ソフトウェア定義ネットワーク

ソフトウェア定義ネットワーク( SDN ) は、ネットワーク管理のアプローチであり、抽象化を使用して動的かつプログラム的に効率的なネットワーク構成を可能にし、グループ化とセグメンテーションを作成すると同時に、従来のネットワーク管理よりもクラウド コンピューティングに近い方法でネットワークのパフォーマンスと監視を向上させます。^{[ 1 ]} SDN は、従来のネットワークの静的なアーキテクチャを改善することを目的としており、ネットワーク パケットの転送プロセス(データ プレーン) をルーティング プロセス (コントロール プレーン) から分離することにより、ネットワーク インテリジェンスを 1 つのネットワーク コンポーネントに集中させるために使用できます。^{[ 2 ]}コントロール プレーンは 1 つ以上のコントローラで構成され、これらは SDN ネットワークの頭脳と見なされ、すべてのインテリジェンスが組み込まれています。ただし、集中化には、セキュリティ、^{[ 1 ]}スケーラビリティ、弾力性に関連するいくつかの欠点があります。^{[ 1 ] [ 3 ]}

SDNは、2011年のOpenFlowの登場以来、ネットワークスイッチを介したネットワークパケットのパスを決定するためにネットワークプレーン要素とのリモート通信を行うOpenFlowプロトコルと一般的に関連付けられてきました。しかし、2012年以降、独自のシステムもこの用語を使用するようになりました。 ^{[ 4 ] [ 5 ]}これらには、Cisco SystemsのOpen Network EnvironmentやNiciraのネットワーク仮想化プラットフォームが含まれます。

SD-WANは、広域ネットワーク（WAN）に同様の技術を適用する。 ^{[ 6 ]}

WAN のユースケースに加えて、SDN は通信バックボーンにもますます適用されており、運用インベントリおよび自動化プラットフォームと組み合わせて、マルチベンダーネットワーク全体でリアルタイムの可視性、サービス保証、および簡素化されたプロビジョニングを提供します。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

SDNの原理の歴史は、公衆交換電話網で初めて採用された制御プレーンとデータプレーンの分離に遡ることができます。これは、データネットワークでこのアーキテクチャが使用される何年も前から、プロビジョニングと管理を簡素化する方法を提供していました。

インターネット技術タスクフォース（IETF）は、2004年に発表されたフォワーディングおよび制御要素分離（ForCES）という名称のインターフェース標準案において、制御機能とデータ転送機能を分離するさまざまな方法を検討し始めました。^{[ 10 ]} ForCESワーキンググループは、付随するSoftRouterアーキテクチャも提案しました。^{[ 11 ]}制御プレーンとデータプレーンの分離を追求したIETFの初期の標準案には、IPサービスプロトコルとしてのLinux Netlink ^{[ 12 ]}や、パス計算要素（PCE）ベースのアーキテクチャ^{[ 13 ]}などがあります。

これらの初期の試みは普及しなかった。その理由の一つは、インターネットコミュニティの多くの人々が、特に制御プレーンにおける障害の可能性を考慮すると、制御とデータを分離することは危険だと考えていたことである。もう一つの理由は、ベンダーが、制御プレーンとデータプレーンの間に標準的なアプリケーションプログラミングインターフェース（API）を作成することで競争が激化すると懸念していたことである。

2006年にSDNスタイルのネットワークトポロジーを中心とした若いスタートアップ企業が設立され、2007年にSDN特許のコレクションを提出した^{[ 14 ]}。

これらの分離されたアーキテクチャにおけるオープンソースソフトウェアの使用は、^{スタンフォード大学のコンピュータサイエンス学科のEthaneプロジェクトに端を発しています。Ethaneのシンプルなスイッチ設計はOpenFlowの作成につながり[} 15 ] 、 OpenFlowの^APIは2008年に初めて作成されました^{[ 16 ]}。同年には、ネットワーク用オペレーティングシステムであるNOXが作成されました^{[ 17 ] 。}

SDNの研究には、 vSDNEmul ^{[ 18 ]}、EstiNet ^{[ 19 ]}、Mininet ^{[ 20 ]}などのエミュレータが含まれていました。

スタンフォード大学では、OpenFlow の研究が続けられ、単一キャンパスネットワークでのプロトコルの使用を評価するためのテストベッドの作成や、複数のキャンパスを接続するバックボーンとしての WAN 全体での使用の評価などが行われていました。^{[ 21 ]}学術環境では、 NECやヒューレット・パッカードの OpenFlow スイッチをベースとした研究および生産ネットワークがいくつかあり、2009 年頃からはQuanta Computer のホワイトボックスをベースとしたネットワークもありました。 ^{[ 22 ]}

学術界以外では、最初の導入は2010年にNiciraがNTTとGoogleと共同開発したOnixのOVSを制御するために行った。注目すべき導入は2012年のGoogleのB4である。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}その後、Googleはデータセンターでの最初のOpenFlow/Onix導入を発表した。^{[ 25 ]} China Mobileにも大規模な導入例がある。^{[ 26 ]}

オープン・ネットワーキング・ファウンデーションは、 SDNとOpenFlowの普及促進を目的として2011年に設立されました。

2014年のInterop and Tech Field Dayでは、Avayaが最短経路ブリッジング（IEEE 802.1aq）とOpenStackを使用した自動化キャンパスによるソフトウェア定義ネットワークのデモンストレーションを行い、データセンターからエンドデバイスまで自動化を拡張し、サービス提供から手動プロビジョニングを排除しました。^{[ 27 ] [ 28 ]}

SDNアーキテクチャは、ネットワーク制御（制御プレーン）と転送（データプレーン）機能を分離し、ネットワーク制御を直接プログラム可能にし、基盤となるインフラストラクチャをアプリケーションやネットワークサービスから抽象化します。^{[ 29 ]} OpenFlowプロトコルは、SDNテクノロジーで使用されるプロトコルの1つです。

SDNアーキテクチャは以下のとおりです。

• 直接プログラミング可能：ネットワーク制御は転送機能から分離されているため、直接プログラミング可能です。
• アジャイル：転送から制御を抽象化することで、管理者は変化するニーズに合わせてネットワーク全体のトラフィックフローを動的に調整できます。
• 集中管理：ネットワークインテリジェンスは、（論理的に）ソフトウェアベースのSDNコントローラに集約されており、ネットワークの全体像を維持します。アプリケーションやポリシーエンジンからは、単一の論理スイッチとして認識されます。
• プログラムによる構成：SDN により、ネットワーク管理者は、独自のソフトウェアに依存しないプログラムで自分で作成できる動的で自動化された SDN プログラムを介して、ネットワーク リソースを非常に迅速に構成、管理、保護、最適化できます。^{[ 30 ]}
• オープンスタンダードに基づき、ベンダーに依存しない：オープンスタンダードを通じて実装される場合、SDNは、複数のベンダー固有のデバイスやプロトコルではなく、SDNコントローラによって指示が提供されるため、ネットワークの設計と運用を簡素化します。

モバイルデバイスとコンテンツの爆発的な増加、サーバー仮想化、クラウドサービスの出現は、ネットワーク業界が従来のネットワークアーキテクチャを再検討するきっかけとなっているトレンドの一部です。^{[ 31 ]}従来のネットワークの多くは階層型で、イーサネットスイッチの階層がツリー構造で配置されています。この設計はクライアント/サーバーコンピューティングが主流だった時代には理にかなっていましたが、このような静的なアーキテクチャは、今日のエンタープライズデータセンター、キャンパス、キャリア環境の動的なコンピューティングとストレージのニーズには適していない可能性があります。^{[ 32 ]}新しいネットワークパラダイムの必要性を高めている主要なコンピューティングトレンドには、次のようなものがあります。

交通パターンの変化

企業データセンター内では、トラフィックパターンが大きく変化しています。クライアントとサーバー間の通信が中心だった従来のクライアント/サーバーアプリケーションとは異なり、今日のアプリケーションは複数のデータベースやサーバーにアクセスし、東西方向のマシン間トラフィックが大量に発生した後、従来の南北方向のトラフィックパターンでエンドユーザーデバイスにデータが返されます。同時に、ユーザーはあらゆる種類のデバイスから、いつでもどこからでも接続して企業コンテンツやアプリケーションにアクセスしようとするため、ネットワークトラフィックパターンも変化しています。さらに、多くの企業データセンター管理者は、プライベートクラウド、パブリッククラウド、あるいはその両方を組み合わせたユーティリティコンピューティングモデルを導入しており、広域ネットワーク全体でトラフィックが増加しています。

ITの消費者化

ユーザーは、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなどのモバイル端末を使って企業ネットワークにアクセスするケースが増えている。IT部門は、企業データや知的財産を保護し、法令遵守義務を満たしながら、これらの個人端末にきめ細やかな対応を迫られている。

クラウドサービスの台頭

企業はパブリッククラウドとプライベートクラウドの両方のサービスを積極的に導入し、これらのサービスはかつてないほどの成長を遂げています。多くの企業は、アプリケーション、インフラストラクチャ、その他のITリソースにオンデマンドかつ個別にアクセスできる俊敏性を求めています。クラウドサービスのIT計画は、セキュリティ、コンプライアンス、監査要件の強化に加え、事業再編、統合、合併など、前提条件を急速に変化させる可能性のある環境下で策定する必要があります。プライベートクラウドでもパブリッククラウドでも、セルフサービスプロビジョニングを実現するには、コンピューティング、ストレージ、ネットワークリソースの柔軟なスケーリングが必要であり、理想的には共通の視点と共通のツールスイートから実現する必要があります。

ビッグデータとは、より多くの帯域幅を意味する。

今日のビッグデータを処理するには、数千台のサーバーで大規模な並列処理が必要であり、それらのサーバーはすべて互いに直接接続する必要があります。このような大規模データセットの増加は、データセンターにおけるネットワーク容量の継続的な増加を促しています。ハイパースケールデータセンターネットワークの運用者は、限られた予算内で任意の接続を維持しながら、ネットワークをこれまで想像もできなかった規模に拡張するという困難な課題に直面しています。^{[ 33 ]}

大規模データセンターにおけるエネルギー消費

IoT、クラウドコンピューティング、SaaSの出現に伴い、より大規模なデータセンターの必要性が高まり、これらの施設のエネルギー消費量が増加しました。多くの研究者は、既存のルーティング技術を適用してネットワークデータプレーンを動的に調整し、エネルギーを節約することで、SDNのエネルギー効率を向上させています。^{[ 34 ]}また、制御プレーンのエネルギー効率を向上させる技術も研究されています。^{[ 35 ]}

以下のリストは、SDNアーキテクチャコンポーネントを定義し、説明しています。^{[ 36 ]}

SDNアプリケーション

SDNアプリケーションは、ネットワーク要件と望ましいネットワーク動作をノースバウンドインターフェース（NBI）を介してSDNコントローラに伝達するプログラムです。さらに、内部的な意思決定のために、ネットワークの抽象化されたビューを利用することもあります。SDNアプリケーションは、SDNアプリケーションロジックと1つ以上のNBIドライバで構成されます。SDNアプリケーション自体が、抽象化されたネットワーク制御の別のレイヤーを公開し、それぞれのNBIエージェントを介して1つ以上の上位レベルのNBIを提供することもあります。

SDNコントローラー

SDNコントローラは、(i) SDNアプリケーション層の要件をSDNデータパスに変換すること、および(ii) SDNアプリケーションにネットワークの抽象的なビュー（統計情報やイベントを含む場合がある）を提供することを担う、論理的に集中化されたエンティティです。SDNコントローラは、1つ以上のNBIエージェント、SDN制御ロジック、および制御・データプレーンインターフェース（CDPI）ドライバで構成されます。コントローラを論理的に集中化されたエンティティとして定義することは、複数のコントローラのフェデレーション、コントローラの階層的接続、コントローラ間の通信インターフェース、ネットワークリソースの仮想化やスライシングといった実装アーキテクチャを規定するものでも、排除するものでもありません。

SDNデータパス

SDNデータパスは、公開されている転送機能とデータ処理機能に対する可視性と、競合のない制御を提供する論理ネットワークデバイスです。論理表現は、すべての機能、または一部の機能を包含することができます。SDNデータパスは、CDPIエージェントと、1つ以上のトラフィック転送エンジン、および0個以上のトラフィック処理機能で構成されます。これらのエンジンと機能には、データパスの外部インターフェイス間の単純な転送、内部トラフィック処理機能、または終端機能が含まれる場合があります。1つ以上のSDNデータパスは、単一の（物理）ネットワーク要素（通信リソースの統合された物理的な組み合わせで、ユニットとして管理される）に含まれる場合があります。SDNデータパスは、複数の物理ネットワーク要素にまたがって定義することもできます。この論理定義は、論理と物理のマッピング、共有物理リソースの管理、SDNデータパスの仮想化またはスライス、非SDNネットワークとの相互運用性、およびOSIレイヤ4～7の機能を含むデータ処理機能など​​の実装の詳細を規定または排除するものではありません。

SDN制御・データプレーンインターフェース（CDPI）

SDN CDPIは、SDNコントローラとSDNデータパス間のインターフェースであり、少なくともすべての転送操作、機能の通知、統計情報の報告、およびイベント通知をプログラムによって制御する機能を提供します。SDNの価値の一つは、CDPIがオープンでベンダーニュートラルかつ相互運用可能な方法で実装されるという期待にあります。

SDNノースバウンドインターフェース（NBI）

SDN NBIは、SDNアプリケーションとSDNコントローラ間のインターフェースであり、通常は抽象的なネットワークビューを提供し、ネットワークの動作と要件を直接表現できるようにします。これは、あらゆる抽象度レベルおよび異なる機能セットで発生する可能性があります。

SDN 制御プレーンの実装は、集中型、階層型、または分散型設計に従うことができます。初期の SDN 制御プレーンの提案は、単一の制御エンティティがネットワークのグローバルビューを持つ集中型ソリューションに焦点を当てていました。これは制御ロジックの実装を簡素化しますが、ネットワークの規模とダイナミクスが増加するにつれてスケーラビリティに制限があります。これらの制限を克服するために、階層型および分散型のアプローチが提案されています。階層型ソリューションでは、^{[ 37 ] [ 38 ]}コントローラは分割されたネットワークビューで動作し、ネットワーク全体の知識を必要とする決定は論理的に集中されたルートコントローラによって行われます。分散型アプローチでは、^{[ 39 ] [ 40 ]}コントローラはローカルビューで動作するか、同期メッセージを交換して知識を強化する場合があります。分散型ソリューションは、適応型 SDN アプリケーションをサポートするのに適しています。

分散型SDN制御プレーンを設計する際の重要な課題は、制御エンティティの数と配置を決定することです。その際に考慮すべき重要なパラメータは、コントローラとネットワークデバイス間の伝搬遅延です^{[ 41 ]。}特に大規模ネットワークのコンテキストでは重要です。その他に考慮された目標には、制御パスの信頼性^{[ 42 ]} 、フォールトトレランス^{[ 43 ]}、およびアプリケーション要件^{[ 44 ]}などがあります。

SDNでは、データプレーンは、制御プレーンによって指定された一連のルールを使用して、データ伝送パケットを処理する役割を担います。データプレーンは、物理的なハードウェアスイッチまたはOpen vSwitchなどのソフトウェアで実装できます。ハードウェアスイッチのメモリ容量は、保存できるルールの数を制限する可能性がありますが、ソフトウェア実装ではより高い容量を持つことができます。^{[ 45 ]}

SDNデータプレーンとエージェントの位置は、SDN実装を分類するために使用できます。

• ハードウェアスイッチベース：この方式では、データプレーン処理を物理デバイス内部で実装します。OpenFlowスイッチは、TCAMテーブルを使用してパケットシーケンス（フロー）をルーティングする場合があります。これらのスイッチは、実装にASICを使用する場合があります。

• ソフトウェアスイッチベース：一部の物理スイッチは、デバイス上のソフトウェアを使用してフローテーブルを作成し、コントローラとの通信時にSDNエージェントとして機能することで、SDNサポートを実装する場合があります。ハイパーバイザも同様に、仮想マシンをサポートするために使用される仮想スイッチでSDNプロトコルをサポートするために、ソフトウェア実装を使用する場合があります。

• ホストベース: データプレーンと SDN エージェントをネットワークインフラストラクチャに展開するのではなく、ホストベースの SDN は、通信エンドポイントのオペレーティングシステム内に SDN エージェントを展開します。^{[ 46 ]}このような実装では、ネットワークフローに関連付けられたアプリケーション、ユーザー、アクティビティに関する追加のコンテキストを提供できます。^{[ 47 ]}スイッチベースの SDN と同じトラフィック エンジニアリング機能を実現するには、ホストベースの SDN では、慎重に設計されたVLANとスパニング ツリーの割り当てを使用する必要がある場合があります。^{[ 48 ]}

フロー テーブル エントリは、プロアクティブ、リアクティブ、またはハイブリッド方式で設定できます。^{[ 49 ] [ 50 ]}プロアクティブ モードでは、コントローラは、このスイッチのすべての可能なトラフィック マッチのフロー テーブル エントリを事前に設定します。このモードは、すべての静的エントリが事前にインストールされる今日の一般的なルーティング テーブルエントリと比較できます。その後、すべての着信フローが一致するエントリを見つけるため、コントローラに要求は送信されません。プロアクティブ モードの大きな利点は、すべてのパケットがライン レートで転送され (TCAM のすべてのフロー テーブル エントリを考慮)、遅延が追加されないことです。リアクティブ モードでは、エントリはオンデマンドで設定されます。パケットがフロー テーブルに対応するマッチ ルールなしで到着した場合、SDN エージェントはコントローラにさらなる指示を求める要求を送信します。コントローラは SDN エージェントの要求を調べ、指示を提供し、必要に応じて対応するパケットのルールをフロー テーブルにインストールします。ハイブリッド モードでは、トラフィックの一部に低遅延のプロアクティブ転送モードを使用し、残りのトラフィックにはリアクティブ モード処理の柔軟性を利用します。

ネットワーク機能仮想化、略してNFVは、SDNを補完する概念です。したがって、NFVはSDNやSDNの概念に依存しません。NFVは、ソフトウェアとハ​​ードウェアを分離して、柔軟なネットワーク展開と動的な運用を可能にします。NFV展開では、通常、汎用サーバーを使用して、以前はハードウェアベースだったネットワークサービスソフトウェアバージョンを実行します。NFV環境で実行されるこれらのソフトウェアベースのサービスは、仮想ネットワーク機能（VNF）と呼ばれます。^{[ 77 ]} SDN-NFVハイブリッドプログラムは、高効率、弾力性、拡張性を実現するために提供されました。NFVは、標準的なIT仮想化技術を使用して、サービスの革新とプロビジョニングを加速することを目的としています。^{[ 77 ] [ 78 ]} SDNは、SDNコントローラを使用して、ルータやスイッチなどの汎用転送デバイスを制御する俊敏性を提供します。一方、NFVの俊敏性は、仮想化されたサーバーを使用してネットワークアプリケーションに提供されます。既存のネットワークおよびオーケストレーションのパラダイムを使用して、仮想化ネットワーク機能（VNF）をスタンドアロンのエンティティとして実装することは十分に可能です。しかし、特にVNFの管理とオーケストレーションを考慮すると、NFVインフラストラクチャを実装および管理するためにSDNの概念を活用することには本質的な利点があり、そのため、SDNとNFVを協調的なエコシステムに組み込んだマルチベンダープラットフォームが定義されています。^{[ 79 ]}

ディープパケットインスペクション（DPI）はネットワークにアプリケーション認識機能を提供し、SDNはアプリケーションにネットワーク認識機能を提供します。^{[ 80 ] SDNは一般的なネットワークアーキテクチャを根本的に変えることになりますが、高い相互運用性を提供するために、従来のネットワークアーキテクチャとの連携にも対応する必要があります。新しいSDNベースのネットワークアーキテクチャでは、DPI、セキュリティアプライアンス[ 81 ]}など、メインの転送デバイス（ルータやスイッチ）以外の個別のデバイスやソフトウェアで現在提供されているすべての機能を考慮する必要があります。

マルチメディア トラフィックの送信に SDN ベースのモデルを使用する場合、考慮すべき重要な側面は QoE 推定です。QoE を推定するには、まずトラフィックを分類できる必要があり、次に、システムがトラフィックを分析することによって重要な問題を自力で解決できることが推奨されます。^{[ 82 ] [ 83 ]}