Cloud Days Tokyo 2014 Spring
P-20C SDN/OpenFlow

80分でばっちり理解するOpenFlow

2014年3月7日
NEC 宮永 直樹
(提供:ONF)
自己紹介
▌ 宮永 直樹
 データセンター系ソリューションの拡販、コンサルに従事
 ProgrammableFlowというOpenFlow対応製品の拡販
 オーム社より「マスタリングTCP/IP OpenFlow編」を出版
あきみち、宮永直樹、岩田淳

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アジェンダ
▌
▌
▌
▌
▌

OpenFlowの標準化動向
OpenFlowの基本動作
OpenFlowの基礎的なメッセージ
OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
OpenFlowの2つのユースケース
•ECMP
•セキュリティアプライアンスへのリダイレクト

▌ ネットワークの仮想化
▌ OpenFlow 1.0以降に追加された仕様
▌ OpenFlow対応製品の適用状況
▌ OpenFlowとSDN

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OpenFlowの歴史と研究開発&標準化動向
▌ 2007年:スタンフォード大学 “Clean Slate Program”が始まる
▌ 2009年 : スタンフォード大学 “Clean Slate Laboratory” 設立
 OpenFlowコンソーシアムにて
OpenFlowプロトコルの研究開発&標準化

▌ 2011年3月: Open Networking Foundation 設立
 OpenFlow/SDNの標準化、プロモーション

▌ 2012年5月: Open Networking Research Center (ONRC) 設立
 OpenFlow/SDN関連次世代技術の研究開発

▌ 2013年4月: OpenDaylight 発足
 OpenFlow/SDNのオープンソース開発

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OpenFlowの標準化動向(ONF)
▌ONFの構成
2011年3月に設立、124社が加盟(2014年1月時点)
OpenFlowの標準スペックを策定(現在のスペックは1.4)
議論は基本的に非公開、グループ会社で1票の投票権
・Board:
Google, Facebook, DT, Verizon, Microsoft,
NTT Communications, Yahoo, GoldmanSachs,
Stanford, UC Berkeley, D.Pitt(Executive Director)
・TSG:
Broadcomm, NTT Communications, Microsoft,
BigSwitch, Google, HP, Cisco, GoldmanSachs,
Stanford
・Council:WG議長とE.D.で構成
・WG構成(WG議長):
Extensibility WG (HP)
Configuration & Management WG (Microsoft)
Testing & Interoperability WG (IXIA)
Hybrid WG (CISCO)
Market Education WG (Ciena)
Architecture & Framework WG (Big Switch)
Forwarding Abstractions WG (Brocade)
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OpenDaylight Project
▌ 主要ネットワーク関連ベンダ18社により発足されたLinux Foundationの
SDNのオープンソースプロジェクト(2013年4月8日)
▌ 参加企業が自社の持つSDN関連コードをプロジェクトに寄贈し、
SDNフレームワークの構築を進める
▌ 最初のコードは、2014年2月リリース開始

出典:http://www.opendaylight.org/project/technical-overview
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Network Function Virtualization (NFV)
▌2012年10月ドイツで開催されたSDN and OpenFlow World Congressにおいて
世界の大手13のキャリアがNetwork Function Virtualization (NFV)関する
ホワイトペーパーを発表
(AT&T, BT, CenturyLink, China Mobile, Colt, Deutsche Telekom, KDDI, NTT, Orange, Telecom Italia, Telefonica, Telstra, Verizon)

▌目的は、現状「専用装置」で構成されている固定/モバイルNWを「汎用サーバー
上の仮想アプライアンス」で構成することにより、コモディティ化すること
他、ベンダロックインの回避、コストの削減、標準化によるサービス追加・変更の
容易化など
▌ETSIの下部組織として
NFV を検討する Industry
Specification Group (ISG)
を立ち上げ
※メンバーはONFに近いメンバー

出典:
http://portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper.pdf
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キャリアインフラネットワークのNFV
▌ 汎用サーバ上にVMとして実装。ハードウェア(サーバ/ストレージ/NW)共通化
▌ 仮想アプライアンスの活用
▌ サービスチェーニング FW→LB→IPS→VM

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OpenFlowの基本動作
OpenFlowは
スイッチネットワークを作るための
標準化されたプロトコル

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フローテーブル
▌ 1.0のフローテーブル
 ヘッダフィールド、カウンタ、アクションの3つ構成されるフロー
エントリを持つ
 パケットの12個のフィールドを指定可能
 ヘッダフィールドでマッチするか条件を書き、転送やフィールド
の書き換えのアクションを行う
 複数の端末を同じIPアドレスにして、MACアドレスを書き換え
ながら転送するなんて荒業も

Ingress Dst
Port
MAC

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Src Ether
MAC Type

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VLAN VLAN Dst Src IP
IP
id Priority IP IP Proto ToS

TCP/UDP TCP/UDP
Src Port Dst Port

Data
フローテーブルを扱う2つの方式
▌ リアクティブ方式
 スイッチのフローエントリをもとにスイッチング
 未知のパケットはコントローラに問い合わせる
 一般に、商用のHop-by-Hop方式の製品はこのタイプ

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フローテーブルを扱う2つの方式
▌ プロアクティブ方式
 事前に端末情報からフローを設定しておく方式
 タップソリューションやオーバーレイ方式のようなところで利用

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コントロールプレーン
▌ コントローラとスイッチ間を結ぶネットワーク
 データプレーンと別に構築
 一般にレガシーで構成(コントローラも含めて二重化)
 データプレーンの制御の自由度をあげる(障害時の切り替わりなど)
 インバンドで構成する標準化も
 OF-CONFIGではプラグアンドプレイの話題

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データプレーン
▌ ユーザの利用する通信用ネットワーク
 Hop-by-Hop方式

 オーバーレイ方式

 ハイブリッド方式
 LANをHop-by-Hop方式
 WANをオーバーレイ方式
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OpenFlowの基礎的なメッセージ

リピーターハブをモデルに
OpenFlowのコントローラとスイッチの
関係を見てみよう

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基礎的なメッセージ
▌ 初期
▌ ハンドシェイク
▌ Echo
 TCP6633
 Feature要求・応答  Echo要求/応答
 SecureChannel  サポートされている  スイッチ・コントローラ
 TLS
機能の確認
両方から
 コネクション確立
 KeepAlive的に利用
 Helloメッセージ
 バージョンのネゴ

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基礎的なメッセージ
▌ Flow-Mod
 スイッチのフローテーブルにフローエントリを書き込む

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基礎的なメッセージ
▌ Packet-In
 (未知の)パケットをコントローラに送る

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基礎的なメッセージ
▌ Packet-Out
 コントローラからパケットをスイッチに送り、送信させる
 スイッチのポートを指定、ブロードキャストなども可。
 Packet-Inしたパケットはこの処理が必要

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基礎的なメッセージ
▌ Barrierメッセージ
 スイッチがどこまで処理が終わっているかを確認するメッセージ
 とっても重要

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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!

OpenFlowを使ってネットワークを作る
=コントローラを開発する

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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
▌ パケットを受信
 Packet-In

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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
▌ パケットを送信
 Packet-Out
 宛先PCがわからないので、フラッディングする

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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
▌ 送信元のPC Aを学習
 PC AのフローエントリをFlow_modでフローテーブルに登録

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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
▌ 返信パケットを受信
 PC Aは学習済みなので、転送
 コントローラには転送していない
→PC Bを学習していない!

普通の“ラーニングブリッジ”は
OpenFlow 1.0で、できない!
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OpenFlow1.0でラーニングブリッジに挑戦!
▌ 1.0の限界
 宛先MACを学習する通常のラーニングブリッジは、1つのフロー
テーブルでは実現できない
▌ ワークアラウンド
 送信元MAC・宛先MACの組み合わせを、1つのフローとする。
ノード数が多いと組み合わせでフロー数が大きくなる
(現在市場にでているOpenFlow製品はこのタイプがベース)
 ARPを常にPacket-Inするよう、フローエントリを登録しておく。
コントローラで、ARPによるノード情報のアップデート処理を作る
IPはいいけど。。。

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OpenFlowの2つのユースケース
ECMP(イーコルコストマルチパス)
セキュリティアプライアンスへのリダイレクト

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ユースケース ECMP
▌ ECMP(イコールコストマルチパス)
 一般にL3のルーティングでコストが同じケースをいう
 コントローラで“L2ルーティング“を計算
 コストが同じ場合に複数経路を使用
 送信元アドレスやポート番号でフローごとに分ける

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ユースケース セキュリティアプライアンスへのリダイレクト
▌ DDoS対策製品へのリダイレクト
 Interop Tokyoで実施されたデモ
 DDoS時に関連するトラフィックをDDoS対策製品に「曲げる」

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ネットワーク仮想化

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なぜ今ネットワークの仮想化が話題になるのか?(おさらい)
▌ 事業者・企業においてサーバ仮想化が普及
→ ネットワークの対応が必要に
 VMマイグレーションのために、同じセグメントを複数のサーバに
接続しなくてはならない。
 同じセグメントを接続するために、スイッチも設定する必要がある。
 VLANが増えてくると、一つ一つのスイッチに設定するのが大変。
論理ネットワーク

物理ネットワーク
サーバ1

サーバ2

ルータ

VLAN ID:100

VLAN ID:
100,101

マイグレーション

VLAN ID:
100,101

VLAN ID:101

複数の物理サーバ間で、VMを
マイグレーションさせるために
VLANを延長
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スイッチ1

スイッチ2

サーバ追加時やセグメント追加時に
都度VLANを設定するのが面倒
ネットワーク仮想化の2つの方式 ①スイッチの集中管理
▌ VLANの設定を集中管理して、簡単に
 複数のスイッチを1台の大きなスイッチのようにする
 どこにつないでもOK!→どこにマイグレーションしてもOK
VLAN
100

VLAN
101

VLAN
100

VLAN
101

仮想スイッチ
HyperVisor

仮想スイッチ
HyperVisor

サーバ1

サーバ2

OpenFlow
スイッチ1
、

OpenFlow
スイッチ2

集中管理で各ポートへの
VLANの設定不要。
TAGをみて適切に処理

OpenFlow
コントローラ

 OpenFlowは、ただの「コンフィグの集中管理」ではなく
L2の経路制御を集中管理→VLANの設計・設定から開放
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ネットワーク仮想化の2つの方式 ②エッジオーバーレイ
▌ L2のトンネルによりVLANを延長
 物理スイッチを変更せず、仮想スイッチやロードバランサ
によりサーバ間のセグメントを延長
VLAN
100

VLAN
101

VLAN
100

VLAN
101

仮想スイッチ
HyperVisor

仮想スイッチ
HyperVisor

サーバ1

サーバ2

仮想スイッチ間で
トンネリング

トンネルは一つのIP
通信となるので、物
理的なスイッチは変
更不要
スイッチ1

スイッチ2

 速度が必要な場合にはH/Wでオフロードする必要がある
 大きなL2ネットワークの運用はちょっと大変
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ネットワーク仮想化のイメージ
▌ ネットワーク仮想化
 複数の論理的なグループを物理ネットワーク上に作成
 1つの仮想ネットワークをスライス、VTN(バーチャルテナント
ネットワーク)などと呼ぶ

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OpenFlowによるネットワーク仮想化の実装
▌ FlowVisorという実装
 仮想ネットワークごとにコントローラを複数使うためのもの
 物理的なポート、VLAN、MACアドレスなどを指定して、
仮想ネットワークを構成することが可能

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OpenFlow 1.0以降に追加された仕様

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OpenFlowのバージョン
▌ 2009年12月 OpenFlow 1.0
▌ 2011年2月 OpenFlow 1.1
▌ 2011年12月 OpenFlow 1.2
▌ 2012年6月
OpenFlow 1.3
2012年9月
OpenFlow 1.3.1
2013年4月
OpenFlow 1.3.2

▌ 2013年8月

OpenFlow 1.4
パイプライン処理

OpenFlow 1.1

▌ ひとつのパケットに対して複数のフローエントリがマッチさ
れるようになった
▌ OpenFlow 1.0でもフローテーブルを複数持つことは可能
だった
ただし、OpenFlow 1.0では、マッチするフローエントリは
ひとつだけ
▌ OpenFlow 1.1では、Gotoインストラクションによって、こ
れを実現
パイプライン処理でラーニングブリッジ

OpenFlow 1.1
その他のOpenFlow1.1の変更点

OpenFlow 1.1

▌ グループテーブルの導入
Fast Failover(チャネル)
Select(ロードバランシング)

▌ IP TTL変更
▌ MPLSとVLANのタグをpush/pop
▌ マッチフィールドの追加
MPLS対応
SCTP対応
▌ その他
パイプライン処理で世界が変わった。
TTLいじれるようになったのは、1.1から
OXM(OpenFlow eXtensive Match)

OpenFlow 1.2

▌ OpenFlow 1.2における最大の変化

▌ OpenFlow 1.1までのような固定長マッチフィールド
を廃止
OpenFlow 1.2からTLV構造へ
OpenFlow 1.2

宛先イーサネットアドレス
(マスクあり)OXM TLVの例
OpenFlow 1.2

宛先イーサネットアドレスとIPv4アドレスのOXM TLV例
基本的なIPv6対応

OpenFlow 1.2

▌ OXMによって実現可能に
逆にいうと、OXMの導入目的のひとつであった
OpenFlow 1.1までのマッチテーブル仕様では、IPv6に対
応しづらかった

▌ IPv6拡張ヘッダは対象外
その他のOpenFlow1.2の変更点

OpenFlow 1.2

▌ 複数コントローラの対応
▌ Flow-Modの仕様変更
存在しなければ自動的に追加、という仕様が廃止
▌ 用語の変化
仮想ポート、ロジカルポート、予約ポート
▌ その他
OXM TLVの導入で
いろんなプロトコルやフィールドに対応できるよう
になった。
Meterテーブルの追加

OpenFlow 1.3
QOSで利用される
そのほかのOpenFlow1.3の変更点

OpenFlow 1.3

▌ PBB(Provider Backbone Bridging)対応
▌ UDPによるOpenFlowチャネル
主にPacket-Inなど
▌ テーブルミスのデフォルト挙動変更

ベンダがついてこれなくなったので、いったん凍結。
2013年夏に相互接続に成功し、標準化再開。
OpenFlow 1.4の主な変更点

OpenFlow 1.4

▌ オプティカルデバイス用の機能
▌ TCP/UDPポート番号の変更
▌ 複数のOpenFlowメッセージをひとつの機能としてbundle
できるように
▌ 複数コントローラでの運用時の機能追加
▌ フローテーブルの空き容量に関する機能
▌ 各種エラーメッセージの充実
▌ その他色々
Layer1(物理レイヤ)への適用で
領域拡大
OpenFlow対応製品の状況

スイッチは1.0もしくは1.3でリリース済み。
コントローラがちょうど出揃った?!

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各社OpenFlow参入状況
▌ 各社ともSDN/OpenFlowの市場に向けて続々と参入。クラウド・ネットワークの課題を解決す
るひとつのソリューションとして注目されている。
コントローラ

スイッチ

NEC

NEC

HP

HP

Brocade

IBM

IBM

Extreme

VMware(Nicira)

PICA8

Arista

BigSwitch

DELL

Stratosphere

Cisco

Juniper

NTT-DATA
Juniper(非OpenFlow)

NTT(自社内利用)

▌ その他、ロードバランサベンダや仮想サーバベンダーが、NVGRE、VxLAN等をベースとした
エッジオーバーレイ型のソリューションを実装するような流れもあり。
点線:対応を表明しているが、商用製品として販売開始していない製品
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OpenFlowの相互接続状況(NECの例)
▐ Interop Tokyo 2013 では、NECのOpenFlowコントローラである UNIVERGE
PF6800が、他社のOpenFlowスイッチとの相互接続に参加。
PF6800

Northband
API

A10
Radware

Software-Defined Networking

Arista

Multi-Vendor OpenFlow Network

Centec
Brocade
(トーメン)

DELL IBM

Juniper

PICA8
(NCLC)

▌ NECのOpenFlowスイッチである UNIVERGE PF5240は、他社
OpenFlowコントローラとの相互接続にも参加
IXIA

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NTTDATA

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現時点のOpenFlow製品の適用領域
IaaS基盤およびDCネットワーク、企業LAN向けに対し適用可能

DC間やWANは製品でなく、「自作」の実績あり(Googleなど)
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OpenFlowファブリックのイメージ
OpenFlowファブリック
•ネットワークアプリケーションを最初からバンドルした製品
•ユーザがOpenFlowのプログラムをする必要はない(隠蔽化)
クラウド・オーケストレータなど

API
ネットワークアプリケーション
・リンク検出・トポロジ管理機能
・経路制御機能
・可視化機能
など

(素の)OpenFlowコントローラ

OpenFlowプロトコル
OpenFlowスイッチ
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OpenFlow
ファブリック

SDN
ソリュー
ション
OpenFlowを使った製品のアーキテクチャ
▌ L3機能もBOX型スイッチでできるのでスケールアウトが可能
 シャーシ型が不要なので、初期費が安い

コアのシャーシ型を搭載するため
ネットワーク専用ラックを準備
増設

L3機能のため、大型のシャーシ型
スイッチが必要
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OpenFlowならL2/L3機能もBOX型
スイッチで構成可能
OpenFlowファブリックとしての強み(NECの例)
▌ ECMP(イコールコストパルチパス)
 経路制御はL2のショーテストパス(最短経路)
 イコールコストの場合最大8経路をフローベースでバランシング
ファイバの3重化、4重化が可能(Fat Tree)
 フローごとの経路指定も可能(利用例:iSCSIのパスを分けるなど)

▌ スケール
 コントローラ1式でスイッチ200台、VTN1000個
 UNCを使用するとコントローラ10式、スイッチ2000台、約96000ポート

▌ 切り替え時間
 OpenFlow1.3のグループテーブルにより障害時の大量FLOW_MODを抑制
 EtherOAMにより障害検出時間を短縮
 検証結果:約500mmsec程度で切り替わり
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仮想ネットワークの実装イメージ(NECの例)
▌システムごとのネットワークを「テナント」として仮想化
サーバ仮想化のGuestOSのようなもの
▌サーバ仮想化のように機器の点数・機器費用を削減
仮想ネットワーク
VTN1

VTN2

物理ネットワーク
PFC

制御

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仮想ネットワークのイメージ(NECの例)
▌ 仮想化基盤の運用のための可視化機能
 物理ネットワークに加えて、仮想ネットワークの可視化が可能
 物理ネットワーク上、仮想ネットワーク上でフローが見える!
 GUI上からの設定も簡単!

通信経路表示

仮想ネットワーク

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物理ネットワーク
経路制御にみるうれしさ
Shortest Pathの経路制御アルゴリズムを標準搭載
DB化のメリット
経路制御の「オートマ」化によりSTPのような冗長設計が不要
→ポートの“VLANの設定”が不要に
論理NWは変わらない

vBr1
PFC

VTN1

vBr2

(VLAN100)

障害時に
コントローラに通知
障害

障害時には
再計算
(Shortest Path)
VLANの設定が
不要に
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(VLAN101)

VTN2
論理層の監視にみるうれしさ
▌ VTN FaultというSNMP Trap
 VTNの論理IF間で物理的な経路がなくなった場合に発生
▌ DB化のメリット
 どのお客様のシステムに影響がでているかを瞬時に把握
 NetConfやSNMPでやろうとすると、ユーザ側でDBを作成し、トポ
ロジもリアルタイムでアップデートするなど、ものすごく大変
論理ネットワーク上届かない
領域ができたことを検知

VTN Fault
VTN1

PFC

障害
障害

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クラウドのスケールアウト型では
二重障害の想定が必要!
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QOSの統合管理にみるうれしさ
▌ VTN単位のQOS
 VTNに所属する全論理IFに設定することが可能(ポリッシング)
 あるお客様が帯域を占有し、他のお客様に迷惑かけることを抑制
 DB化のメリット
 論理のVTN単位で指定するので物理ポート1つ1つに設定不要
(IFごとに帯域の足し算などの管理は必要)
vRouter

VTN
vBridge
vExternal

論理ポートに
ポリッシング設定
不要

Internet
SW1つ1つの
設定不要
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OpenFlowとSDN
OpenFlowはプロトコル、
SDNはそのソリューション。
もとはONFのメンバーから。

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SDN(Software-Defined Networking)とOpenFlowの言葉の定義
▌SDNとは、ソフトウェアでネットワーク構成を定義・コントロールする仕組みと考え方
 ONFのボードメンバーから。コントロールプレートデータプレーンの分離。
 従来のNW設計をエンジニアが静的にNW装置に定義するのに対比したもの
 特定のファンクションを規定するモノではない = 概念

▌OpenFlowとは、スイッチをコントロールするプロトコルの標準
 NW領域におけるソフトウェア化・オープン化
アプリケーション

アプリケーション

アプリケーション

サーバ管理ソフト

サーバ管理ソフト

NW管理ソフト

NW管理ソフト

SDN

SW

サーバ管理ソフト

B

SDN

C

NW管理ソフト

SDN

装置/
サーバ+ソフト

その他
アーキテクチャ
装置

HW

その他アーキテクチャ

ルータ
スイッチ

レガシー
アーキテクチャ

OpenFlow
コントローラ

A

OpenFlow
スイッチ
OpenFlow
アーキテクチャ

*ベンダにより(A/B/C)の解釈様々
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SDNによるソリューションの例
Interop Tokyo 2013 SDN ShowCaseデモ
IaaSにおけるネットワーク運用自動化のデモンストレーション
~ハイレベルな運用環境を
実現したい企業・事業者様むけ~

~カスタマイズしたい
SI力のある事業者様むけ~
クラウドマネージャ

クラウドマネージャ

Coud Manager
vDC Automation

サービス
利用者

仮想サー
バ
コントロー
ラ

仮想サーバ
コントローラ

ネットワークプール

サーバプール

ネットワークプー
ル

サーバプール

IaaS
管理者

ご協力:A10ネットワークス株式会社様(ロードバランサ)、フォーティネットジャパン株式会社様(ファイアウォール)

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クラウド利用者による操作イメージ(NECの例)
▐ IaaS利用者はWebベースのClound Managerに必要なリソースを入力
▐ このとき、仮想ネットワークもいくつ欲しいかを入力しておき、各VMが
どの仮想ネットワークに接続するかを指定
セルフサービスポータル画面イメージ
※WebSAM Cloud Managerによる画面

仮想マシン申込みフォーム
サービス選択メニュー

IaaS利用者むけ
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SDNによる自動化のイメージ(NECの例)
▌事前にシナリオを設定しておくことで、Firewallやロードバランサも
含めて、仮想ネットワークの生成や設定を自動化
WebSAM
vDC Automation
テナント契約時
プログラマブルフロー

仮想NW作成

仮想マシン作成

VTN作成

vRT・vBR作成

VLink設定

ファイアウォール

仮想FW作成

FW・VLAN接続

FW設定

ロードバランサ

仮想LB作成

LB・VLAN接続

LB設定
SV作成

サーバ

LB設定

仮想SV

ロードバランサ

ファイアウォール

PFC

プログラマブルフロー

VTN

vRT
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仮想LB

FW設定
仮想FW

vBR

VLAN設定
まとめ
▌ OpenFlowの標準化
 1.0から1.3、1.4で大きく進歩
 非常にプリミティブ(原始的)なプロトコル
 なにに使えるの?→なにかをやろうとしたときに使えるもの
 詳しくは「マスタリングTCP/IP OpenFlow編」をどうぞ
▌ 製品の実装
 マルチベンダでスイッチ、コントローラがでてきてます。
 1.0、1.3の相互接続やってます。
 OpenFlowファブリック、そこそこ完成してきています。
▌ SDN
 課題は大規模な「クラウド」のネットワーク管理
 OpenStackのNW運用動化などのソリューション
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Cloud Days Tokyo 2014 Spring 「80分でばっちり理解するOpenFlow」 NEC宮永直樹