SDNの概要と動向 Sept. 19, 2014 佐藤陽一 NTT Communications Corporation Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 自己紹介 NTTに入社時には研究所に配属。 その後、事業部へ移動し、そのまま分社となり、今はNTTコムに勤務。 研究所ではATM伝送技術の研究開発に従事。 事業部に移ってからは市販装置の検証評価、MPLSルータを使った L2-MPLS網・サービス開発を行い、その後MPLS-TPの装置開発に 従事。 現在はNTTコミュニケーションズでSDNの技術開発の携わっている が、特に ・O3プロジェクト ・沖縄オープンラボ※ に関わっている。 ※頻繁に沖縄に行っているが遊んでいるわけではない Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 2 Today’s Agenda SDNの概要 SDNの動向 SDNの取り組み • 商用サービスへの適用 • SDN-WANの実現に向けて Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 3 Internet Traffic in Japan 【 Trends of daily average total download traffic by broadband subscribers in Japan】 3,000 ※ monthly average of the average traffic of the day 2,584 ◎ （2013.11） 2,500 1,905 ◎ （2012.11） 2,000 35.6% increase in a year （Gbps） 1,500 1,000 500 [Source] Internet compiled and estimated traffic in Japan Ministry of Internal Affairs and Communications March 14, 2014 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Traffic・・・ CAPEX・・・ OPEX・・・ （Year） Network Service Revenue・・・ Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 4 NW展開の方向性 高速、大容量 通 信 事 業 者 の 課 題 スピード、柔軟性 ﾊﾟｹｯﾄ多重 サービス基盤の 柔軟な設計 大容量化 （100G化） NWサービス 波長/伝送 スピーディな対 応 ﾘｿｰｽのEnd-End ｺﾝﾄﾛｰﾙ マルチベンダ ソフトウェア処理が適した領域 ハードウェア処理が適した領域 解 決 の OpenFlow/SDN Next Gen PTN/Optical 方 向 NWサービス機能を支える波長／伝送は、ハー 柔軟性でスピーディなNWサービス機能の 性 ドウェアでNWをコントロール 実現に、ソフトウェアでNWをコントロールする する既存技術で対応する SDNを導入する Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 5 その前にコンピュータについて コンピュータの進展は垂直統合型から水平統合、仮想化へと進展してきた App App App ・・・ オープンなインタフェース OS OS OS 仮想化 オープンなインタフェース HW • 垂直統合型 • 水平統合型 • 所有から利用へ • “クローズドな”アプリケー ション/OS/HW • “オープンな”インタフェース • ロケーションフリー • 遅い技術革新 • 早い技術革新 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 6 SDN以前のネットワーク これまでのNW：ベンダが決めた製品の仕様に従って動く ⇒ ベンダがコントロール 実現できることはそのNW装置が持っている機能だけ ⇒ 新機能が欲しければ作ってもらう必要がある ベンダの NW装置 世界中でベンダのNW装置を買うことができる ⇒ サービスとしての差別化が難しい 製品ベンダが異なれば使い勝手も異なる ⇒ 運用が大変 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 7 IETF RFCの数 1996年 約2000個 2014年 7000以上 1日１つRFCを読む →7年で一人前 1日１つRFCを読む →19年で一人前? 8000 500 450 7000 RFC数／年 他にもIEEE802やITU-Tも標準化もある 6000 累積RFC数 5000 400 350 300 複雑になりすぎた 4000 3000 250 200 150 2000 100 50 0 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 IETF：インターネット技術の標準化を行う任意団体 1000 RFC： Request For Comment。IETFが決める規格のこと IEEE: IEEE標準規格のうちLANの規格を扱う 0 ITU： 国連の下部機関。通信分野に関する標準策定を行う Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 8 OpenFlow/SDNとは “ソフトウェア”でネットワーク全体の機能制御を実現 するための技術概念（考え方） App App App App Control Plane Software “ソフトウェア” ⇒ベンダに依らずユー ザサイドで作ること が可能 Switch NW装置 Switch vSwitch Switch vSwitch Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 9 トラフィック転送 ⇒”ソフトウェア”に従う 既存NW装置の構成とOpenFlowの構成比較 • 装置の内部にあった２つの機能を分離 現在の一般的な構成 OpenFlowの構成 OpenFlowコントローラ NWの制御を集中配備 マルチコアCPU、潤沢なメモ リを持つサーバで動作 装置監視（NMS） App App Srvc API等 OpenFlowコントローラ CLI、SNMP等 App Srvc コントロール プレーン App 標準プロトコル データプレーン Srvc OpenFlowプロトコル コントロール プレーン データプレーン データプレーン App OpenFlowスイッチ Srvc コントロール プレーン データプレーン データプレーン パケット転送を行う。 シンプルなハードウェア Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 10 データプレーン イーサネット ・MACアドレスで端末識別 ・スイッチは行き先を知るために、MAC学習を行う→自動 ・MAC学習が成立するために、ブロードキャストを用いている→ループが怖い ・ループを防止するために、STP（Spanning Tree Protocol）という方式がある ・ブロードキャストが届く範囲が一つのNW ・複数のネットワークを構成するためにVLANがある MAC DA MAC SA MAC DA MAC SA Payload 802.1Q FCS Payload Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 11 FCS IP ・IPアドレスで端末識別 ・ルータは行き先を知るために、ルーティングプロトコルを用いてIPテーブルを作成 ・ルーティングプロトコルには内部（OSPF等）、外部（BGP）がある MAC DA MAC SA IP header 4B IP DA 4B IP SA Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 12 Payload FCS OpenFlow ・MAC、IPアドレス等12タプルでフローを識別 （L1：ポート、L2：MAC/VLAN、L3:IP、L4:TCP/UDP） ・フローテーブルはコントローラからの指示で直接書き換える MAC DA MAC SA IP header 4B IP DA 4B IP SA Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 13 Payload FCS OpenFlow1.3の概要イメージ • OpenFlowスイッチはOpenFlowフローテーブルに基づきフローを処理 • “マッチングルール”にマッチしたトラフィックを“アクション”に従い処理 〇〇な条件のパケットが来たら、□□の処理をする Match(○○な条件) L2 ETH, VLAN, MPLS, PBB L3 IPv4, IPv6, ARP L4 TCP, UDP, ICMP, SCTP - Input port, Metadata, Tunnel ID の主要フィールド(詳細次頁) Instruction(□□の処理) Output, Drop 指定ポートから出す／出さない Push-Tag, Pop-Tag タグ(VLAN, MPLS, PBB)の付け外し Change-TTL TTL(IPv4, IPv6, MPLS)の減算／コピー Set-Field 主要フィールドの書き換え Meter, Queue 帯域制御 Group 処理のグループ化、ボンディング Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 14 OpenFlowフローテーブル • コントローラはマッチ、アクションのフローテーブルをスイッチに設定 • スイッチはフローテーブルの従ってパケットを処理する Flow Table Entry #1 Header Field#1 Action #1 Counter #1 Entry #N Header Field #N Action #N Counter #N Header Field (マッチングルール) マッチングするフローを 定義 Action 入力パケットに対する 処理を定義 ・Forward ・Enqueue ・Drop ・Modify-Field Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 15 Counter フローの統計情報を記録 ・マッチしたパケット数 ・バイト数 ・セッション継続時間 SDNに対する期待 新サービスや 差異化するための 機能開発 プログラマ ビリティ 設定・運用の自動化 ネットワーク コモディティ ハードウェアの 利用 無人化 ロボット・人工知能 SDNが狙いとする範囲 CAPEX、OPEXの削減だけでなく、 Tme to marketの短縮 Cloudとの連携による新しいサービス/ビジネスの創出 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 16 SDNのとらえ方 （１） （１） OpenFlowを中核にSDNのフレームを構築 → OFCからAPIを提供 → 共通化されたハード仕様のOFSの振舞いをOFCからプログラミング •運用の効率化、自動化によるOPEXの削減 •装置のコモディティ化によるCAPEXの削減 API等 上位システム（プログラム）から 制御できるインタフェースを提供 OpenFlow Controller OpenFlowプロトコル （標準化、開示） パケット転送の振る舞いをOpenFlowで記述 OpenFlowスイッチ GoogleやStanford大学等が主張するSDNの例 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 17 SDNのとらえ方 （２） （２） 既存の装置をSDNのフレームに当てはめる → CLI等をAPIに置き換え → 集中制御のための独自コントローラを提供 •運用の効率化、自動化によるOPEXの削減 上位システム（プログラム）から制御できるインタフェースを提供 API 開発キット（SDK）を提供 API SDNコントローラ等 VDN Vendor Defined Networking Black Box 制御部 C-Plane 装置内インタフェース （ベンダ独自、非開示） or スイッチ部 制御部 C-Plane 装置内インタフェース （ベンダ独自、非開示） スイッチ部 既存装置ベンダが主張するSDNの例 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 18 Black Box SDNの動向 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 19 Software Defined… Softwareによって、○○が出来るようになる。 つまり、差異化はSoftwareで行われる。 裏返すと、 Hardwareでは差異化は出来ない。。。 ということは、Hardwareってもう進化しないの？ Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 20 OpenFlowスイッチ（1/2） •Switch LSIベースのスイッチ – 市販されているSW LSIを使用してるスイッチ • • • • • • • NEC（UNIVERGE PFシリーズ、v1.3、日本） Brocade（MLX,CESシリーズ、v1.0、米） IBM（G8264、v1.3、米） Pica8（Prontoシリーズ、v1.3、米） Riava（ASシリーズ、v1.3、台湾） HP（Procurveシリーズ、v1.3、米） Arista（Aristaシリーズ、v1.0、米）等 NW-APP NW-APP コントローラ等 コントローラ等 •NPUベースのスイッチ – プログラム可能なSwitch LSIを利用 • • • Netronome（v1.3、米） FLARE（v1.3、東大中尾研） Noviflow（v1.3、カナダ） スイッチ 制御部 OF Agent メモリ CPU フラッ シュ OS APP SDK Driver データ プレーン Switch LSI ハードウェア構成 ※Network Processor Unit Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 21 （ASIC/NPU） SW LSI ソフトウェア構成 OpenFlowスイッチ（2/2） •ソフトウェアスイッチ – サーバ上で動作。CPUを使ってスイッチ動作を行う • • • Open vSwitch（v1.3、Nicira） LINC（v1.3、Infoblox） Lagopus SW（v1.3、O3プロジェクト） NW-APP NW-APP コントローラ等 NW-APP コントローラ等 コントローラ等 サーバ Hyperviser APP メモリ CPU HDD OS OVS KVM Lagopus OS Driver NIC NIC ハードウェア構成 NIC 22 KVM Driver ソフトウェアスイッチ ソフトウェア構成 （OVSの例） Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. APP NIC ソフトウェア構成 （Lagopusの例） NFVとSDN NFVとSDNはお互いを補完する関係にある。 コモディティハードウェアの利用 Network Functions VirtualizationのWhite Paperより抜粋 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 23 Intel DPDK Kernelを介さないでパケットをメモリに転送。 DMAなのでCPUクロックを使わない。 Application with intel DPDK Standard linux application Application User space Event-base packet handling packet buffer memory Kernel space User-mode I/O & HAL 3. system call (write) 1. DMA Write skb_buf 1. Interrupt & DMA NIC 2. DMA READ 4. DMA Ethernet Driver API Ethernet Driver API Driver Polling-base packet handling DPDK Library Socket API 2. system call (read) Application packet buffer NIC Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 24 packet buffer アーキテクチャの進化 DDR3 Mem Cache DDR3 Mem PCIe PCIe PCIe ESI I/O HUB DDR3 Mem Chip set Ether Cont DDR3 Mem QPI QPI PCIe PCIe PCIe PCIe QPI Cache QPI Mem DDR3 CPU QPI Mem DDR3 Mem DDR3 CPU Mem DDR3 Mem DDR3 Cache DMI2 Mem DDR3 CPU Mem DDR3 2013年頃のアーキテクチャ Ether Cont 1Gx4port 10Gx2port 1Gx4port ICH http://www.mpls.jp/2013/presentations/Intel_SDN-NFV_MPLS_Japan_20131029.pdf Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 25 CPU DDR3 Mem DDR3 Mem Cache DDR3 Mem PCIe PCIe PCIe PCIe 2009年頃のアーキテクチャ Ether Cont 10Gx2port Lagopus Switch（O3プロジェクト） 広域ネットワークでの利用を目指し、OpenFlowの最新仕様に 準拠した高性能なSDNソフトウェアスイッチ 高性能なパケット処理 100万フロールールサポート 10Gbpsを超えるパケット処理性能 幅広いプロトコルのサポート 広域網で利用されるMPLS, PBB, QinQも含め，最新安定版仕様 OpenFlow 1.3.4を幅広くサポート Ryu Certificationでトップスコア http://osrg.github.io/ryu/ certification.html 幅広い設定・管理インターフェース のサポート OF-CONFIG, OVSDB, CLI, SNMP, Ethernet OAM (開発中機能含む) モジュール化構成 共通データストアをベースに，新 たなプロトコル，制御インター フェースを迅速・柔軟に追加可能 複数のデータプレーンをサポート 汎用サーバ(IAサーバ) マルチコアCPUに適した パケット処理 Intel DPDKの活用による I/Oの高速化 ベアメタルスイッチ(開発中) 汎用スイッチハードウェア対応 オープンソース 2014/6/6 報道発表 ”世界最高性能 のSDNソフトウェアスイッチをオー プンソースソフトウェアとして公 開” http://www.ntt.co.jp/news2014/ 1406/140606a.html 2014年7月に公開予定 http://lagopus.github.io/ Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 26 OpenFlow controller OpenFlow 1.3 Service Chaining 同一サーバ内のvSWでApp1、App2をチェイニグ → 外部のSWで折り返すよりも高速、低遅延が実現できる APP1 APP2 vSW （Lagopus） Kernel（OS） NIC Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 27 Switch市場の動向 Switch OS市場 新市場 他市場からの参入 新規参入 Switch市場 Cisco, Juniper, HP, Dell, IBM, etc. 買収、DPDK Switch Chip市場 NPUベンダ ・Tilera ・netronome ・EZ Chip Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 28 ODM ・Quanta ・Acton ・Penguin 新規参入 ハードウェアのコモディティ化 コモディティハードウェア ＋ ソフトウェア ＝ スイッチや所望のNW機能 White Box SW OpenFlowの ＋ ファームウェア （オープンソース） ＝ スイッチ ※Open Compute Projectが推進 x86サーバ ＋ ソフトウェア ＝ ソフトウェアスイッチ Virtual Network Function ※実は意外に高性能ということが徐々に分かり始めてきた Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 29 コモディティ化 安い、低品質？ 誰が作っても同じ機能、同じ性能、同じ品質 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 30 サプライチェインの変化 装置ベンダ Chipベンダ 機能要求 キャリア ・網の設計 ・構築、運用 ・装置設計 ・製造 ・ファームウェア サービス ユーザ キャリア 装置ベンダ Chipベンダ ODMベンダ ・製造 SDNによる 機能開発 ・装置設計 ・ファームウェア サービス ・網の設計 ・構築、運用 ユーザ 製造をアウトソース 装置仕様の オープン化 Chipベンダ ODMベンダ ・製造 ファームウェア のオープン化 キャリア 機能要求 SDNによる 機能開発 ODMベンダから直接購入 機能要求 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 31 ・網の設計 ・構築、運用 サービス ユーザ サプライチェインの変化 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 32 サーバの自作 コモディティ化 → 自分で組立てても、品質・性能は同じ むしろ、 いらない機能は省く DB用、ストレージ用とか用途に合わせたセットアップが可能 とはいえ、台数が100万台とかになると、面倒。 同じことはラックマウント、ケーブリングにもいえる。 そういうことをしてくれる会社（Hyve社等）がある。 部品調達、組立て、試験、ラックマウント、ケーブリング、ラックごと発送 を一括でやる。 しかも、こまかなカスタマイズも可能。 （IOパネルの配置、エアフローの向き等） Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 33 OpenFlowコントローラの制御 (プロアクティブ制御) 0．収容ポート位置、トラヒックの空き状況等から予め経路を設計 1．経路情報に基づいたフローテーブルを設定(複数スイッチ) 0.設計 2．パケット転送 収容・設備DB 設計システム等 1. フローテーブル設定 Header Field Action OpenFlow SW 2. パケット転送 Header Field Action OpenFlow SW OpenFlow SW Header Field Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 34 Action OpenFlow Controller OpenFlowコントローラの制御 (リアクティブ制御) 1.パケットの受信 2.フローテーブルを検索 3.エントリーがない場合、パケットをコントローラへ転送(Packet-In) 4.コントローラはトポロジ情報等から経路を計算 5.経路情報に基づいたフローテーブルを設定(複数スイッチ) 6.パケットをスイッチへ転送(Packet-Out) OpenFlow 7.パケット転送 Controller 5. フローテーブル設定 Header Field Action 4.経路計算 OpenFlow SW 6.スイッチへ転送 (Packet-Out) 7. パケット転送 Header Field 3.コントローラへ転送 (Packet-In) 2.フローテーブルを検索 Action OpenFlow SW OpenFlow SW Header Field Action Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 35 1.パケット受信 Distributed Controller API API OpenFlow Controller OpenFlow Controller OFC Manager of OFC OFC OFC OFC Logically centralized physically centralized Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 36 スイッチ内の分散コントローラの配備例 スイッチ内のOS(例Linux)上に OFCをインストールする。 OpenFlowプロトコルはスイッチ内で やり取りされる。 OFCと外部のコントローラ間の制御 情報のやり取りの規定はない。 コントローラ等 制御用ポート OF-Agent OF-Cont OS (Linux) SW Driver コントロール・ マネージメント プレーン Switch LSI スイッチ データプレーン 通信用ポート Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 37 集中-分散連係制御の例 一元的なNW制御 トポロジの管理 集中制御型TE、経路制御 API App App Ryu manager 隣接ノードの発見 統計情報取得 断検知（OAM） フロー切替え App RYU SW OS DB App RYU SW OS SW LSI SW LSI App RYU SW OS App RYU SW OS SW LSI App RYU SW OS SW LSI SW LSI App ：自前が実装できる部分 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 38 White Box Switch ・スイッチ内部に自前のアプリを動かして、分散制御機能を 実現したい ・複数のスイッチを組合わせて大容量のスイッチにする ・・・OF-Patchの発展形? NW-APP 1Uのスイッチでシャーシ型のスイッチを作る NW-APP コントローラ等 スイッチ 制御部 オープンソース化 OF Agent メモリ CPU フラッ シュ OS APP controller コントローラ等 OF-DPA Driver データ プレーン Switch LSI （ASIC/NPU） ハードウェア構成 SW LSI オープン化 ソフトウェア構成 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 39 技術開発 現状 SDN以降 欲しい機能 欲しい機能 プロトコルを考案 （方式検討） 1ヶ月～0.5年 プロトコルを標準化 1～３年 実装 0.5年 （マルチベンダ相互接続性試験 0.5年） バージョンアップ 装置の導入 方式検討 3～6ヶ月 実装 オープンソースPJ コミュニティ 0.5～2年 使える状態 使える状態 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 40 1ヶ月～0.5年 オープンソースコミュニティ OpenDayLight ベンダ中心 マルチベンダ対応のSDNプラットフォームを開発 ONOS ON.Lab中心にキャリア、ベンダが集結 SDN-WANに向けた分散型SDNプラットフォームを開発 Open NFV キャリア、ベンダが集結 NFVのアーキテクチャを実現するフレームワークを開発 Spring Open ONF主管のプロジェクト。キャリア、ベンダが集結 IETFで検討中のセグメントルーティングの実装を行う Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 41 SDN/クラウド融合技術の実用化に向けて ・OpenFlow/SDNはネットワーク技術を実装する為の手段 - 比較的容易に実装できる - 机上検討よりも実機での実証実験を通して知見を高める ・テストベッドを通しての技術開発 - POCを通して有効性を確認 - 自ら利用する（Dog food） ・オープンイノベーション - コミュニティの確立 - 技術開発の加速 Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 42 Thank You! Copyright © NTT Communications Corporation. All right reserved. 43
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