Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin nghiên cứu đánh giá ứng dụng giải pháp sdn cho hạ tầng mạng truyền tải trong các telco cloud data center

Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin nghiên cứu ứng dụng giải pháp SDN cho hạ tầng mạng truyền tải trong các trung tâm dữ liệu telco.

• Tác giả: Hoàng Văn Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Mạnh Linh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Giải Pháp SDN Trong Hạ Tầng Mạng Truyền Tải Tại Các Telco Cloud Data Center
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về Mạng định nghĩa mềm SDN – Software Defined Networking
• 1.2. Sự khác biệt giữa SDN với mạng truyền thống
• 1.3. Về kiến trúc
• 1.4. Về tính năng
• 1.5. Tìm hiểu kiến trúc của SDN
• 1.6. Tiềm năng ứng dụng và xu hướng triển khai
• 1.6.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng
• 1.6.2. Xu hướng triển khai
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM SDN CỦA CÁC HÃNG VÀ MÃ NGUỒN MỞ
• 2.1. Nghiên cứu các giải pháp ứng dụng của Nokia và Juniper
• 2.1.1. Nghiên cứu giải pháp SDN của Nokia – Hệ thống Nuage
• 2.1.2. Các dịch vụ ảo hóa VSD. Bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC
• 2.1.3. Bộ định tuyến, chuyển mạch ảo VRS
• 2.1.4. Chính sách bảo mật và chuỗi dịch vụ
• 2.1.5. Giải pháp SDN của Juniper - Contrail
• 2.1.5.1. Kiến trúc Contrail
• 2.1.5.2. Contrail SDN controller. Các giao thức quản lý và điều khiển
• 2.1.5.3. So sánh giải pháp giữa Nuage Nokia và Contrail Juniper
• 2.2. Nghiên cứu các giải pháp ứng dụng SDN mã nguồn mở
• 2.2.1. Giải pháp của Tungsten Fabric (TF)
• 2.2.2. Giải pháp của OpenDaylight (ODL)
• 2.2.3. So sánh giải pháp của Tungsten Fabric (TF) và OpenDaylight (ODL)
• 3. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP TỰ PHÁT TRIỂN
• 3.1. Mục tiêu triển khai
• 3.2. Phạm vi triển khai. Tổ chức triển khai
• 3.3. Quy hoạch đấu nối và triển khai lắp đặt thiết bị
• 3.4. Cài đặt, tích hợp SDN controller
• 3.5. Công cụ Skydive
• 3.6. Đồng bộ tài nguyên
• 3.7. Triển khai cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN
• 3.8. Kết quả triển khai
• 3.8.1. Triển khai hệ thống
• 3.8.2. Kiểm tra tính năng, test dịch vụ và đảm bảo điều kiện đổ tải. Tích hợp, đổ tải và đánh giá
• 3.9. Đánh giá hệ thống sau khi tích hợp SDN Controller. Đánh giá tiềm năng ứng dụng
• 3.10. So sánh các tính năng SDN Opensource với truyền thống
• 3.11. So sánh các SDN Opensource với sản phẩm thương mại
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Kết quả thử nghiệm tại Lab với giải pháp Tungsten Fabric và Opendaylight

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giải Pháp SDN Cho Telco Cloud Data Center

SDN (Software-Defined Networking) là công nghệ mới nổi giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành, quản trị hệ thống mạng. Trong kiến trúc mạng truyền thống, mặt phẳng dữ liệu và điều khiển nằm trên cùng thiết bị, các thiết bị độc lập và chính sách chuyển tiếp lưu lượng hoạt động riêng lẻ. Điều này gây phức tạp khi mạng lưới mở rộng, gây khó khăn cho việc quản trị. Sự gia tăng của dịch vụ đám mây và nhu cầu băng thông thúc đẩy sự phát triển của giải pháp mới. SDN giải quyết vấn đề này bằng cách tách chức năng điều khiển mạng từ phần cứng, cho phép điều khiển tập trung và lập trình được. Mạng trở nên linh hoạt, hiệu suất cao và dễ quản lý hơn. Tổ chức ONF (Open Networking Foundation) định nghĩa SDN là kiến trúc mạng động, dễ quản lý, chi phí hiệu quả và thích nghi cao, phù hợp với nhu cầu mạng hiện nay. SDN phân tách Control Plane và Data Plane, cho phép lập trình điều khiển mạng và hạ tầng mạng độc lập với ứng dụng, dịch vụ. Chuyên gia Gartner định nghĩa SDN là cách tiếp cận kiến trúc cho thiết kế, xây dựng, vận hành mạng, cho phép lập trình các phần tử mạng, giúp nhà cung cấp dịch vụ linh hoạt và tăng trưởng kinh doanh nhờ các sản phẩm mới, thời gian tiếp thị nhanh hơn, hoạt động tự động và hiệu quả chi phí. Sự tách biệt giữa mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp là yếu tố then chốt trong việc định hình lại cách thức quản lý và vận hành hạ tầng mạng truyền tải.

1.1. Nhu Cầu Và Nguyên Nhân Ra Đời Của Mạng SDN

Kiến trúc mạng truyền thống với mặt phẳng điều khiển và dữ liệu tích hợp trên mỗi thiết bị gây ra sự phức tạp và khó khăn trong quản lý khi mạng lưới mở rộng. Sự gia tăng các dịch vụ đám mây và nhu cầu băng thông lớn hơn từ các nhà khai thác viễn thông thúc đẩy nhu cầu về một giải pháp mạng linh hoạt và hiệu quả hơn. SDN ra đời để giải quyết những hạn chế này bằng cách tập trung điều khiển mạng, cho phép các nhà khai thác tối ưu hóa hiệu suất và dễ dàng điều chỉnh cấu hình mạng theo nhu cầu thay đổi của ứng dụng và người dùng. Việc tách biệt Control Plane và Data Plane là yếu tố then chốt trong việc cải thiện khả năng quản lý và tự động hóa của mạng.

1.2. Định Nghĩa Về Mạng SDN Theo Các Tổ Chức Uy Tín

Có nhiều định nghĩa khác nhau về SDN, nhưng tổ chức ONF (Open Networking Foundation) định nghĩa SDN là một kiến trúc mạng động, dễ quản lý, chi phí hiệu quả, và dễ thích nghi. Kiến trúc này phân tách chức năng điều khiển mạng (Control Plane) và chức năng vận chuyển dữ liệu (Data Plane), cho phép lập trình dễ dàng và hạ tầng mạng vật lý độc lập với các ứng dụng và dịch vụ mạng. Gartner, một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ hàng đầu, định nghĩa SDN là một cách tiếp cận kiến trúc để thiết kế, xây dựng và vận hành mạng, cho phép khả năng lập trình của các phần tử mạng.

II. Thách Thức Tiềm Năng Ứng Dụng SDN Tại Telco Cloud Data Center

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai SDN trong Telco Cloud Data Center cũng đối mặt với nhiều thách thức. Thiếu tiêu chuẩn chung, khả năng tương tác đa tầng hạn chế, kiểm soát dịch vụ chưa đầy đủ, tập trung quá mức các chức năng kiểm soát và lo ngại về bảo mật là những rào cản lớn. Tuy nhiên, lợi ích của SDN vượt xa những vấn đề này. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới, đặc biệt liên quan đến tự động hóa và thông minh hạ tầng mạng truyền tải, là thách thức mà đội ngũ kỹ thuật Viettel luôn nỗ lực vượt qua. SDN cho phép điều khiển mạng lập trình được dễ dàng, cơ sở hạ tầng mạng độc lập với ứng dụng và dịch vụ mạng. Đây là hệ thống quan trọng mà đội ngũ kỹ thuật Viettel đã nghiên cứu, ứng dụng trên cơ sở hợp tác với các nhà cung cấp Nokia, Juniper và định hướng tự phát triển nền tảng mã nguồn mở. Mục tiêu là triển khai cho hạ tầng mạng truyền tải trong Telco Cloud Data Center và mạng Metro trong tương lai gần. Ảo hóa mạng (Network Virtualization) và NFV (Network Functions Virtualization) là những yếu tố quan trọng hỗ trợ triển khai SDN.

2.1. Những Rào Cản Trong Triển Khai SDN Quy Mô Lớn

Việc triển khai SDN quy mô lớn đối mặt với một số rào cản đáng kể. Thiếu tiêu chuẩn chung giữa các nhà cung cấp khác nhau gây ra vấn đề về khả năng tương tác, làm tăng độ phức tạp và chi phí tích hợp. Khả năng tương tác đa tầng hạn chế, đặc biệt là giữa các lớp mạng vật lý và ảo, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ và các giải pháp tùy chỉnh. Các tính năng kiểm soát dịch vụ chưa đầy đủ có thể giới hạn khả năng quản lý và tối ưu hóa hiệu suất mạng. Quá tập trung các chức năng kiểm soát vào một SDN Controller có thể gây ra điểm nghẽn và ảnh hưởng đến độ tin cậy. Ngoài ra, những lo ngại về tuân thủ và bảo mật của các bộ điều khiển SDN tập trung cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

2.2. Lợi Ích Vượt Trội Của SDN Thúc Đẩy Các Nhà Mạng Triển Khai

Mặc dù đối mặt với những rào cản, các nhà mạng hàng đầu vẫn tiếp tục triển khai SDN vì những lợi ích vượt trội mà nó mang lại. SDN cho phép tự động hóa các hoạt động mạng, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả. Nó cũng cung cấp khả năng linh hoạt và mở rộng mạng dễ dàng hơn để đáp ứng nhu cầu thay đổi của ứng dụng và người dùng. SDN giúp cải thiện hiệu suất mạng bằng cách cho phép tối ưu hóa lưu lượng và quản lý tài nguyên hiệu quả hơn. Ngoài ra, SDN cũng tăng cường khả năng bảo mật mạng bằng cách cho phép triển khai các chính sách bảo mật tập trung và phản ứng nhanh chóng với các mối đe dọa.

III. Giải Pháp SDN Của Nokia Và Juniper Cho Telco Cloud

Các giải pháp SDN của Nokia và Juniper cung cấp những cách tiếp cận khác nhau để giải quyết các thách thức trong Telco Cloud Data Center. Nokia với hệ thống Nuage cung cấp các dịch vụ ảo hóa VSD, bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC và bộ định tuyến, chuyển mạch ảo VRS. Giải pháp của Juniper, Contrail, có kiến trúc với Contrail SDN controller và các giao thức quản lý và điều khiển. So sánh giữa hai giải pháp này cho thấy sự khác biệt trong kiến trúc, tính năng và cách tiếp cận. Cả hai đều hướng đến mục tiêu cung cấp một hạ tầng mạng linh hoạt, có khả năng mở rộng và dễ quản lý cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể và cơ sở hạ tầng hiện có của từng nhà mạng. OpenFlow là một giao thức quan trọng được sử dụng trong các giải pháp SDN này.

3.1. Nghiên Cứu Giải Pháp SDN Của Nokia Hệ Thống Nuage

Hệ thống Nuage của Nokia cung cấp một giải pháp SDN toàn diện cho Telco Cloud Data Center. Các thành phần chính bao gồm: các dịch vụ ảo hóa VSD, bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC và bộ định tuyến, chuyển mạch ảo VRS. Các dịch vụ ảo hóa VSD cung cấp một thư mục dịch vụ ảo, cho phép quản lý và cấu hình các dịch vụ mạng một cách tập trung. Bộ điều khiển dịch vụ ảo hóa VSC là trung tâm điều khiển của hệ thống, cung cấp các chức năng như quản lý chính sách, định tuyến và bảo mật. Bộ định tuyến và chuyển mạch ảo VRS cung cấp khả năng chuyển mạch và định tuyến lưu lượng trong môi trường ảo hóa. Nuage cung cấp khả năng ảo hóa mạng linh hoạt, tự động hóa các hoạt động mạng và cải thiện hiệu suất mạng.

3.2. Giải Pháp SDN Của Juniper Contrail

Contrail của Juniper là một giải pháp SDN mã nguồn mở được thiết kế cho các Telco Cloud Data Center. Kiến trúc Contrail bao gồm một SDN controller, một tập hợp các giao thức quản lý và điều khiển, và một tập hợp các phần tử mạng ảo. Contrail SDN controller cung cấp các chức năng như quản lý chính sách, định tuyến và bảo mật. Các giao thức quản lý và điều khiển cho phép các nhà khai thác cấu hình và giám sát mạng. Các phần tử mạng ảo cung cấp khả năng chuyển mạch và định tuyến lưu lượng trong môi trường ảo hóa. Contrail cung cấp khả năng mở rộng, linh hoạt và tự động hóa các hoạt động mạng.

IV. Nghiên Cứu So Sánh Giải Pháp SDN Mã Nguồn Mở Open Source

Ngoài các giải pháp thương mại như Nokia và Juniper, các giải pháp SDN mã nguồn mở như Tungsten Fabric và OpenDaylight cũng là lựa chọn hấp dẫn. Tungsten Fabric (TF) và OpenDaylight (ODL) cung cấp những cách tiếp cận khác nhau trong việc xây dựng kiến trúc SDN. Tungsten Fabric tập trung vào khả năng mở rộng và tích hợp với các nền tảng đám mây khác nhau, trong khi OpenDaylight nổi bật với khả năng tùy biến và hỗ trợ nhiều giao thức. So sánh giữa hai giải pháp này cho thấy sự khác biệt về kiến trúc, tính năng, cộng đồng phát triển và mức độ trưởng thành. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng tổ chức, khả năng kỹ thuật và mức độ sẵn sàng tham gia vào cộng đồng mã nguồn mở. API SDN đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp các giải pháp này vào hệ thống hiện có.

4.1. Giải Pháp SDN Mã Nguồn Mở Tungsten Fabric TF

Tungsten Fabric (TF) là một nền tảng SDN mã nguồn mở tập trung vào khả năng mở rộng và tích hợp với các nền tảng đám mây khác nhau. TF cung cấp một bộ các tính năng toàn diện, bao gồm ảo hóa mạng, quản lý chính sách, định tuyến và bảo mật. TF được thiết kế để hoạt động trong môi trường đám mây đa dạng, hỗ trợ các nền tảng như OpenStack, Kubernetes và VMware. Kiến trúc của TF bao gồm một SDN controller, một tập hợp các giao thức quản lý và điều khiển, và một tập hợp các phần tử mạng ảo. TF cung cấp khả năng tự động hóa các hoạt động mạng, giảm chi phí vận hành và cải thiện hiệu suất mạng.

4.2. Giải Pháp SDN Mã Nguồn Mở OpenDaylight ODL

OpenDaylight (ODL) là một nền tảng SDN mã nguồn mở khác được hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn các nhà phát triển. ODL cung cấp một nền tảng linh hoạt và có thể mở rộng để xây dựng các ứng dụng SDN. ODL hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau, bao gồm OpenFlow, NETCONF và BGP. Kiến trúc của ODL bao gồm một SDN controller, một tập hợp các plugin và module, và một tập hợp các giao diện lập trình ứng dụng (APIs). ODL cung cấp khả năng tùy biến cao, cho phép các nhà phát triển xây dựng các ứng dụng SDN phù hợp với nhu cầu cụ thể của họ. ODL cũng cung cấp một loạt các công cụ để quản lý và giám sát mạng.

V. Triển Khai Thực Tế Giải Pháp SDN Tự Phát Triển Tại Viettel

Việc triển khai giải pháp SDN tự phát triển tại Viettel đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc làm chủ công nghệ mới. Mục tiêu là tích hợp giải pháp tự phát triển vào hệ thống Private Cloud DC. Để giải pháp này hoạt động hiệu quả trên diện rộng trong mạng truyền tải của Viettel, cần tối ưu hóa hệ thống và phát triển bổ sung các tính năng nâng cao. Điều này nhằm đáp ứng nhu cầu không chỉ cho mạng truyền tải Telco Cloud Data Center mà còn đối với mạng truyền tải IP. Dự án nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực không ngừng của đội ngũ kỹ thuật Viettel để bắt kịp xu hướng phát triển và tiến tới làm chủ công nghệ mới. Quản lý mạng tự động là một trong những mục tiêu quan trọng của việc triển khai SDN tự phát triển.

5.1. Mục Tiêu Và Phạm Vi Triển Khai Giải Pháp SDN Tự Phát Triển

Mục tiêu của việc triển khai giải pháp SDN tự phát triển là tích hợp vào hệ thống Private Cloud DC của Viettel. Phạm vi triển khai bao gồm các Telco Cloud Data Center và mạng Metro trong tương lai. Mục tiêu là cung cấp một hạ tầng mạng linh hoạt, có khả năng mở rộng và dễ quản lý để hỗ trợ các dịch vụ đám mây và các ứng dụng mạng khác. Ngoài ra, việc triển khai giải pháp tự phát triển cũng nhằm mục đích giảm sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp bên ngoài và tăng cường khả năng kiểm soát đối với hạ tầng mạng.

5.2. Các Bước Triển Khai Và Đánh Giá Hiệu Quả Hệ Thống SDN

Việc triển khai giải pháp SDN tự phát triển bao gồm các bước sau: quy hoạch đấu nối và triển khai lắp đặt thiết bị, cài đặt và tích hợp SDN controller, đồng bộ tài nguyên và triển khai cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN. Sau khi triển khai, hệ thống sẽ được kiểm tra tính năng, thử nghiệm dịch vụ và đảm bảo điều kiện đổ tải. Hiệu quả của hệ thống sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí như hiệu suất mạng, độ tin cậy, khả năng mở rộng và chi phí vận hành. Kết quả đánh giá sẽ được sử dụng để tối ưu hóa hệ thống và lập kế hoạch cho các triển khai tiếp theo.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Của Nghiên Cứu SDN

Nghiên cứu và ứng dụng SDN là một quá trình liên tục. Kết quả của luận văn này cung cấp một lựa chọn giải pháp ứng dụng phù hợp cho mạng truyền tải trong Telco Cloud Data Center và lộ trình triển khai trên mạng thật, cũng như định hướng xây dựng nền tảng tự phát triển trong tương lai. Để ứng dụng hiệu quả trên diện rộng, cần tối ưu hệ thống và phát triển thêm tính năng nâng cao. Việc nghiên cứu sâu hơn về các giao thức định tuyến mới, các phương pháp bảo mật tiên tiến và các kỹ thuật tối ưu hóa mạng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của SDN trong mạng 5G và các mạng biên (Edge Network). DPDK (Data Plane Development Kit) là một công cụ quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng SDN hiệu suất cao.

6.1. Đánh Giá Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế Của SDN

Tiềm năng ứng dụng thực tế của SDN là rất lớn, đặc biệt trong các Telco Cloud Data Center. SDN cho phép tự động hóa các hoạt động mạng, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả. Nó cũng cung cấp khả năng linh hoạt và mở rộng mạng dễ dàng hơn để đáp ứng nhu cầu thay đổi của ứng dụng và người dùng. SDN giúp cải thiện hiệu suất mạng bằng cách cho phép tối ưu hóa lưu lượng và quản lý tài nguyên hiệu quả hơn. Ngoài ra, SDN cũng tăng cường khả năng bảo mật mạng bằng cách cho phép triển khai các chính sách bảo mật tập trung và phản ứng nhanh chóng với các mối đe dọa.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển SDN Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu và phát triển SDN trong tương lai bao gồm các lĩnh vực như: phát triển các giao thức định tuyến mới, các phương pháp bảo mật tiên tiến, các kỹ thuật tối ưu hóa mạng, và các ứng dụng SDN cho các mạng 5G và mạng biên (Edge Network). Ngoài ra, cũng cần tập trung vào việc cải thiện khả năng tương tác giữa các giải pháp SDN khác nhau và tích hợp SDN với các hệ thống quản lý khác như OpenStack và Kubernetes. Cuối cùng, cần có các nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề bảo mật và độ tin cậy của các hệ thống SDN.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng, mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) đã trở thành xu hướng quan trọng được các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông (CSP) và các nhà khai thác mạng lớn trên thế giới tích cực nghiên cứu và triển khai. Theo dự báo của Global Market Insights, quy mô thị trường SDN sẽ đạt khoảng 100 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trên 40% trong giai đoạn 2019-2025. SDN được đánh giá là giải pháp tối ưu cho các hạ tầng mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center, giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong quản lý mạng.

Luận văn tập trung nghiên cứu, đánh giá ứng dụng giải pháp SDN cho hạ tầng mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center, với mục tiêu làm rõ cơ chế phân tách phần điều khiển mạng và chức năng vận chuyển dữ liệu, đồng thời phân tích các công nghệ, giao thức hoạt động và ưu nhược điểm của các giải pháp SDN từ các nhà cung cấp hàng đầu như Nokia, Juniper và các giải pháp mã nguồn mở như Tungsten Fabric và OpenDayLight. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng quan về SDN, thử nghiệm các giải pháp SDN thương mại và mã nguồn mở, cũng như triển khai thực tế giải pháp tự phát triển trên hạ tầng Cloud của Viettel tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2021.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc định hướng lựa chọn giải pháp SDN phù hợp, tối ưu chi phí và hiệu quả vận hành cho mạng truyền tải trong các Telco Cloud Data Center, góp phần nâng cao năng lực công nghệ và khả năng làm chủ hạ tầng mạng của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về kiến trúc mạng SDN, bao gồm:

• Kiến trúc phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu: SDN tách biệt phần điều khiển mạng (Control Plane) khỏi phần vận chuyển dữ liệu (Data Plane), cho phép điều khiển mạng tập trung và lập trình được qua bộ điều khiển SDN (SDN Controller).

• Mô hình ba lớp của SDN: gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp điều khiển (Control Layer) và lớp hạ tầng (Infrastructure Layer). Lớp điều khiển trung tâm quản lý toàn bộ mạng, cung cấp giao diện API cho lớp ứng dụng và điều khiển các thiết bị mạng vật lý hoặc ảo.

• Các giao thức và công nghệ hỗ trợ SDN: OpenFlow, XMPP, BGP, NETCONF, RESTful API, VXLAN, MPLS, v.v., được sử dụng để giao tiếp giữa các lớp và các thành phần trong hệ thống SDN.

• Mô hình ảo hóa mạng và chuỗi dịch vụ (Service Function Chaining - SFC): cho phép tự động hóa việc điều khiển lưu lượng qua các dịch vụ mạng như firewall, load balancer trong môi trường ảo hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: SDN Controller, Virtual Routing and Switching (VRS), Virtualized Services Directory (VSD), Virtualized Services Controller (VSC), Overlay Network, Underlay Network, Multi-tenancy, và các giao thức quản lý mạng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, báo cáo thị trường, các nghiên cứu và tài liệu kỹ thuật của các nhà cung cấp SDN như Nokia, Juniper, cũng như các dự án mã nguồn mở Tungsten Fabric và OpenDayLight. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình triển khai thử nghiệm trên Lab và hạ tầng Cloud thực tế của Viettel.

• Phương pháp phân tích: So sánh, đánh giá các giải pháp SDN dựa trên các tiêu chí về tính năng, hiệu năng, khả năng mở rộng, khả năng tương thích với hệ sinh thái Cloud, chi phí đầu tư và vận hành. Thực hiện các test case đánh giá tính năng và độ ổn định của hệ thống.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thị trường trong năm 2020; thử nghiệm các giải pháp SDN thương mại và mã nguồn mở trong quý đầu năm 2021; triển khai thí điểm giải pháp tự phát triển trên hạ tầng Cloud Viettel từ quý II đến quý IV năm 2021; tổng hợp, đánh giá và hoàn thiện luận văn vào cuối năm 2021.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thử nghiệm trên cụm Private Cloud của Viettel gồm 81 Compute node, 400 máy ảo (VM), với các thiết bị mạng vật lý và ảo được tích hợp SDN Controller. Lựa chọn các test case đại diện cho các tính năng quan trọng như quản lý tài nguyên, cắt chuyển VM, giám sát mạng, và chuỗi dịch vụ.

• Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng Lab thử nghiệm với các thiết bị và phần mềm SDN của Nokia, Juniper, Tungsten Fabric và OpenDayLight; triển khai tích hợp SDN Controller trên hạ tầng Cloud thực tế; sử dụng công cụ giám sát Skydive để theo dõi topology và trạng thái mạng; thực hiện đồng bộ tài nguyên và cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng mở rộng và quản lý tập trung vượt trội của SDN: Hệ thống SDN tích hợp công nghệ VXLAN cho phép mở rộng số lượng mạng ảo lên đến 16 triệu, gấp 4.000 lần so với mạng truyền thống sử dụng VLAN. Hệ thống cho phép quản lý tập trung, đồng thời hỗ trợ nhiều nền tảng ảo hóa như OpenStack, Kubernetes, VMware, giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả vận hành.

2. So sánh giải pháp SDN thương mại và mã nguồn mở: Giải pháp SDN của Nokia (Nuage) và Juniper (Contrail) đều có khả năng triển khai end-to-end trong Data Center với tính năng và tốc độ thực hiện tốt. Tuy nhiên, giải pháp mã nguồn mở Tungsten Fabric được đánh giá phù hợp hơn về chi phí và khả năng tùy biến linh hoạt, trong khi OpenDayLight gặp nhiều hạn chế về giao diện và độ ổn định khi thử nghiệm.

3. Triển khai thực tế thành công giải pháp SDN tự phát triển trên hạ tầng Cloud Viettel: Việc tích hợp SDN Controller dựa trên Tungsten Fabric vào cụm Private Cloud với 81 Compute node và 400 VM đã thực hiện thành công, không ảnh hưởng đến hoạt động của các VM đang chạy. Công cụ Skydive hỗ trợ giám sát topology mạng Underlay và Overlay trên một giao diện duy nhất, giúp quản lý hiệu quả.

4. Tính năng nâng cao và tự động hóa: Hệ thống SDN cho phép thiết lập chính sách điều khiển chung, quản lý topology Overlay và Underlay, hỗ trợ Service Function Chaining (SFC) để tự động điều khiển lưu lượng qua các dịch vụ mạng như firewall, load balancer. Công cụ đồng bộ tài nguyên giúp giảm thời gian migrate tài nguyên mạng từ 1 ngày xuống còn khoảng 5 phút.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ kiến trúc phân tách mặt phẳng điều khiển và dữ liệu của SDN, cho phép tập trung quản lý và lập trình mạng linh hoạt. Việc sử dụng các giao thức chuẩn như OpenFlow, XMPP, BGP và công nghệ ảo hóa VXLAN giúp mở rộng quy mô mạng và tăng khả năng tương tác với các nền tảng Cloud hiện đại.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định xu hướng chuyển đổi sang SDN trong các Telco Cloud Data Center là tất yếu, đồng thời làm rõ ưu nhược điểm của các giải pháp thương mại và mã nguồn mở. Việc triển khai thành công giải pháp tự phát triển trên hạ tầng thực tế của Viettel là minh chứng cho khả năng ứng dụng thực tiễn và làm chủ công nghệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh hiệu năng, bảng đánh giá tính năng giữa các giải pháp SDN, cũng như sơ đồ kiến trúc hệ thống và quy trình cắt chuyển VM. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt về khả năng mở rộng, tính năng và hiệu quả vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mở rộng giải pháp SDN mã nguồn mở Tungsten Fabric trên toàn bộ hạ tầng Cloud Viettel trong vòng 2 năm tới, nhằm tận dụng ưu điểm về chi phí và khả năng tùy biến, đồng thời nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên mạng.

2. Phát triển và hoàn thiện các tính năng nâng cao cho SDN Controller, bao gồm hỗ trợ đa nền tảng ảo hóa, tích hợp sâu hơn với các hệ thống VNF tự phát triển, và cải thiện khả năng tương thích ngược với các phiên bản hệ điều hành cũ, nhằm đảm bảo tính ổn định và linh hoạt trong vận hành.

3. Đầu tư phát triển công cụ giám sát và quản lý mạng như Skydive, mở rộng tính năng phân tích, cảnh báo tự động và hỗ trợ trực quan hóa topology mạng phức tạp, giúp nâng cao năng lực vận hành và giảm thiểu rủi ro sự cố.

4. Xây dựng quy trình chuẩn và kịch bản cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN, bao gồm các bước kiểm tra, đồng bộ tài nguyên và rollback khi có sự cố, đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra an toàn, hiệu quả và không gián đoạn dịch vụ.

5. Tăng cường đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chuyên sâu về SDN và các công nghệ mạng mới, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu, triển khai và vận hành hệ thống SDN trong các Telco Cloud Data Center.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư mạng tại các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông (CSP): Luận văn cung cấp cái nhìn toàn diện về ứng dụng SDN trong mạng truyền tải Telco Cloud Data Center, giúp họ lựa chọn giải pháp phù hợp và xây dựng lộ trình triển khai hiệu quả.

2. Các chuyên gia và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin và mạng máy tính: Tài liệu trình bày chi tiết về kiến trúc, giao thức, cũng như đánh giá thực nghiệm các giải pháp SDN thương mại và mã nguồn mở, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

3. Các đơn vị phát triển phần mềm và giải pháp mạng: Thông tin về các nền tảng SDN, công cụ giám sát và quản lý mạng giúp các nhà phát triển hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và xu hướng công nghệ để thiết kế sản phẩm phù hợp.

4. Các tổ chức đào tạo và sinh viên chuyên ngành công nghệ thông tin, hệ thống thông tin: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về SDN, cung cấp kiến thức nền tảng và thực tiễn, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. SDN là gì và tại sao nó quan trọng trong các Telco Cloud Data Center?
   SDN (Software Defined Networking) là kiến trúc mạng tách biệt phần điều khiển và vận chuyển dữ liệu, cho phép quản lý tập trung và lập trình mạng linh hoạt. Trong Telco Cloud Data Center, SDN giúp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, giảm chi phí vận hành và tăng khả năng mở rộng mạng.

2. Các giải pháp SDN thương mại như Nokia Nuage và Juniper Contrail có ưu điểm gì?
   Hai giải pháp này hỗ trợ triển khai end-to-end trong Data Center, có khả năng tùy biến và tốc độ thực hiện tốt, tích hợp sâu với các nền tảng ảo hóa và cung cấp các tính năng bảo mật, quản lý chính sách mạnh mẽ.

3. Tại sao chọn giải pháp mã nguồn mở Tungsten Fabric thay vì OpenDayLight?
   Tungsten Fabric có giao diện quản lý thân thiện, tính năng ổn định và đáp ứng tốt yêu cầu vận hành thực tế. Trong khi đó, OpenDayLight gặp hạn chế về giao diện và thường phát sinh lỗi khi thử nghiệm, gây khó khăn trong khai thác.

4. Quá trình cắt chuyển VM sang hạ tầng SDN được thực hiện như thế nào?
   Quá trình gồm các bước: kiểm tra trạng thái VM, đồng bộ tài nguyên mạng sang SDN Controller, cắt chuyển VM, kiểm tra hoạt động sau chuyển đổi và rollback nếu có sự cố. Công cụ đồng bộ tài nguyên giúp rút ngắn thời gian chuyển đổi từ 1 ngày xuống còn khoảng 5 phút.

5. SDN có thể hỗ trợ các nền tảng ảo hóa nào?
   Giải pháp SDN mã nguồn mở hiện hỗ trợ các nền tảng phổ biến như OpenStack, Kubernetes, VMware và Redhat Openshift, giúp quản lý đa nền tảng và hạ tầng phân tán hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và đánh giá toàn diện các giải pháp SDN thương mại và mã nguồn mở cho hạ tầng mạng truyền tải trong Telco Cloud Data Center, với trọng tâm là ứng dụng thực tế tại Viettel.
• Giải pháp SDN mã nguồn mở Tungsten Fabric được lựa chọn triển khai thí điểm do ưu điểm về chi phí, tính năng và khả năng tùy biến linh hoạt.
• Quá trình triển khai tích hợp SDN Controller trên cụm Private Cloud với 81 Compute node và 400 VM đã thành công, đảm bảo vận hành ổn định và không ảnh hưởng đến dịch vụ.
• Hệ thống SDN cho phép mở rộng mạng ảo lên đến 16 triệu, hỗ trợ đa nền tảng ảo hóa, quản lý tập trung và tự động hóa chuỗi dịch vụ mạng.
• Đề xuất mở rộng triển khai, phát triển tính năng nâng cao, hoàn thiện công cụ giám sát và đào tạo nguồn nhân lực để tận dụng tối đa lợi ích của SDN trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý và kỹ sư mạng nên bắt đầu xây dựng lộ trình triển khai SDN phù hợp, đồng thời đầu tư nghiên cứu phát triển và đào tạo nhân lực để làm chủ công nghệ mạng thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về Mạng định nghĩa mềm SDN – Software Defined Networking 1. Nhu cầu và nguyên nhân ra đời Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí cho việc vận hành và quản trị hệ thống mạng cho các tổ chức doanh nghiệp. Đối với một kiến trúc mạng truyền thống, mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển đều cùng nằm trên một thiết bị vật lý và mỗi thiết bị độc lập về mặt chức năng với nhau, các chính sách chuyển tiếp lưu lượng hoạt động trên trên mỗi thiết bị riêng và không có giao diện có khả năng hiển thị toàn bộ mạng.

Khi số lượng thiết bị trên mạng lưới càng nhiều, thì càng gây nên sự phức tạp trong mạng và làm khó khăn cho người quản trị mạng trong quá trình vận hành và điều khiển. Cùng với các thay đổi về mô hình mạng, sự gia tăng của các dịch vụ đám mây và nhu cầu phát triển của các nhà khai thác băng thông dịch vụ đưa ra một yêu cầu cần phải phát triển một giải pháp mới. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kiến trúc mạng mà ở đó nhiệm vụ điều khiển mạng được xử lý bởi các bộ điều khiển và các bộ điều khiển đó có thể tác động tới phần cứng, bộ nhớ và các chức năng của các thiết bị định tuyến (router), chuyển mạch (switch) để đạt được mục đích của người sử dụng. Do đó, mạng lưới trở nên linh hoạt hơn, hiệu suất sử dụng cao hơn và dễ quản lý hơn.

Khái niệm về mạng SDN Trên thế giới hiện có nhiều định nghĩa về mạng SDN nhưng theo tổ chức ONF (Open Networking Foundation – một tổ chức hỗ trợ phát triển SDN thông qua việc nghiên cứu các tiêu chuẩn mở phù hợp) thì mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một kiểu kiến trúc mạng mới, năng động, dễ quản lý, chi phí hiệu quả, dễ thích nghi và rất phù hợp với nhu cầu mạng ngày càng tăng hiện nay. Kiến trúc này phân tách chức năng điều khiển mạng (Control Plane) và chức năng vận chuyển dữ liệu (Forwarding Plane/Data Plane), điều này cho phép việc điều khiển mạng có thể lập trình được dễ dàng và hạ tầng mạng vật lý độc lập với các ứng dụng và dịch vụ mạng. Một cách định nghĩa khác theo quan điểm của chuyên gia phân tích Ramesh Marimuthu và Amresh Nandan (Gartner): Mạng được định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một cách tiếp cận kiến trúc để thiết kế, xây dựng và vận hành mạng và cho phép khả năng lập trình của các phần tử mạng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ có thể đạt được sự linh hoạt và tăng trưởng kinh doanh thông qua các sản phẩm dịch vụ mới với thời gian nhanh hơn để tiếp thị cùng với các hoạt động tự động và hiệu quả về chi phí.

SDN tách mặt phẳng điều khiển khỏi mặt phẳng chuyển tiếp, sự tách biệt này cho phép khả năng lập trình các chức năng điều khiển mạng độc lập với hạ tầng bên dưới [1]. Sự khác biệt giữa SDN với mạng truyền thống 16 Để hiểu rõ sự khác biệt giữa SDN và mạng truyền thống, chúng ta sẽ xem xét trên 2 khía cạnh: kiến trúc và tính năng của chúng. Về kiến trúc Đối với hệ thống mạng truyền thống, các thiết bị mạng lớp 2 và lớp 3 phải đảm nhận nhiều chức năng để đảm bảo hoạt động, ví dụ các chức năng của Layer switch hiện nay như VLAN, Spanning tree, Quality of Service, Security… và đa số các thiết bị mạng và các giao thức này hoạt động độc lập với nhau vì mỗi nhà sản xuất thiết bị cung cấp các giải pháp mạng khác nhau. Điều này tạo ra sự phân mảnh đối với toàn bộ hệ thống mạng đồng thời làm giảm hiệu năng hoạt động.

Đối với mạng điều khiển bằng phần mềm SDN, việc điều khiển được tập trung tại lớp Controller Layer, các thiết bị mạng chỉ có nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin do đó sự khác biệt giữa các nhà sản xuất sẽ không ảnh hưởng tới toàn hệ thống mạng. Điều này tương tự như sự phát triển của máy tính hiện nay, mỗi máy tính được sản xuất và cung cấp bởi các hãng khác nhau (như Dell, HP, IBM, Apple, Google.) và chạy các hệ điều hành khác nhau (như Windows, MacOS, Linux, Unix, …) nhưng đều có khả năng truy cập và sử dụng internet dựa trên giao thức mạng TCP/IP [2]. Về phía người quản trị mạng, họ không cần trực tiếp làm việc tại các thiết bị mạng để cấu hình, tích hợp vào hệ thống mà chỉ cần thông qua các API đã được cung cấp cùng với kiến thức cơ bản về TCP/IP đều có thể xây dựng ứng dụng cho toàn hệ thống mạng. Với khả năng quản lý tập trung, SDN mang lại nhiều lợi ích tuy nhiên cũng mở ra nhiều nguy cơ về bảo mật hơn so với hệ thống mạng truyền thống.

Có thể thấy sự khác biệt cơ bản (Hình 1.1) giữa mạng truyền thống và mạng SDN cụ thể qua 3 điểm sau: Hình 1.1 - So sánh kiến trúc mạng truyền thống và SDN 17  Chức năng điều khiển và chức năng chuyển tiếp dữ liệu trên mạng truyền thống đều được tích hợp trong cùng một thiết bị mạng trong khi trong mạng SDN, phần điều khiển được tách riêng khỏi thiết bị mạng và được chuyển đến một thiết bị được gọi là bộ điều khiển SDN.  Chức năng thu thập và xử lý các thông tin: Đối với mạng truyền thống, chức năng này được thực hiện ở tất cả các phần tử trong mạng còn trong mạng SDN, nó được xử lý tập trung tại bộ điều khiển SDN.  Mạng truyền thống không thể được lập trình bởi các ứng dụng. Việc cấu hình các thiết bị mạng được thực hiện một cách riêng lẻ và thủ công.

Trong khi đối với SDN, mạng sẽ được lập trình bởi các ứng dụng, bộ điều khiển SDN có thể tương tác đến tất cả các thiết bị trong mạng. Phần điều khiển được tách rời và được tập trung ở bộ điều khiển SDN. Điều này có nghĩa là các thiết bị mạng ở lớp thiết bị phần cứng không cần phải hiểu và xử lý các giao thức phức tạp mà chúng chỉ nhận và vận chuyển dữ liệu theo một đường nào đó dưới sự chỉ huy của bộ điều khiển SDN. Dựa vào bộ điều khiển SDN mà các nhà khai thác và quản trị mạng có thể lập trình cấu hình trên đó thay vì phải thực hiện thủ công hàng ngàn câu lệnh cấu hình trên các thiết bị riêng lẻ.

Điều này giúp triển khai các ứng dụng mới và các dịch vụ mạng một cách nhanh chóng. Về tính năng Sự khác biệt căn bản nhất giữa SDN và mạng truyền thống là SDN dựa trên phần mềm trong khi mạng truyền thống thường dựa trên phần cứng. Do dựa trên phần mềm, SDN linh hoạt hơn, cho phép người dùng kiểm soát tốt hơn và dễ dàng quản lý tài nguyên hầu như trên chỉ trên mặt phẳng điều khiển. Ngược lại, các mạng truyền thống sử dụng các bộ chuyển mạch, bộ định tuyến và cơ sở hạ tầng vật lý khác để tạo kết nối và giao tiếp trên mạng [3].

Bộ điều khiển SDN sử dụng giao diện giao tiếp với các API. Với giao diện này, các nhà phát triển ứng dụng có thể lập trình trực tiếp mạng, trái ngược với việc sử dụng các giao thức được yêu cầu bởi mạng truyền thống. SDN cho phép người dùng sử dụng phần mềm để cung cấp các thiết bị mới thay vì sử dụng cơ sở hạ tầng vật lý, do đó, quản trị viên có thể định tuyến đường truyền, lưu lượng cũng như chủ động lập lịch cho các dịch vụ mạng. Không giống như các thiết bị chuyển mạch truyền thống, SDN còn có khả năng giao tiếp tốt hơn với các thiết bị sử dụng mạng.

Ảo hóa là điển hình cho sự khác biệt chính giữa SDN và mạng truyền thống. Khi SDN ảo hóa toàn bộ mạng, nó sẽ tạo một bản sao của mạng vật lý và cho phép cung cấp tài nguyên từ một vị trí tập trung. Ngược lại, với một mạng truyền thống, vị trí vật lý của mặt phẳng điều khiển (nằm phân tán trên các thiết bị mạng) sẽ cản trở khả năng quản trị viên có thể kiểm soát luồng lưu lượng. 18 Với SDN, mặt phẳng điều khiển được xây dựng dựa trên phần mềm, cho phép truy cập thông qua một thiết bị được kết nối.

Quyền truy cập này cho phép quản trị viên quản lý lưu lượng từ giao diện người dùng tập trung (UI) với độ chi tiết và chính xác cao. Vị trí tập trung này cho phép người dùng kiểm soát tốt hơn cách thức hoạt động của mạng và cách cấu hình mạng. Khả năng xử lý nhanh các cấu hình mạng khác nhau từ giao diện người dùng tập trung đặc biệt có lợi thế trong việc phân tách và quản lý các node mạng. SDN trở thành một giải pháp thay thế phổ biến cho mạng truyền thống vì nó cho phép các quản trị viên quản lý tập trung và cung cấp tài nguyên, băng thông khi cần mà không cần đầu tư thêm cơ sở hạ tầng vật lý.

Mạng truyền thống đòi hỏi phần cứng mới để tăng dung lượng mạng. Mô hình cho SDN so với kết nối mạng truyền thống có thể tóm tắt đơn giản như việc với một cái thì yêu cầu nhiều thiết bị hơn để mở rộng và cái còn lại chỉ cần gõ phím và thao tác trên một màn hình! 1. Tìm hiểu kiến trúc của SDN Về cơ bản, SDN được chia làm ba lớp: lớp ứng dụng (Application Layer), lớp điều khiển (Control Layer) và lớp thiết bị hạ tầng (Infrastructure Layer). Các lớp sẽ liên kết với nhau thông qua giao thức hoặc các API (Hình 1.2 - Kiến trúc SDN Lớp ứng dụng SDN là các chương trình giao tiếp với bộ điều khiển SDN thông qua các giao diện lập trình ứng dụng API, cho phép lớp ứng dụng lập trình (cấu hình) mạng (ví dụ như điều chỉnh các tham số trễ, băng thông, định tuyến, …) qua lớp điều khiển để tối ưu hoạt động của mạng lưới theo một yêu cầu cụ thể của người quản trị.

Ngoài ra, các ứng dụng sẽ đưa ra mô hình trực quan về mạng lưới bằng cách thu thập thông tin từ bộ điều khiển cho các mục đích ra quyết định. Các ứng dụng này có thể bao gồm quản lý mạng, phân tích hoặc các ứng dụng kinh doanh được sử dụng để chạy các trung tâm 19 dữ liệu lớn. Ví dụ: Một ứng dụng phân tích có thể được xây dựng để nhận ra hoạt động mạng đáng ngờ vì mục đích bảo mật.