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.