SDN: Das steckt hinter Software Defined Net­wor­king

Software Defined Net­wor­king (SDN) ist ein Netz­werk­kon­zept, das die zentrale, in­tel­li­gen­te Ver­wal­tung und Steuerung der einzelnen Hardware-Kom­po­nen­ten mithilfe von Software er­mög­licht. Der Einsatz offener Pro­to­kol­le wie OpenFlow er­mög­licht dabei den Zugriff auf Netz­werk­ge­rä­te wie Switches, Router oder Firewalls, die an­dern­falls aufgrund von pro­prie­tä­rer Firmware nicht an­steu­er­bar wären.

Software Defined Net­wor­king be­schreibt eine Netz­werk­ar­chi­tek­tur, die ein rein soft­ware­ba­sier­tes Ma­nage­ment des Netzwerks er­mög­li­chen soll. Zu diesem Zweck wird die stan­dard­mä­ßig in den Hardware-Kom­po­nen­ten im­ple­men­tier­te Kon­troll­schicht (Control Plane) bzw. die Kontroll-Logik von der Hardware abs­tra­hiert – man spricht in diesem Zu­sam­men­hang auch von der In­tel­li­genz der Hardware, wobei es sich um nichts anderes als deren spe­zi­fi­sche Be­triebs­soft­ware (Firmware) handelt. Ver­ein­facht gesagt steht das SDN-Konzept also für die Trennung von In­fra­struk­tur und deren Kon­fi­gu­ra­ti­on.

Die Da­ten­schicht (Data Plane) bleibt hingegen Be­stand­teil der einzelnen Netz­werk­ge­rä­te (also aller im Netzwerk ein­ge­bun­de­nen Router, Switches und Firewalls). Ihre Aufgabe besteht beim SDN jedoch aus­schließ­lich in der Pa­ket­wei­ter­lei­tung, weshalb sie nur wenig Re­chen­kraft be­an­sprucht. Das bringt unter anderem den Vorteil mit sich, dass die Geräte keine aufwändig ent­wi­ckel­te Firmware benötigen und in der Regel we­sent­lich günstiger als bei anderen Netz­kon­zep­ten sind.

We­sent­lich komplexer ist das Auf­ga­ben­feld der abs­tra­hier­ten Control Plane, die in der SDN-Ar­chi­tek­tur für den ord­nungs­ge­mä­ßen Da­ten­ver­kehr zuständig ist und daher sämtliche hierfür re­le­van­ten Analysen durch­füh­ren muss. Losgelöst von der Hardware und in eine zen­tra­li­sier­te Software im­ple­men­tiert, ist sie beim Software Defined Net­wor­king jedoch in hohem Grade pro­gram­mier­bar und daher in Sachen Netz­werk­ad­mi­nis­tra­ti­on we­sent­lich flexibler, als es bei anderen Ar­chi­tek­tu­ren der Fall ist.

Damit die auf der Kon­troll­schicht agierende SDN-Software die An­wei­sun­gen für den ord­nungs­ge­mä­ßen Pa­ket­ver­kehr an die ein­ge­bun­de­nen Netz­werk­kom­po­nen­ten senden kann, bedarf es einer spe­zi­fi­schen Kom­mu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stel­le zwischen Control Plane und Data Plane. Die be­kann­tes­te Lösung hierfür ist OpenFlow. Verwaltet von der Open Net­wor­king Foun­da­ti­on (ONF) gilt das Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­to­koll als erste stan­dar­di­sier­te Schnitt­stel­le zwischen der Kontroll- und der Da­ten­ebe­ne einer Software-Defined-Net­wor­king-Ar­chi­tek­tur. Sie tritt in vielen SDN-Netzen an die Stelle der einzelnen ver­schie­de­nen Schnitt­stel­len der Netz­werk­ge­rä­te, womit nebenbei auch die Ab­hän­gig­keit von den Hardware-Her­stel­lern gemindert wird.

Steht die Kom­mu­ni­ka­ti­on zwischen Hardware und Software, kann sich der Ad­mi­nis­tra­tor über die Kon­trol­l­ebe­ne und die jeweilige SDN-Software schnell und pro­blem­los einen guten Ge­samt­über­blick über das Netzwerk ver­schaf­fen und die Netz­werk­ge­rä­te über die zentrale, soft­ware­ba­sier­te Steuerung managen. Dadurch lassen sich Da­ten­strö­me mit einer we­sent­lich höheren Effizienz lenken als in Netz­wer­ken, in denen die ver­schie­de­nen Kom­po­nen­ten jeweils über eine eigene Steu­er­lo­gik verfügen – was die Vir­tua­li­sie­rung und Ska­lier­bar­keit von Res­sour­cen erheblich ver­ein­facht. Be­güns­tigt wird dies außerdem dadurch, dass Routing- und Topologie-In­for­ma­tio­nen nicht mehr bruch­stück­haft auf alle Router verteilt sind, sondern an einem zentralen Ort zu­sam­men­lau­fen.

Je nach Anbieter bzw. Betreiber und ver­wen­de­tem Kom­mu­ni­ka­ti­ons­stan­dard variieren die Vor­stel­lun­gen und Ansätze zur Umsetzung von SDN-Struk­tu­ren. Dabei ist es al­ler­dings nicht immer möglich, eine scharfe Trenn­li­nie zwischen den einzelnen Modellen zu ziehen, sodass es durchaus vorkommt, dass ein Software Defined Network Elemente ver­schie­de­ner Ansätze aufweist.

Obwohl das soft­ware­ba­sier­te Prinzip grund­sätz­lich die best­mög­li­che Zen­tra­li­sie­rung der Netz­werk­ge­rä­te-In­tel­li­genz vorsieht, gibt es durchaus SDN-Ansätze, bei denen der Auf­ga­ben­be­reich der Control Plane auf mehrere Kon­troll­ein­hei­ten verteilt wird. Bei einem solchen asym­me­tri­schen Modell verfügen die einzelnen Systeme in der Regel über die minimal er­for­der­li­chen In­for­ma­tio­nen für den un­mit­tel­ba­ren Betrieb, sodass sie auch bei einem Ausfall der zentralen Kon­troll­ein­heit funk­tio­nie­ren. Im Vergleich zu dem tra­di­tio­nel­len sym­me­tri­schen Modell entstehen auf diese Weise al­ler­dings auch unnötige Red­un­dan­zen von In­for­ma­tio­nen.

Eine weitere Mög­lich­keit zur Ka­te­go­ri­sie­rung von Software Defined Net­wor­king ist ein Blick auf die Position der Kontroll-Logik. In hoch­gra­dig vir­tua­li­sier­ten Um­ge­bun­gen liegt es bei­spiels­wei­se nahe, die Prozesse der Control Plane von dem System erledigen zu lassen, auf dem auch der Hy­per­vi­sor, also der Manager der vir­tu­el­len Maschinen, gehostet wird. Führt man die SDN-Software auf diesem Host-System aus, hat man nämlich in jedem Fall die Ge­wiss­heit, dass die er­for­der­li­chen Ka­pa­zi­tä­ten für die ent­ste­hen­de Datenlast verfügbar sind. Die Al­ter­na­ti­ve zu diesem host­ba­sier­ten Ansatz ist es, die SDN-Ver­ar­bei­tung wie in tra­di­tio­nel­len Netz­wer­ken üblich auf de­di­zier­te Router zu verteilen und somit netz­ba­siert zu handhaben.

Ein drittes Software-Defined-Net­wor­king-Modell setzt den Fokus auf die Art und Weise, wie In­for­ma­tio­nen zwischen Control Plane und Data Plane wei­ter­ge­ge­ben werden. So gibt es ei­ner­seits die Option, dass die Kon­troll­in­stanz neue In­for­ma­tio­nen und Än­de­run­gen allen teil­neh­men­den Netz­werk­kno­ten vor­aus­schau­end via Broadcast oder Multicast über­mit­telt. Dieses so­ge­nann­te flood-based (dt. flut­ba­siert) oder auch proaktive SDN-Konzept ist dann von Vorteil, wenn die Zen­tra­li­sie­rung der In­tel­li­genz keine Rolle spielt, weil z. B. ein sym­me­tri­scher Ansatz verfolgt wird.

Je mehr Knoten ein Netzwerk hat, desto höher fällt bei einem solchen Nach­rich­ten­über­mitt­lungs­kon­zept al­ler­dings auch die Netzlast aus, was eine begrenzte Ska­lier­bar­keit zur Folge hat. In größeren Netz­wer­ken ist daher das floodless (dt. flutlos) bzw. reaktive SDN-Modell eine beliebte Al­ter­na­ti­ve: Die Control Plane stellt die korrekte Funktion aller Kom­po­nen­ten in diesem Fall durch eine kon­trol­lier­te, reaktive In­for­ma­ti­ons­wei­ter­ga­be sicher, bei der nur die jeweils be­trof­fe­nen Geräte ein­ge­spannt sind. Die re­le­van­ten In­for­ma­tio­nen beziehen diese dabei üb­li­cher­wei­se aus spe­zi­el­len Lookup-Tabellen, wobei verteilte Hashing- und Caching-Verfahren zum Einsatz kommen.

In den vor­an­ge­hen­den Ab­schnit­ten sind die grund­le­gen­den Un­ter­schie­de zwischen einem Netz, das auf dem SDN-Ansatz basiert, und einem klas­si­schen Netzwerk deutlich geworden. Der ent­schei­den­de Punkt ist hierbei zwei­fels­oh­ne die Trennung von Hard- und Software, die vor Jahren noch undenkbar war. Erst seit 2013 gibt es Geräte, die diesen ele­men­ta­ren Aspekt des Software Defined Net­wor­kings umsetzen können. Daher ist es wenig ver­wun­der­lich, dass die zu­kunfts­ori­en­tier­te Tech­no­lo­gie in vielen Firmen bis dato noch kein Thema war bzw. ist.

Die folgenden Ab­schnit­te fassen daher die we­sent­li­chen Un­ter­schie­de zwischen SDN und tra­di­tio­nel­lem Net­wor­king noch einmal über­sicht­lich zusammen, bevor zum Abschluss auch die Ziele und Vorteile sowie die konkreten An­wen­dungs­sze­na­ri­en von SDN zur Sprache kommen.

Parallel zu den An­for­de­run­gen, die an die Re­chen­leis­tung von Computern gestellt werden, steigen auch die An­for­de­run­gen an die Leis­tungs­fä­hig­keit von Netz­wer­ken kon­ti­nu­ier­lich: Während digitale Netze immer größer und komplexer werden, nimmt gleich­zei­tig auch der Grad an Vir­tua­li­sie­rung und der Wunsch nach maximaler Fle­xi­bi­li­tät und Ska­lier­bar­keit immer weiter zu. Da her­kömm­li­che Geräte, die mit einer eigenen In­tel­li­genz aus­ge­stat­tet sind und einen Großteil der Prozesse ei­gen­stän­dig ver­ar­bei­ten, diesen An­sprü­chen schon seit längerem nicht mehr gerecht werden können, ist das Software-Defined-Net­wor­king-Konzept ent­wi­ckelt worden. Mit spe­zi­fi­scher Hardware ohne eigene Kon­troll­in­stanz sollen eben jene Ziele erreicht bzw. An­for­de­run­gen gedeckt werden. Die Vorteile gegenüber tra­di­tio­nel­len Netz­wer­ken lassen sich dabei fol­gen­der­ma­ßen zu­sam­men­fas­sen:

• keine Kon­fi­gu­ra­ti­on einzelner Geräte oder Be­triebs­sys­te­me er­for­der­lich
• geringer Wartungs- und Ver­wal­tungs­auf­wand für das gesamte Netzwerk
• geringere Hardware- und Be­triebs­kos­ten
• er­mög­licht die dy­na­mi­sche Zuweisung und Über­wa­chung von Res­sour­cen in Echtzeit
• geringe Ab­hän­gig­keit von Hardware-Her­stel­lern

Dank seiner zahl­rei­chen Vorzüge gegenüber dem klas­si­schen Netz­werk­kon­zept ist SDN für eine Vielzahl von An­wen­dungs­fäl­len in­ter­es­sant. Unter anderem ist das soft­ware­de­fi­nier­te Netz­werk­mo­dell zum Beispiel für folgende Zwecke geeignet:

• Quality of Service (QoS): Der zentrale Überblick über alle Netz­werk­kno­ten er­leich­tert es dem Ad­mi­nis­tra­tor, nach­zu­voll­zie­hen, wie oft eine einzelne Ver­bin­dung be­an­sprucht wird. In Echtzeit kann er auf die dadurch ge­won­ne­nen Er­kennt­nis­se reagieren und den Da­ten­ver­kehr ent­spre­chend re­gu­lie­ren, um allen Teil­neh­mern zu jedem Zeitpunkt die ver­spro­che­ne Band­brei­te liefern zu können.
• Her­stel­ler­un­ab­hän­gi­ges Ge­rä­te­ma­nage­ment: Der Fokus auf ein ein­heit­li­ches Protokoll wie OpenFlow macht SDN zu einer her­vor­ra­gen­den Lösung, wenn Geräte ver­schie­de­ner Her­stel­ler in einem Netzwerk vereint und gemanagt werden sollen.
• Her­stel­ler­un­ab­hän­gi­ge Funk­ti­ons­er­wei­te­rung des Netzes: Die Frei­hei­ten der SDN-Tech­no­lo­gie sind außerdem für solche Szenarien eine gute Lösung, in denen Netzwerke jederzeit pro­blem­los um neue Funk­tio­nen er­wei­ter­bar sein sollen – auch dabei spielt den Nutzern die Un­ab­hän­gig­keit von Ge­rä­te­her­stel­lern in die Karten.
• An­wen­dungs­ge­steu­er­tes Paket-Routing: SDN schafft die Grundlage dafür, dass Dritt­an­wen­dun­gen in das Paket-Routing ein­grei­fen, also Routen im Netz ändern und anpassen, können. Vor­aus­set­zung hierfür ist, dass die Kon­troll­ein­heit über eine passende Schnitt­stel­le verfügt.
• Zentrale De­fi­ni­ti­on und Ver­tei­lung von Si­cher­heits­richt­li­ni­en (Security Policies): Über die zentrale Steu­er­ein­heit lassen sich – einfach und effizient – Si­cher­heits­richt­li­ni­en an die einzelnen Netzwerk-Switches wei­ter­ge­ben.

Dass der SDN-Ansatz in den ver­gan­ge­nen Jahren von diversen Netz­an­bie­tern auf­ge­grif­fen wurde, kommt nicht von ungefähr: Software Defined Net­wor­king optimiert den grund­le­gen­den Ansatz der Hardware-Vir­tua­li­sie­rung, indem es her­stel­ler­spe­zi­fi­sche Ein­schrän­kun­gen aufhebt und die Ad­mi­nis­tra­ti­on eines Netzwerks erheblich ver­ein­facht. Dank der Ent­kopp­lung der Logik aus der zu­grun­de­lie­gen­den Hardware und der damit ver­bun­de­nen Mög­lich­keit, das Netz per Software zu steuern, sind Netz­be­trei­ber bestens für künftige Ent­wick­lun­gen und Her­aus­for­de­run­gen in der IT-Branche gerüstet.