Почему мы выбрали OpenSDN и как контрибьютим в этот проект

SDN, или программно-определяемые сети (их ещё называют программно-конфигурируемые сети [И1], ПКС) — это де-факто стандарт для предоставления облачных услуг [И2] на основе различных платформ виртуализации, таких как OpenStack, Kubernetes, CloudStack и др. Напомним, что в основе этой технологии лежат следующие принципы [И3, И4, И5]:

Все они позволяют существенно сократить время предоставления сервиса, упростить локализацию, а также поиск и исправление ошибок.

Open Source и SDN уже успели обзавестись многочисленными сторонниками в среде разработчиков и, что более важно, в среде коммерческих пользователей. Open Source полностью состоялся как подход к разработке, поддержке и эксплуатации программ. Понятно, почему его выбирают и для разработки библиотек поддержки SDN.

А вот выбору в пользу конкретного Open Source-решения могут потребоваться пояснения. Причём частные преимущества SDN на основе библиотек с открытым исходным кодом могут быть непосредственно связаны с общими достоинствами Open Source. Например:

Исторически сложилось, что промышленные вычислительные системы обслуживаются в первую очередь POSIX-совместимыми операционными системами (см., например, [И6]). Среди них доминирующее положение занимают ОС с открытым исходным кодом, такие как Linux.

Многие из принципов ПКС можно считать схожими с POSIX, например, портируемость на уровне исходного кода, выделение уровней (слоёв) функций ОС и приложений и пр. В определённом смысле, ПКС-платформу (контроллер) можно рассматривать как специальный случай операционной системы — сетевую ОС, обеспечивающую распределение ресурсов вычислительной сети и анализ её состояния.

В мире SDN существуют десятки игроков как с закрытым, так и с открытым исходным кодом [И7]. Это бизнес-решения, исследовательские или обучающие приложения, например, VMWare NSX, Juniper Contrail, Cisco ACI, HPE SDE Controller, OpenDaylight, Mininet, NOX, POX, OpenFlow, OVS/OVN, ONOS (Open Network Operating System), OpenKilda, Ryu, Faucet, Calico, Cilium, а также OpenSDN.

Среди них можно выделить решение OpenSDN, которое начало самостоятельную историю в конце 2023 года. Этот проект — продолжение коммерческого решения Juniper Contrail и прямой наследник Tungsten Fabric / OpenContrail.

OpenSDN предоставляет средства виртуализации сетей в ЦОДах и позволяет связывать приложения, работающие в виртуальном окружении, с потребителями и/или приложениями, доступными через физические сети передачи данных.

Ниже краткая история появления OpenSDN:

Основное преимущество OpenSDN — это отработка его возможностей на стендах компании Juniper и их клиентов. В качестве успешного случая использования в установке сверхбольшого размера можно привести пример развёртывания OpenStack/Tungsten Fabric в CERN [И14]. Виртуальные сети позволили охватить более 300 000 вычислительных ядер с оперативной памятью порядка 1 Пб. Весь накопленный опыт эксплуатации фактически был сформулирован и сохранён в виде исходного кода проекта с более чем 1,5 млн строк.

Кроме того, использовать OpenSDN будет проще тем, кто привык к продуктам компании Juniper.

Важная отличительная особенность OpenSDN и его предшественников — это следование устоявшимся стандартам сетевой индустрии. В первую очередь, речь о протоколе MP BGP для обмена маршрутами с соседними сетями и в виртуальных сетях, а также протоколах для обеспечения инкапсуляции пакетов наложенных сетей MPLS и VxLAN.

Что это означает?

Помимо международных стандартов, описываемых, например, в RFC, в различных странах действуют и национальные стандарты, как ГОСТы в РФ [И15, И16, И17, И18] и др. Таким образом, перспективным направлением является адаптация программных средств с учётом местной нормативной документации.

Ещё одна полезная возможность OpenSDN — это управление как виртуальными сетями Kubernetes, так и сетями OpenStack. Это ставит его в один ряд с такими крупными игроками в этой области, как OVN и Calico. Ведутся работы по использованию OpenSDN совместно с технологией CloudStack.

Возможность OpenSDN работать с обеими версиями протокола (IPv4 и IPV6) также является важной, если не ключевой, характеристикой. Пространство имён IPv4 можно считать уже истощившимся, а повсеместное внедрение IPv6 всё ещё далеко от завершения. Сегодня общее покрытие пользователей Интернет IPv6-адресами может составлять, по некоторым оценкам, до 42 %, что говорит об актуальности предыдущей версии протокола IP, которая до сих пор востребована во многих частных и государственных компаниях.

Важное, но неявное достоинство OpenSDN — это несомненный профессиональный рост его пользователей. Он происходит из-за необходимости освоения сетевых стандартов и протоколов, а также применения интерпретирующих языков высокого уровня для автоматизации настроек сети.

В отличие от большинства схожих проектов с открытым исходным кодом OpenSDN является в определённом смысле самодостаточным. В нём реализованы и интегрированы все слои вычислительных сетей (администрирования, управления и пересылки), средства аналитики, базовые виртуальные функции сетей (VNF). Это одновременно и преимущество, и недостаток.

С одной стороны, средства, разработанные в общей среде, должны быть теснее интегрированы, а их совместное использование может быть проще. С другой стороны, их поддержка ложится бременем на сообщество, распыляя имеющиеся человеческие ресурсы.

OpenSDN, как де-факто инструмент распределения сетевых ресурсов, можно классифицировать как сетевую операционную систему. Она выполняет сетевые приложения, обеспечивает разделение вверенных ресурсов между потребителями, аутентификацию пользователей, предоставление сетевых сервисов и т. д.

В основе OpenSDN лежит так называемый проектно-обоснованный подход (intent-based networking) [И19]. Он заключается в задании верхнеуровневой конфигурации (или неких ориентиров со своими целевыми показателями), которая автоматически транслируется в низкоуровневые настройки (политики), а затем проверяется имеющимися средствами на достижение заданных показателей и соблюдение применённых настроек.

Таким образом, OpenSDN даёт оператору сети инструмент, позволяющий преобразовывать её с минимальным повтором действий по настройке сетевого оборудования.

Архитектура OpenSDN как платформы (или сетевой операционной системы) полностью подчиняется этой цели. Исходными данными служит язык описания отношений между участниками сети, которое в результате серии преобразований (трансляций) превращается либо в таблицу пересылки (Forwarding Information Base, FIB) на гипервизорах, либо в BGP-сообщения, передаваемые соседним маршрутизаторам.

Архитектурно OpenSDN, как и его предшественники (OpenContrail и Tungsten Fabric), представляет собой классическое микросервисное приложение, состоящее из независимых компонентов (см. Рис. 1) и модулей (см. Рис. 2) [И20, И21]. Подробнее о них можно почитать тут и тут. Эти компоненты классифицируются по слоям виртуализации сетевых функций:

Рис. 1. Схема связей основных компонентов OpenSDN c оркестратором облачного сервиса

Под спойлером можно подробнее узнать о предназначении основных компонентов и модулей.

В виртуальных сетях OpenSDN за правила распространения и передачи данных отвечает таблица пересылки (Forwarding Information Base, FIB). Она строится на двух организованных наборах данных, которые определяют состояние программно-конфигурируемой сети:

В результате работы OpenSDN созданный пользователем граф отношений сетевых объектов преобразуется на основе заданных правил в таблицу маршрутизации. Та дополняется информацией, полученной от внешних маршрутизаторов, и формирует таблицу пересылки, которая устанавливается на каждый гипервизор, обслуживаемый данным SDN.

Теперь о том, какие компоненты и модули участвуют в описании, хранении и управлении состоянием виртуальной сети (Рис. 3).

Рис. 3. Схема распространения конфигурации виртуальной сети в составных частях OpenSDN

Протоколы и форматы для работы с данными

В обмене информацией между составными частями OpenSDN участвуют разнообразные протоколы и форматы данных. Подробнее о них читайте под спойлером.

Многообразие протоколов и форматов данных можно объяснить различными обстоятельствами. Во-первых, разработку отдельных составных частей этого средства ПКС вели разные коллективы. Они использовали наиболее развитые и широкоприменяемые на тот момент и для того уровня системного ПО решения. Во-вторых, многие протоколы действуют только на определённых уровнях (BGP — между серверами в TCP/IP сети, Netlink — между пользовательским приложением и модулем ядра, и т. д.), и, следовательно, обеспечение связности между частями SDN, действующими на разных уровнях, возможно только с использованием этих протоколов.

Это разнообразие применяемых технологий, на первый взгляд, может увеличить вероятность возникновения ошибок. Однако оно является и некоторым предохранителем — при условии, что протоколы верхнего уровня по построению ограничивают ввод (передачу) некорректных данных для протоколов нижестоящих уровней.

Использование разнообразных стандартов и протоколов, очевидно, сказывается и на выборе средств разработки для реализации составных частей сетевой операционной системы OpenSDN, включая языки программирования (ЯП), систему сборки проекта и сторонние библиотеки.

В зависимости от назначения модуля, требований к его надёжности и производительности, используются следующие ЯП:

Базовые алгоритмы и возможности реализованы через библиотечные вызовы.

Общий объём исходного кода проекта OpenSDN составляет около 1,5 млн строк кода, из которых около 750 тысяч строк занимают программы и библиотеки на языках C/C++.

Очевидно, что такое разнообразие языков программирования, библиотек, технологий и связанных с ними подходов к разработке недоступно для освоения небольшим, пусть даже и высококвалифицированным коллективом разработчиков. Поддерживать сложную экосистему такого большого проекта, как OpenSDN, нужно силами коллектива с самыми разнообразными навыками. Например так, как это делается в рамках открытых лицензий или фондов. В качестве иллюстрации можно привести Apache Foundation.

Положительной же стороной разнообразия используемых технологий является потенциальная возможность гибкого приспособления модулей OpenSDN к задачам, решаемым в рамках их функциональности. Кроме того, использование распространённых и зарекомендовавших себя в промышленности библиотек (таких как boost, Intel TBB, Cassandra) гарантирует их регулярное обновление усилиями соответствующих сообществ разработчиков, и, как дополнительный бонус, повышение квалификации разработчика-пользователя.

Объединённый коллектив разработчиков OpenSDN состоит примерно из 20 активных участников, работающих в пяти компаниях:

Исходный код проекта модерируется средствами технологии Gerrit (gerrit.opensdn.io) и дублируется в проект на GitHub. Для координации сообщества действует постоянный международный англоязычный Telegram-канал [И33], сейчас в нём более 250 участников.

Проект OpenSDN на GitHub состоит из примерно 30 репозиториев. Основные из них вы можете найти под спойлером.

Каждая из компаний-участников проекта вносит уникальный вклад в его исходный код (ветка master) и инфраструктуру для его поддержки. Изменения фиксируются два раза в год и публикуются в качестве стабильных веток. Например, в 2024 году это ветка 2024.1.

Как основной контрибьютор в исходный код OpenSDN, Т1 Облако дорабатывает и развивает кодовую базу SDN-платформы в следующих направлениях:

В результате с помощью Т1 Облако удалось обновить функциональность OpenSDN и стандарты исходного кода, устранить ошибки и повысить производительность.

Кроме того, по итогам накопленного опыта планируется развитие архитектуры OpenSDN. Например, программно-определяемые сети используются в Т1 Облако. Виртуальная сеть в облаке Cloud Compute компании Т1 Облако построена на основе избранных компонентов проекта Tungsten Fabric, который потом был переименован в OpenSDN.

Наша цель — бесперебойное использование этой платформы SDN в условиях больших и сверхбольших облачных инсталляций.

Прошло немногим более года с момента объявления Linux Foundation Networking о закрытии проекта Tungsten Fabric, который на тот момент мог считаться действующим только номинально. За этот год сообщество активных пользователей платформы сумело организовать инфраструктуру для сборки и рецензирования исходного кода, средства обмена информацией (группа в Telegram, сайт проекта, раздел на GitHub и пр.), наладить выпуск новых версий программы и дальнейшее использование для решения бизнес-задач.

На взгляд авторов статьи, основная и главная ценность OpenSDN, как наследника Tungsten Fabric и OpenContrail, — это многолетний опыт компании Juniper в развёртывании программно-конфигурируемых сетей как на собственных стендах, так и на стендах многочисленных заказчиков.

Этот опыт сейчас доступен всем в виде открытого исходного кода. Он позволяет пользователям избежать многих ошибок, обучить специалистов нюансам работы сетевых протоколов и библиотек, интегрироваться в международное сообщество пользователей и разработчиков, а также перенести тяжесть издержек по доработке, тестированию и написанию документации на плечи распределённой команды разработчиков организаций-участников.

Вместе с тем, самостоятельная жизнь проекта только начинается. Для успешного становления и устойчивого развития ему нужны поддержка и участие пользователей. Нужно повысить доступность и простоту использования OpenSDN для специалистов разного профиля в организациях различного масштаба.

Несмотря на внушительную пользовательскую базу Tungsten Fabric, есть ряд важных вопросов, которым уделялось мало внимания. Например, обновление функциональности маршрутизации и сторонних библиотек. В связи с этим выпуск первой версии OpenSDN (2024.1) был знаковым не только как факт рождения новой SDN-платформы. Он задал приоритетные направления развития проекта на ближайшее время. Иначе говоря, выпуск первой версии OpenSDN (2024.1) стал манифестом общего курса на обновление кодовой базы и внимания к запросам пользователей.

Выпущенный в августе 2024 релиз R24.1 включает в себя следующие новшества:

В следующем выпуске OpenSDN планируется переход на современный дистрибутив Rocky9 для сборочного контейнера, обновление используемой библиотеки boost, обновление версии библиотеки записи журналов (liblog4cplus). За обновлениями можно следить здесь.