CC BY
12INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЛАЧНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ SDN.
Джураев Рустам Хусанович1, Ботиров Сохибжон Рустам угли2
Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий,
доцент кафедры СиСПД 2Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий,
ассистент кафедры КТ https://doi.org/10.5281/zenodo.7856383
Abstract. The article presents traditional data transfer technologies, the reasons for the creation and implementation of SDN technology in cloud data centers. A comparative analysis of cloud data centers based on TCP/IP and SDN technology has been carried out. The disadvantage of SDN technology, in the form of a single point of failure, as well as ways to solve the fault tolerance of the SDN controller, are considered.
Keywords: SDN networks, Cloud infrastructure, SDN controllers, simulation model, data
center.
ВВедение
Международная практика показывает, что радикальные изменения в информационной сфере экономически развитых стран, произошедшие на рубеже XX - XXI веков, существенно изменили облик информационной инфраструктуры. Одной из важнейшей составляющей информационной инфраструктуры, является современная телекоммуникационная инфраструктура. Современная отрасль телекоммуникации характеризуется рядом особенностей, телекоммуникационные технологии имеют высокую наукоёмкость и значительно более короткий по сравнению с другими технологиями жизненный цикл. Поэтому инновационный процесс в телекоммуникации требует перехода всей отрасли на новые технологии, а производителей постоянно обновлять свое оборудование. В этой связи сама отрасль телекоммуникации становится высокотехнологической отраслью, которая нуждается в больших инвестициях и постоянной поддержке инновационного процесса [1].
Внедрение таких передовых технологий как: Cloud Computing, Big Date, IoT, привели к увеличению количества передаваемой по сети телекоммуникаций мультимедийной информации, которые выявили ранее не существенные недостатки технологии TCP/IP - сложность сети, в которой используется большое количество различного сетевого оборудования, а так же трудности возникающие в процессе контроля и управления, так как, процессы управления и передачи совмещены [1].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Идея Cloud Computing сводится к перемещению всей инфраструктуры за пределы предприятия в некую динамично масштабируемую систему[2,3]. Но использование облачных вычислительных центров в полной мере, для хранения и обработки данных, была невозможна, так как, сети на основе TCP/IP по передачи данных в облачные вычислительные центры намного отставали по скоростным и качественным характеристикам от применяемых технологий в локальных сетях. Данные проблемы нашли решение с внедрением технологии SDN [4,5].
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
SDN (Software Defined Networking) - сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделён от устройств передачи данных и реализуется программно. Архитектура SDN состоит из 3 уровней, изображенных на рисунке 1:
Рисунок 1. Архитектура ПКС, согласно MCT-T Y.3300
Централизованное управление позволяет проложить канал, по которому пакеты пойдут напрямую, что на порядок производительнее, при этом сбой в передаче возможен, но управляющая программа его обнаружит и исправит
Международный опыт ведущих провайдеров показывает, что внедрение технологии SDN имеет следующие преимущества перед TCP/IP [6]:
- Плоскость управления сетью вынесена на выделенный контроллер. Повышает на 20% пропускную способность каналов за счет перераспределения нагрузки;
- Эффективное управление потоками данных. Повышает эффективность сетевого оборудования на 25 - 35%;
- Использование обычных серверов, вместо сложных и дорогих специализированных маршрутизаторов. Снижает на 52% капитальные затраты и на 48% операционные расходы;
- Экономичность и вендеронезависимость. Снижает на 30% затраты на эксплуатацию сетей.
Прежде чем внедрять новую концепцию организации, технологию или протокол в облачные центры обработки данных необходимо провести исследование и моделирование предложенного решения [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Анализ результатов имитационного моделирование пропускной способности канала от времени в традиционной сети и SDN, полученных в статье [8] показал, что скорость в традиционной сети между хостами не стабильная и изменяется со, временем, это напрямую влияет на скорость передачи, качество и обработку данных в облачных центрах обработки данных. Для проверки была создана имитационная модель облачной инфраструктуры в программе BigDataSDNSim для обработки данных [9].
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Модель показывает сравнение производительности традиционных сетей и сетей на основе SDN в облачных центрах обработки данных. В данной модели были имитированы некоторые функции SDN, показывая, как облачные центры обработки данных с поддержкой SDN способны оптимизировать производительность.
Был создан единый облачный центр обработки данных с иерархической сетевой архитектурой. На рисунке 5 показана физическая топология, включающая три уровня коммутаторов и один уровень хостов.
Рисунок 3. Архитектура среды моделирования BigDataSDNSim с трехуровневым облачным центром обработки данных с поддержкой SDN.
Рисунок 4. Сравнение сетей с поддержкой SDN и традиционных сетей.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
секунды Времени выполнения фунции Mapper
3000
:1ш11Ш111111
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Задачи
■ SDN ■ Традиционная Сеть
(а) Сравнение времени выполнения функции Мааррег (Ь) Сравнение времени выполнения функции Reducer
Рисунок 5. Сравнение сетей с поддержкой SDN и традиционных сетей.
ОБСУЖДЕНИЯ
По окончанию моделирования были собраны следующие данные, которые приведены в виде графиков:
- время передачи по сети
- время выполнения запроса
- время выполнения mapper
- время выполнения reducer
Из рисунков видно, что парадигма SDN превосходит традиционные сети с точки зрения повышения производительности приложений MapReduce, а также снижения времени передачи и выполнения запросов.
Имитационная модель показала, что сетевая инфраструктура Облачных Центров Обработки Данных для обработки и анализа данных лучше строить на основе концепции SDN сетей, так как это влияет на быстродействие при получение результатов и позволяет эффективно использовать инфраструктуру при работе с большим объемом данных. Но при этом сеть имеет значительный недостаток - единую точку отказа в виде централизованного контроллера, отказ которого нарушает работоспособность всей сети.
ВЫВОДЫ
Результаты имитационного моделирования обработки данных показали, что облачный ЦОД на основе SDN эффективнее в некоторых случаях до 40%, чем облачный ЦОД на основе TCP/IP. Но для реального внедрения технологии SDN телекоммуникационная компания должна владеть практическими знаниями об этой технологии, связанных с ней проблемах и путях решений [10].
Для решения проблемы в виде единой точки отказа, можно использовать резервирование контроллера SDN сети [11] и распределение нагрузки между контроллерами, путем их объединения в кластер. Кластеризация контроллеров позволяет обеспечить их представление коммутаторам в виде одного единого контроллера вне зависимости от их реального количества [12,13].
Использование кластеров имеет ряд преимуществ перед стандартным способом резервирования контроллеров [14]:
- Отсутствие необходимости конфигурирования всех контроллеров на коммутаторе;
- Увеличение коэффициента готовности благодаря большему количеству доступных контроллеров при отказе основного;
секунды Время выполнения функции Reducer
1000
™ к к к к.......... .
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
■ SON в
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
- Необходим лишь один IP адрес для использования множества контроллеров в
составе кластера.
REFERENCES
1. Stallings, W. 2016. Foundations of Modern Networking: SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud. Indianapolis, IN, USA: Pearson Educ.
2. Tabakov, V. 2010. Cloud computing - a new area of information services. Creative economy 5: 46-51.
3. Zaigham, M. 2011. Cloud computing: characteristics and deployment approaches. 2011 IEEE 11th IEEE Int. Conf. Computer and Information Technology: 121-126.
4. Yefimenko, A. A., Fedoseyev, S. V. 2013. Organizatsiya infrastruktury oblachnykh vychisleniy na osnove SDN seti. Prikladnaya informatika 5: 185-187.
5. Djuraev, R., Botirov, S. 2022. Current status and trends of transition to Cloud infrastructure based on SDN technology. Science and Innovation 1(8A): 800-809.
6. Takacs, A., Bellagamba, E., and Wilke, J. 2013. Software-defined networking: the service provider perspective. Ericsson Review 2: 2-8.
7. Botirov, S. R., Kh, D. R. 2021. Analysis of information security evaluation models in the cloud computing environment. 2020 International Conference on Information Science and Communications Technologies (ICISCT). IEEE: 1-5.
8. Kh, D. R., Botirov, S. R., Juraev, F. O. 2022. A simulation model of a cloud data center based on traditional networks and Software-defined network. 2021 International Conference on Information Science and Communications Technologies (ICISCT). IEEE: 1-4.
9. Khaled, A., Rodrigo, N. C., Saurabh, G., Rajkumar, B., Rajiv, R. 2021. BigDataSDNSim: A Simulator for Analyzing Big Data Applications in Software-Defined Cloud Data Centers, School of Computing Science Newcastle University 51(5): 893-920.
10. Ahmad, S., Mir, A.H. 2021. Scalability, Consistency, Reliability and Security in SDN Controllers: A Survey of Diverse SDN Controllers. JNetw SystManage 29: 1-9.
11. Djuraev R. Kh., Botirov S. R., Uskenbaeva D. Sh. 2022. Comparative analysis of methods for increasing fault tolerance of SDN controller. Descendants of Muhammad al-Khwarizmi Scientific-practical and information-analyticaljournal 1(19): 93-97.
12. Hock, D., Hartmann, M., Gebert, S., Jarschel, M., Zinner, T. and Tran-Gia, P. 2013. Pareto-optimal resilient controller placement in SDN-based core networks. Proceedings of the 2013 25th International Teletraffic Congress (ITC): 1-9. doi: 10.1109/ITC.2013.6662939.
13. Obadia, M., Bouet, M., Leguay, J., Phemius, K., Iannone, L. 2014. Failover Mechanisms for Distributed SDN Controllers. 2014 International Conference and Workshop on the Network of the Future (NOF). IEEE: 1-6.
14. Rao, A., Auti, S., Koul, A., & Sabnis, G. 2016. High availability and load balancing in SDN controllers. Int. J. Trend Res. Dev 3(2): 2394-9333.
