenten Umgebung die Vorteile der Virtualisierung. Dadurch sind die Netzbetreiber in der Lage, eine höhere Anzahl von Netzwerk-Anwendungen zur Unterstützung von neuen Diensten anzubieten und zu skalieren. Flexible Geschäftsmodelle ermöglichen neue Profitquellen, wobei Kapazitätsengpässe kostengünstig durch optimierte Ablaufsteuerung gelöst werden können.

SDN-Komponenten

SDN ist ein übergreifendes Konzept, das Protokolle und Technologien wie etwa OpenFlow und OpenStack umfasst und sich auf alle Ebenen des Netzwerks auswirkt. Das Konzept wird von der aus 60 großen Unternehmen bestehenden Open Networking Foundation (ONF) entwickelt.

Bei einer SDN-Lösung gibt es drei wichtige Kernbereiche:

  • Die Netzwerk-Virtualisierungsebene (Datenebene): In dieser Schicht werden Tunnel-Overlays als Transportmittel für den Traffic eingesetzt, der von den Einschränkungen des physischen Netzwerks nicht betroffen ist und durch die Cloud-Management-Schicht kontrolliert wird.
  • Die Ebene für Mehrwertdienste (Kontrollebene): Diese Schicht stellt programmierbare Steuerungs-APIs wie die Slicing-Ebene bereit, die den Netzwerkbetreibern die Kontrolle über bestimmte Verkehrsströme ermöglicht. OpenFlow ist ein wichtiges, standardisiertes Protokoll für Layer-2/3-Forwarding, wobei Brocade OpenScript eine auf Standards basierende API für die Steuerung von Layer-2/3-Forwarding bietet. Die offenen Standards der Service-Ebenen fördern die Entwicklung einer umfangreicher Netzwerk-Anwendungen und die Interoperabilität der verschiedenen Netzwerksteuerungen.
  • Die Cloud-Management-Ebene (Management-Ebene): Das ist die Steuerungsschicht in der die Netzwerkbetreiber die Regeln ihres Netzes durch standardisierte Schnittstellen und Plugins über OpenStack, CloudStack und vCenter kontrollieren.

Die durch SDN bereitgestellte Abstraktionsebene bedeutet nicht, dass die physische Netzwerkinfrastruktur unwichtig wird. Die Paketweiterleitungsebene beeinflusst die allgemeine Leistungsfähigkeit und die Bereitstellung der Dienste über das Netzwerk. Für den optimalen Einsatz von SDN müssen das Hochleistungs-Forwarding, die Vereinfachung von Bereitstellung und Betrieb sowie die Unterstützung der Echtzeit-Analyse mit der programmierbaren Steuerung und dem Management auf höheren Ebenen implementiert werden.

SDN ist mehr als bloße Theorie. Dieser Ansatz wird bei fortlaufender Weiterentwicklung von Netzwerken aller Art eine wichtige Rolle spielen. Es gibt mehrere Anwendungsfälle für die Lösung realer Probleme, die innerhalb des traditionellen Netzwerks nur sehr schwer oder fast unmöglich zu lösen waren.

Hyperscale-Rechenzentren mit Tunneln

Für Netzwerkbetreiber, die Hyperscale-Rechenzentren betreiben, löst SDN das Problem der Skalierung und Verwaltung Hunderttausender hochvirtualisierter physischer Server. Der Umfang dieser Rechenzentren ist eine extreme Herausforderung hinsichtlich Verwaltung und Betrieb, wobei Millionen von VMs und deren Mobilität berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise sind Layer-2-Domänen auf 4.000 VLANs begrenzt; der Layer-2-Verkehr ist auf VLAN-Geschwindigkeit begrenzt. Darüber hinaus wird eine VM während der Umlagerung unerreichbar, während das Netzwerk die MAC-Adressen aktualisiert. In Hyperscale-Rechenzentren können diese Updates Ausfälle mit sich bringen. Aufgrund der VLANs und MAC-Adressen und der Notwendigkeit, VMs über Layer-3-Domänen zu verschieben, können die klassischen Netzwerk-Architekturen nicht einfach Änderungen vornehmen und gleichzeitig die Verfügbarkeit aufrecht erhalten.

Die Netzwerk-Virtualisierung, eine SDN-Anwendung, geht direkt auf dieses Problem ein. Durch den Einsatz von Tunneln kann ein Netzbetreiber die erforderlichen MAC-Adressen auf der Server-Ebene der physischen Infrastruktur isolieren und alle Vorgänge über die Orchestration-Ebene durchführen. Darüber hinaus löst das Tunneling die VLAN-Einschränkungen bei der Umlagerung der VMs, indem der Layer-2-Verkehr über Layer-3-Overlays verlegt wird. Dadurch können VMs viel leichter bereitgestellt und innerhalb der Umgebung des Netzwerkbetreibers umgelagert werden.

Es gibt für Netzwerk-Virtualisierung mehrere Anwendungsfälle. Zum Beispiel kann ein mandantenfähiger Hosting-Anbieter SDN verwenden, um die physischen und virtuellen Server, die lokalen und entfernteren Einrichtungen sowie die öffentlichen und privaten Clouds in einem einzigen nahtlosen logischen Netzwerk zu verknüpfen. Dadurch entsteht ein skalierbares Angebot, in dem alle Kunden ihre eigene, spezifische Ansicht des Provider-Netzwerks erhalten. Ein weiterer Anwendungsfall wäre ein Cloud-Rechenzentrum mit SDN. SDN ermöglicht es dem Cloud-Anbieter eine alleinstehende Fabric-Architektur mit einer Virtualisierungs-Schicht auszustatten. So erhalten alle Kunden eine völlig andere Ansicht auf das Netzwerk-Design des Rechenzentrums auf der Grundlage ihrer jeweiligen individuellen Nutzungsanforderungen.

Metro- und WAN-Flow-Management

Für Netzwerkbetreiber, die mit großen Mengen an Video-Traffic arbeiten, verbessert SDN die Traffic-Steuerung. Durch die Verwendung einer OpenFlow-Steuerung in der Netzwerkzentrale können die Netzwerkbetreiber ein System einrichten, das Traffic gemäß bestimmter durch den Betreiber programmierter Geschäftsrichtlinien umleiten und verteilen kann. Dank OpenFlow können Netzbetreiber Engpässe automatisch beheben und die Komplexität des Video-Traffics bei der Traffic-Steuerung reduzieren. In diesem Fall erlaubt die Anwendung eine fein abgestimmte Kontrolle über den Netzwerkverkehr seitens des Netzwerkbetreibers. Alle hier vorgestellten Anwendungsfälle sind Beispiele, wie SDN mit echten Netzwerkproblemen vor denen Betreiber von Netzwerken heute stehen, umgehen können. SDN ist für ganz verschiedene Netzwerke anwendbar, wobei Betreiber aus verschiedensten Ecken von den Vorteilen dieser Technologie profitieren können. In Verbindung mit Ethernet-Fabrics ist SDN dazu in der Lage ein intelligentes Netzwerk aufzusetzen.

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