SDN技術の主な応用シナリオ

ソフトウェア定義ネットワーク (SDN) は、2011 年 11 月に InfoWorld が発表した、今後 10 年間に影響を与える 10 の新技術の中で 2 位にランクされました。2012 年 7 月、代表的な SDN メーカーである Nicira が VMware に 12 億 6,000 万ドルで買収されました。その後、Google は世界中の 10 の IDC ネットワークで SDN の導入に成功したことを発表し、SDN は業界から大きな注目を集めるようになりました。 SDN と従来のネットワーク アーキテクチャの違いは何ですか?それはどのような破壊的イノベーションをもたらすのでしょうか?

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既存のネットワークでは、トラフィックの制御と転送は、ビジネス機能と密接に連携したオペレーティング システムと専用ハードウェアを統合したネットワーク デバイスに依存しています。これらのオペレーティングシステムと専用ハードウェアは、各メーカーによって開発および設計されています。

SDN は新しいタイプのネットワーク アーキテクチャです。その設計コンセプトは、ネットワークの制御プレーンをデータ転送プレーンから分離し、集中コントローラ内のソフトウェア プラットフォームを通じて基盤となるハードウェアのプログラム可能な制御を実現し、ネットワーク リソースの柔軟なオンデマンド割り当てを実現することです。 SDN ネットワークでは、ネットワーク デバイスは単純なデータ転送のみを担当し、汎用ハードウェアを使用できます。制御を担当する元のオペレーティングシステムは、さまざまな業務特性に適応する責任を負う独立したネットワークオペレーティングシステムに改良され、ネットワークオペレーティングシステム、業務特性、ハードウェアデバイス間の通信はすべてプログラミングを通じて実現できるようになります。

図1 比較

下の図に示すように、従来のネットワークと比較して、SDN には 3 つの基本的な特徴があります。

制御と転送の分離。転送プレーンは制御された転送デバイスで構成され、転送方法とビジネス ロジックは分離された制御プレーン上で実行される制御アプリケーションによって制御されます。

コントロール プレーンと転送プレーン間のオープン インターフェイス。 SDN は、コントロール プレーン用のオープンでプログラム可能なインターフェイスを提供します。このように、制御アプリケーションは、基盤となる実装の詳細を気にすることなく、独自のロジックに集中するだけで済みます。

論理的に集中化された制御。論理的に集中化された制御プレーンは、複数の転送プレーンデバイスを制御することができ、つまり、物理ネットワーク全体を制御することができるため、グローバルネットワークステータスビューを取得し、グローバルネットワークステータスビューに基づいてネットワークの最適な制御を実現することができます。

図2 比較

SDN の一般的なアーキテクチャは 3 つの層に分かれています。最上位層はアプリケーション層であり、さまざまなサービスとアプリケーションが含まれます。中間制御層は主に、データ プレーン リソースのオーケストレーションの処理、ネットワーク トポロジの維持、ステータス情報などの処理を担当します。基盤となるインフラストラクチャ層は、フロー テーブルに基づいてデータの処理、転送、ステータス収集を担当します。 SDN には基本的に、「制御と転送の分離」、「デバイス リソースの仮想化」、「ハードウェアとソフトウェアの汎用的なプログラマビリティ」という 3 つの主要な特性があり、少なくとも次の利点をもたらします。

図3 アーキテクチャ

まず、機器のハードウェアを正規化します。ハードウェアは転送機能とストレージ機能のみに重点を置いており、ビジネス機能からは切り離されています。これは比較的安価な商用アーキテクチャを使用して実現できます。

第二に、ネットワークのインテリジェンスはすべてソフトウェアによって実現されます。ネットワークデバイスの種類と機能はソフトウェア構成によって決定され、ネットワークの動作制御と操作はネットワークオペレーティングシステム（NOS）であるサーバーによって完了します。

3つ目は、ビジネスへの対応が比較的早いことです。ルーティング、セキュリティ、ポリシー、QoS、トラフィック エンジニアリングなどのさまざまなネットワーク パラメータをネットワーク内でリアルタイムにカスタマイズおよび構成できるため、特定のビジネスを開始するまでの時間が短縮されます。

SDNの5つの価値

SDN がネットワークの新時代の最先端技術および新興産業となった今、SDN は従来のネットワークにどのような影響と価値をもたらすのでしょうか。 「SDN は、迅速なサービス構成や柔軟なネットワークなどの利点をもたらします。」これは、多くのソフトウェア定義ネットワーク (SDN) プロバイダーの誇大宣伝かもしれません。これまで、SDN に関する話はたくさんありましたが、実際の実践はほとんどありませんでした。この新興技術は企業に利益をもたらすことができるのでしょうか?

図に示すように、SDN はネットワーク スイッチとルーター内の制御プレーンとデータ プレーンを分離します。 SDN コントローラは、ネットワーク トポロジの収集、ルート計算、フロー テーブルの生成と配布、ネットワークの管理と制御などの機能を実装します。ネットワーク層デバイスは、トラフィックの転送とポリシーの実行のみを担当します。転送と制御を分離すると、制御ロジックが集中化されます。 SDN コントローラは、ネットワークのグローバルな静的トポロジ、ネットワーク全体の動的転送テーブル情報、ネットワーク全体のリソース使用率、障害状態などを保持しており、それによってネットワーク機能を開放します。集中型 SDN コントローラは、ネットワーク リソースの統一管理、統合、仮想化を実現した後、標準化されたノースバウンド インターフェイスを使用して、上位層アプリケーションにオンデマンドのネットワーク リソースとサービスを提供し、ネットワーク機能の開放とオンデマンドのプロビジョニングを実現します。

図4 物理層

SDN は、柔軟性の欠如、変化する需要への対応の遅さ、ネットワークの仮想化の不可能性、高コストなど、従来のネットワークで避けられないいくつかの問題を解決する革新的な変化です。現在のネットワーク アーキテクチャでは、ネットワーク オペレータや企業は、機器プロバイダや標準化団体の合意を待って、独自の運用環境に新しい機能を組み込む必要があるため、新しいサービスを迅速に提供することができません。明らかにこれは長い待ち時間であり、既存のネットワークにこの新しい機能が実際に導入される頃には、市場は大きく変化しているかもしれません。

SDN により状況は変わりました。ネットワーク事業者や企業は、独自に作成したソフトウェアを通じてネットワーク機能を簡単に決定できます。 SDN により、柔軟性、俊敏性、仮想化の面でより積極的に取り組むことができます。 SDN は、ネットワーク オペレーターや企業が通常のソフトウェアを通じていつでも新しいサービスを提供できるように支援します。 OpenFlow 転送命令セットを通じてネットワーク制御機能を集中化することで、ネットワークを仮想化し、物理リソースではなく論理リソースとして制御および管理できるようになります。

SDN では、アプリケーションとポートやアドレスなどの特定のネットワーク詳細との関連付けを排除することで、アプリケーションの書き換えやネットワーク機器の手動構成に時間と費用をかけずに、ネットワークの物理プレーンをアップグレードできます。

コマンドライン インターフェイスによる手動構成は、長い間ネットワーク仮想化の障害となってきました。また、運用コストが高くなり、ビジネス ニーズを満たせないネットワーク アップグレードに時間がかかり、エラーが発生しやすくなりました。 SDN により、一般のプログラマーが一般サーバーの一般オペレーティングシステム上の一般ソフトウェアを使用してネットワーク機能を定義できるようになり、ネットワークをプログラム可能にすることができます。 SDN は、さまざまな顧客のニーズを満たし、高度にカスタマイズされたソリューションを提供できるため、大きな市場機会をもたらします。これにより、ネットワーク運用をオープン ソフトウェアに基づいて実行できるようになり、新しい機能を追加するために機器プロバイダーの特定のハードウェアやソフトウェアに依存する必要がなくなります。

さらに重要なのは、マルチキャスト機能や負荷分散機能の実装など、特定のネットワーク機能の提供も非常に簡単になったことです。さらに、トポロジー制約もなくなります。例えば、従来のデータセンターでは、ツリートポロジーによって支配されるトラフィック制限などの問題も解決されます。

まとめると、SDN がもたらす 5 つの主な利点は次のとおりです。

まず、SDN により、ネットワークの使用方法、制御方法、収益の創出方法の柔軟性が向上します。

2 つ目は、SDN によって新しいサービスの導入が加速されることです。ネットワーク オペレーターは、従来のように機器プロバイダーが独自の機器に対応するソリューションを組み込むのを待つ必要はなく、制御可能なソフトウェアを通じて関連機能を展開できます。

3 番目に、SDN はネットワークの展開と運用および保守の障害診断を自動化し、ネットワークへの手動介入を減らすため、ネットワークの運用コストとエラー率を削減します。

4 番目に、SDN はネットワーク仮想化の実現に役立ち、それによってネットワーク コンピューティングとストレージ リソースの統合が実現され、最終的にはいくつかのシンプルなソフトウェア ツールの組み合わせを通じてネットワーク全体を制御および管理できるようになります。

5 番目に、SDN により、ネットワーク、さらにはすべての IT システムをビジネス目標に向けてより適切に配置できるようになります。

SDNアプリケーションシナリオの議論と分析

SDN のアプリケーション シナリオは、SDN テクノロジ自体の特性と密接に関連しています。 SDN の適用シナリオを検討するには、まず SDN テクノロジの特性を分析する必要があります。

SDNの主な技術的特徴

SDN の主な技術的特徴は 3 つの側面に反映されています。

• 転送と制御の分離。 SDN は転送と制御を分離する特徴を持っています。 SDN コントローラを使用して、ネットワーク トポロジの収集、ルート計算、フロー テーブルの生成と配布、ネットワークの管理と制御などの機能を実現します。一方、ネットワーク層デバイスはトラフィックの転送とポリシーの実行のみを担当します。このようにして、ネットワーク システムの転送プレーンと制御プレーンを独立して開発できます。転送プレーンは、普遍化と簡素化に向けて開発することができ、コストを徐々に削減することができます。コントロール プレーンは、より強力なパフォーマンスと容量を備え、集中化と統合に向けて開発できます。
• 制御ロジックは集中化されています。転送と制御を分離した後、制御を集中化できます。コントロール プレーンの集中化により、SDN コントローラは、ネットワークのグローバルな静的トポロジ、ネットワーク全体の動的転送テーブル情報、ネットワーク全体のリソース使用率、障害状態などを把握できるようになります。そのため、SDN コントローラは、ネットワーク レベルに基づいて統一された管理、制御、最適化を実現できるほか、グローバル トポロジの動的転送情報を利用して、障害を迅速に特定して排除し、運用効率を向上させることができます。
• オープンネットワーク機能。 SDN のもう 1 つの重要な機能は、ネットワーク機能のオープン性をサポートしていることです。集中型 SDN コントローラを通じてネットワーク リソースの統一管理、統合、仮想化を実現した後、標準化されたノースバウンド インターフェイスを使用して、上位層アプリケーションにオンデマンドのネットワーク リソースとサービスを提供し、ネットワーク機能の開放を実現します。このアプローチは、既存のネットワークのビジネス閉鎖の問題を解決し、画期的なイノベーションです。

SDN では制御と転送が分離されているため、機器のハードウェアが汎用的かつシンプルになり、機器のハードウェア コストが大幅に削減され、SDN の適用が促進されます。しかし、機器のハードウェアや転送フローテーブルの変更により、SDN機器と既存のネットワーク機器との互換性の問題も生じ、大規模ネットワークにおけるSDNの適用が一定期間制限される可能性があります。

SDN の集中制御ロジックにより、SDN コントローラはネットワークのグローバル トポロジとステータスを把握し、グローバル最適化を実装し、エンドツーエンドのネットワーク展開、保証、および検出方法を提供できます。同時に、SDN コントローラはさまざまなレベルのネットワークを集中制御し、パケット ネットワークと光ネットワークの共同スケジューリングなど、ネットワークのマルチレイヤーおよびマルチドメインのコラボレーションと最適化を実現します。

SDN ネットワーク機能はオープンであるため、ネットワークをプログラムでき、アプリケーション サービスの提供が容易になります。ネットワークはもはや単なるインフラストラクチャではなく、サービスでもあります。 SDNの適用範囲がさらに拡大しました。

SDNの5つの応用シナリオ

ネットワークに関与する主なエンティティを整理すると、SDN の適用シナリオは基本的に、通信事業者、政府および企業顧客、データ センター サービス プロバイダー、インターネット企業に重点が置かれます。懸念される SDN アプリケーション シナリオは、主に、データ センター ネットワーク、データ センター間の相互接続、政府および企業のネットワーク、通信事業者のネットワーク、インターネット企業のビジネス展開に焦点を当てています。

シナリオ 1: データセンター ネットワークにおける SDN の適用

データセンター ネットワークにおける SDN の需要は、主に、大規模な仮想テナント、マルチパス転送、VM (仮想マシン) のインテリジェントな展開と移行、集中型および自動化されたネットワーク管理、グリーン エネルギーの節約、オープン データセンター機能など、いくつかの側面に反映されています。

SDN の集中制御ロジックは、集中型ネットワーク自動化管理、マルチパス転送、グリーンエネルギー節約などの要件を完全に満たすことができます。 SDN ネットワーク機能のオープン性と仮想化により、データセンター機能のオープン化、VM のインテリジェントな展開と移行、大規模な仮想テナントのニーズを完全に満たすことができます。

データセンターの構築と保守は、通常、データセンター運営者または ICP/ISP によって一元的に管理されます。これらは比較的閉鎖的であり、均一に計画、展開、アップグレードできるため、SDN の展開が非常に実現可能になります。データセンター ネットワークは、現在 SDN の最も明確なアプリケーション シナリオの 1 つであり、最も有望なアプリケーション シナリオの 1 つでもあります。

図5 シナリオ

シナリオ 2: データセンター相互接続における SDN の適用

データセンター間のインターネット ネットワークは、トラフィック量が多く、バースト性が強く、周期性が強いという特徴があるため、ネットワークには、マルチパス転送と負荷分散、ネットワーク帯域幅のオンデマンド提供、グリーン エネルギーの節約、集中管理と制御の機能が必要です。次の図に示すように、マルチデータセンター相互接続のシナリオにおける SDN テクノロジのアプリケーション アーキテクチャ図は、SDN を導入したネットワークが、統合コントローラを展開することでデータセンター間のトラフィック需要を収集し、統合計算とスケジューリングを実行し、帯域幅の柔軟なオンデマンド割り当てを実装し、ネットワークを最大限に最適化して、リソース使用率を向上できることを示しています。

Google は現在、データセンター間に SDN テクノロジーを適用しており、データセンター間のリンク使用率がほぼ 100% にまで向上し、大きな成果を上げています。

シナリオ3: 政府および企業ネットワークにおけるSDNの適用

政府や企業のネットワークにはさまざまな業務があり、ネットワーク機器には複雑な機能やさまざまな種類があります。ネットワーク セキュリティに対する要件は高く、集中管理と制御が必要であり、ネットワークには高度な柔軟性とカスタマイズされたニーズを満たす能力が求められます。

転送と制御を分離する SDN アーキテクチャにより、ネットワーク機器を汎用的かつシンプルにすることができます。 SDN は複雑なビジネス機能を分離し、上位レベルのアプリケーション サーバーを通じて実装します。これにより、機器のハードウェア コストが削減されるだけでなく、エンタープライズ ネットワークがよりシンプルで構造化されます。同時に、SDN 制御の論理的な集中化により、企業ネットワークの集中管理と制御、企業セキュリティ ポリシーの集中展開と管理、コントローラーまたは上位アプリケーションでのネットワーク機能の柔軟なカスタマイズを実現し、企業ネットワークのニーズをより適切に満たすことができます。

企業ネットワークは一般的に、企業自身の情報技術部門によって構築、管理、保守されるため、閉鎖的であり、統一された方法で計画、展開、アップグレードすることができ、SDN の展開が非常に実現可能になります。

シナリオ4: 通信事業者ネットワークにおけるSDNの適用

通信事業者ネットワークには、ブロードバンド アクセス層、メトロポリタン エリア層、バックボーン層などの層が含まれます。特定のネットワークは、有線ネットワークと無線ネットワークに分けることもできます。ネットワークには、伝送ネットワーク、データ ネットワーク、スイッチング ネットワークなど、さまざまな種類があります。一般に、通信事業者のネットワークは、カバレッジ範囲が広く、ネットワークが複雑で、ネットワークのセキュリティと信頼性の要件が高く、複数のネットワーク標準が関係し、複数のベンダーが共存するという特徴があります。

SDN における転送と制御の分離により、機器の段階的な統合を効果的に実現し、機器のハードウェア コストを削減できます。 SDN の集中制御ロジック機能により、ネットワークの集中管理とグローバル最適化が徐々に実現され、運用効率が効果的に向上し、エンドツーエンドのネットワーク サービスを提供できるようになります。 SDN のネットワーク機能の仮想化とオープン性は、通信事業者のネットワークのインテリジェンスとオープン性の実現、より豊富なネットワーク サービスの開発、収益の増加にもつながります。

たとえば、NTT とドイツテレコムはどちらも SDN 導入の実験を開始しています。 NTTは、データセンター間の仮想化とWANネットワークを実現するための実験環境を日本と米国に構築しました。一方、ドイツテレコムはクラウド データ センター、無線、固定、その他のアクセス環境で SDN を使用しています。

しかし、SDN 技術はまだ十分に成熟しておらず、標準化の度合いも十分ではありません。大規模で多数のネットワークデバイスの管理問題、超大規模 SDN コントローラのセキュリティと安定性の問題、複数のベンダーの調整と相互運用性の問題、異なるネットワーク レベル/標準の調整とドッキングの問題はすべて、できるだけ早く解決する必要があります。現時点では、通信事業者のネットワークに SDN 技術を大規模に適用することはまだ困難ですが、ローカル ネットワークや、モバイル バックホール ネットワーク シナリオ、パケット ネットワークと光ネットワークの連携シナリオなどの特定のアプリケーション シナリオでは、徐々に利用できるようになります。

シナリオ 5: インターネット企業のサービス展開における SDN の適用

SDN はソフトウェア定義ネットワークの略です。しかし、著者は、SDN の研究の焦点は、ソフトウェアがネットワークをどのように定義するかではなく、ネットワーク機能をどのように開放するかにあるべきだと考えています。ネットワークの重要性は、上位層アプリケーションにネットワーク サービスを提供して、上位層アプリケーションを伝送することです。 NaaS はネットワークの最終的な目的地です。 SDN アーキテクチャに基づいて展開されるインターネット企業のビジネスは、SDN の重要な適用シナリオになります。

SDN はオープン ネットワーク機能の特性を備えています。 SDN コントローラのノースバウンド インターフェイスを通じて、上位層アプリケーションに標準化および正規化されたネットワーク機能インターフェイスを提供し、上位層アプリケーションにネットワーク機能サービスを提供します。 ICP/ISP は必要に応じて対応するネットワーク サービスを取得できるため、エンド ユーザーのビジネス エクスペリエンスが効果的に向上します。

テンセントや百度などの国内企業はSDNの実験導入を加速させている。たとえば、Tencent は SDN を使用して差別化されたパス計算、トラフィック制御、サービスを実現し、ユーザーに優れたエクスペリエンスを提供します。

SDNの推進力

SDN における転送と制御の分離により、機器のハードウェア コストを効果的に削減できます。集中制御ロジックにより、ネットワークにグローバルな視点を与え、グローバルな最適化を実現し、マルチネットワークの統合と集中管理および制御を実現します。ネットワーク機能のオープン性により、さらなるビジネス革新とネットワークサービス革新が促進されます。これら 3 つの原動力が SDN の開発を推進し、SDN の適用シナリオを拡大しています。

現在、SDN テクノロジはまだ十分に成熟しておらず、データ センター ネットワークやエンタープライズ ネットワークなど、比較的単純で比較的閉じたネットワークへの適用に適しています。この技術が成熟し、標準化されるにつれて、通信事業者のネットワークに大規模に適用されることが期待されます。