بخشی از مقاله
استفاده از SDN برای ابری کردن زیر سیستمهای چندرسانهای مبتنی بر (IMS) IP
چکیده
زیرسیستم چند رسانهای مبتنی بر پروتکل IP یا ( IMS ) استاندارد ارتباطاتی ارائه شده توسط ( 3GPP ) است که بر پایه ایجاد نسل جدید شبکه (NGN) با هدف یکپارچه سازی خدمات صوتی، تصویری و متنی در بستر شبکه های سلولار و بی سیم توسعه یافته است. گسترش و توسعه IMS در مقیاس گسترده، دو مانع بزرگ عدم مقیاسپذیری((Scalability و ارتجاعی بودن (Elasticity) را به دنبال خواهد داشت. ابری کردنIMS می تواند با توجه به مزایای ذاتی پردازش ابری((Cloud Computing، حل کننده این موانع باشد ولی با این وجود معماری های کنونی پاسخگوی مناسبی نبوده اند. معماری مجازی سازی توابع شبکه (NFV) رویکرد نو ظهوری است که باعث بهبود کارایی منابع، کنترل نوسان ترافیک وانعطاف پذیری می شود و با مجازی سازی عدم نیاز به سخت افزار را مهیا می کند. در این مقاله ابتدا IMS و فرایند ابری شدن توسط NFV را مورد مطالعه قرار داده و سپس به بررسی معماری پیشنهادی شبکه ی تعریف شده با نرم افزار (SDN) برای ابری کردن IMS خواهیم پرداخت که با جدا کردن سطوح داده، کنترل، هوشمندی و کنترل پذیری را فراهم کرده و به انسجام و مدیریت سیاست های کلی شبکه در حالت توزیع شده می انجامد.
کلمات کلیدی IMS: IP Multimedia Subsystem, cloud computing , NFV , SDN:
.1مقدمه
استاندارد توسعه یافته شرکت 3GPP، [1] IMS بستری مستقل برای کنترل سیگنالینگ نشست توسط پروتکل SIPفراهم میکند که ارتباط بین لایه انتقال بدون توجه به تکنولوژی دسترسی و لایه سرویس را با تعریف واسطهای مشخص، محقق مینماید. علاوه بر مجتمعسازی و کنترل نشست؛ امکان توسعه سرویس، تضمین کیفیت سرویس (QoS) و امکان محاسبه هزینه تحت یک چهارچوب واحد از دیگر ویژگیهای IMS است که فراهمکنندگان سرویس و اپراتورها را به سوی خود جلب میکند. معماریIMS از دو لایه اصلی کنترل و سرویس تشکیل شده است. جداسازی دو لایه سیگنالینگ و انتقال رسانه از ویژگیهای این معماری است. شکل (1) نمونه ساده ای از معماری IMS را نشان می دهد.[2] مولفه HSS مخزن اصلی برای ذخیره داده های مربوط به کاربران است این اطلاعات شامل اطلاعات موقعیتی و امنیتی وپروفایلی می باشد. مولفه CSCF، سرور SIP می باشد. سرور ارائه خدمات کاربردی(AS (Application Server، بستر پیاده سازی سرویسها را در محیط IMS فراهم می کند. دراستاندارد IMS، واسط های ISC، Sh و سیگنالینگ های مربوطه برای توسعه برنامه های چندرسانهای و ارزش افزوده تعریف شده اند.[2]
شکل(:(1 معماری [2] IMS
رایانش ابری [3] در کل، مجموع ارائه ی نرم افزار به صورت سرویس و محاسبات سودمند بر طبق خصیصه های ذاتی چون قابلیت ارتجاعی بودن و مقیاس پذیری ، تضمین کیفیت خدمات ، بهبود کارایی منابع و چابکی میباشد. رایانش ابری متشکل از مجموعهای از مدل های سرویس است. شکل((2 نشان دهندهی این موضوع می باشد کهاساساً رایانش ابری از سه سطح سرویس پایهای: ارائه ی زیرساخت به صورت سرویس( ( IaaS ، ارائهی سکو به صورت سرویس(( PaaS و ارائه ی نرم افزار به صورت سرویس ( ( SaaS تشکیل شده است .[3]
شکل(:(2 سه لایه سرویس پردازش ابری[2]
توسعه IMS در مقیاس گسترده، چالش هایی همچون عدم مقیاس پذیری و ارتجاعی بودن [2,7]، عدم درست تصدیق هویت، به وجود آمدن سر بار اضافه،کاهش سرعت سیستم و کاهش تضمین کیفیت خدمات [8,9] را ممکن می سازد چالش هایی اساسی که ما را از ویژگی های یک شبکه خوب دور می سازد. بنابراین رویکرد ترکیب با ابر با توجه به مزایای ذاتی پردازش ابری مثل قابلیت مقیاس پذیری و ارتجاعی بودن مدنظر قرار داده شد.[2] لذا ابری کردن IMS، رویکرد و معماری نو ظهوری را می طلبید چرا که ترکیب این دو مفهوم نیازمند برقراری زیرساخت ها و انسجام جزئیات ها در کنارمدیریت قابلیت ها در جهت مکمل بودن و رفع نیازها، افزایش کارایی و بهبود صحیح باید هاست. رفع چالش های IMS به خصوص مقیاس پذیری و ارتجاعی بودن در مقیاس گسترده از اهداف اصلی ترکیب با ابر بود.[2]معماری هایی در این زمینه پیشنهاد شده است هر یک بخش های مختلفی را در بستر ابر قرار داده اند ولی با وجود تجهیزات جدید و تمایل کاربران به ارزانی، کیفیت، سرعت خدمات مورد استفاده و عدم کارایی بالای این رویکرد ها را ممکن می سازد. استفاده از NFV (Network Function Virtualization) رویکردی است که با مجازی سازی توابع شبکه [4]، توانست نتیجه مطلوبی در رفع چالش ها ارائه دهد ولی به نظر می رسد پیاده سازی سیاست های منسجم و کلی شبکه بدون وجود مدیریت متمرکز و دقیق با مشکل روبرو شود در ضمن از کارایی این ساختار در مقیاس گسترده ارزیابی صورت نگرفته است.در این مقاله [5,6] SDN(Software Define Network) را رویکرد پیشنهادی قرار دادیم چرا که برای رفع چالش های اساسی، مدیریتی متمرکز با زیر ساخت قدرتمند را لازم می دانیم. SDN این قابلیت را ممکن می سازد که در مقابل در خواست های زیاد کاربران، سیستم انعطاف پذیری بالایی را از خود نشان دهد.
.2راهکارهای گذشته
بزرگترین چالش پیش روی معماری های پیشنهادی عدم برقرای هم زمان مقیاس پذیری و ارتجاعی بودن است.[2,7] به عبارت دیگر افزایش دیگری باعث کاهش دیگر عوامل می شد. از جمله چالش های اثر گذار دیگر با توجه تعداد بسیار زیاد مراجعه در بخش پایگاه داده حاصل می شد.[14] بهبود تضمین کیفیت خدمات [24] و امنیت به خصوص عمل سیگنالینگ [10,11] SIP روی بستر ابر از دیگر چالش های پیش رو است. در ادامه به تشریح چالش ها خواهیم پرداخت اغلب از [12]OpenStack، [13]Eucalyptos، [14]OpenNebula برای شبیه سازی بهره گرفته اند.مرجع [15] با تمرکز روی HSS به ارائه معماری پرداخته است بدین صورت که با توزیع HSS در منابع و لایه مدیریت هدف گذاری کرده است با این کار مقیاس پذیری در منابع را بهبود بخشیده ولی با این حال ارتجاعی بودن در سطح های بزرگ و گسترده به عنوان چالش باقی خواهد ماند. تحقیقاتی هم در زمینه حوزه پایگاه داده انجام شده است. مرجع [14] مقیاس وکشش پذیری پایگاه داده در ابر را مطرح کرده است در این مورد بحث جامعیت ادرس های پایگاه داده با توابع IMS مطرح و چالش جدیدی را به دنبال دارد. بحث وجود خدمات و قابلیت ها روی ماشین مجازی با وفق شدن IMS از جملهی شبیه سازیها با اکالیپتوس [13] می باشد. ولی بحثی از مقیاس پذیری و ارتجاعی بودن ارائه نشده است تحقیق هایی هم در حوزه مجازی سازی[16] گره های پیچیده مثل CSCFها [7,17] مطرح گردیده است اما گارانتی برای چالش ها وجود ندارد.شرکت ETSI، [4] NFV را معرفی کرد و در این راستا ابری کردن IMS با رویکرد NFV از جمله ترکیب های جدیدی است که انجام شده است.[18] می دانیم که NFV مجازی سازی توابع شبکه ، یک مفهوم معماری شبکه است که با استفاده از مجازی سازی، فناوری اطلاعات را بنا به تکنولوژی های مجازی سازی، داخل توابع گره های شبکه پیشنهاد میدهد تا بتوانیم بلاک هایی که به هم متصل می شوند یا سرویس های ارتباطی را ایجاد میکنند، بسازیم. از جمله این مثال ها می توان به load balancer های مجازی شده، فایروال ها اشاره کرد. روند عملکردی IMS از یک سو و فرایند مجازی سازی توابع شبکه از سوی دیگر به نظر راهکار مناسبی برای ابری کردن IMS می رسد. نتایج انجام شده نشان می دهد که این ساختار باعث بهبود کارایی منابع، مدیریتی انعطاف پذی و کنترل ترافیک سیستم میشود.با این حال چالش هایی را پیش رو دارد چرا که جنبه دیگر اجرای NFV، فرآیند تنظیم است . برای ساخت سرویس های مقیاس پذیر با قابلیت اعتماد بالا، NFV نیاز دارد تا شبکه را مانیتور کند و در صورت نیاز گامی در جهت تعمیر بردارد. درواقع ضرورت نیاز به لایه مدیریتی و کنترلی متمرکز احساس می شود.[19] از آنجایی که پیادهسازی سیاستهای کلی شبکه (مانند سیاستهای امنیتی و کیفیت سرویس) به صورت توزیع شده انجام میشود.تضمین انسجام آن در کل شبکه از دیگر چالش هاست. افزودن تجهیزات جدید به شبکه در راستای بهبود مقیاسپذیری آن، چندان ساده نبوده و نیاز به پیکربندی سایر تجهیزات شبکه دارد تا بتوانند با استفاده از پروتکلهای توزیع شده با تجهیز جدید کار کنند.
.3راهکار پیشنهادی
SDN یک معماری نوظهور شبکه است که کنترل شبکه در آن، از انتقال ترافیک مجزا بوده و به طور مستقیم برنامه ریزی میشود .[20,21] این مهاجرت به کنترل شبکه کهقبلاً محدود به سخت افزار شبکه بود، ماشین های مجازی و زیرساخت شبکه را قادر می سازد انواع سرویسها و خدمات جدیدی را تعریف و ارائه کند و با طیف جدیدی از برنامه های کاربردی برای انعطاف پذیری بیشتر شبکه و دسترسی گسترده تر به داده های ردو بدل شده، ارتباط برقرار کنند. در واقع SDN مجموعهای از تکنیکهاست که امکان طراحی و بهرهبرداری از سرویسهای شبکه را به صورت پویا و کاملا شفاف را تحت مدیریتی متمرکز ایجاد میکند .[21] مزایای معماری :SDN
· کنترل شبکه مستقل از سازنده است و میتوان پروتکلهای مختلف را در قالب برنامههای کاربردی متفاوت پیادهسازی کرد.
· کنترل و مدیریت شبکه را میتوان با استفاده از برنامههای کاربردی کنترلر خودکارسازی کرد.
· به دلیل وجود یک دید کلی از شبکه در کنترلر،کنترل بهتر، دقیقتر شبکه، تضمین QoS و QoE بالاتر میباشد
· از منابع شبکه با کنترل همه جریانهای شبکه بر اساس سیاستهای مختلف، بهینه استفاده می کند
· پیادهسازی منسجم سیاستهای انتها به انتها امنیتی و کیفیت سرویس در شبکه را بر عهده می گیرد.
· انعطاف پذیری در مقیاس گسترده و مشروط بودن مقیاس پذیری از دیگر ویژگی ها می باشد.
با توجه به ساختار عملکردی SDN، گزینه پیشنهادی خوبی برای ابری کردن IMS می تواند باشد چرا که IMS زیر ساختی قدرتمند با معماری امن و دقیق می خواهد تا بتواند علاوه بر رفع چالش ها، خدمات با کیفیت و ارزان در بستر ابر به کاربران ارائه دهد.[1,2,7]در معماری SDN سطوح داده و کنترل از یکدیگر جدا شده و شبکه هوشمندتر و کنترل پذیرتر میگردند و زیر ساخت اصلی شبکه از برنامه های کاربردی جدا شده است در نتیجه اجرای ساختارSDN، پروتکل[20,21] OpenFlow، صفحه اطلاعات و صفحه کنترل را جدا می کند. بنابراین به طوری که انعطاف پذیر باشد، برنامه ریزی نصب، راه ا ندازی، مدیریت قوانین ارسال، تصویب و مجاز شده اند. البته باید متوجه بود که این تکنولوژی نو ظهور با ساختار جداشده، مصرف منابع شبکه و محاسبات اضافی را افزایش می دهد[22] لذا بایستی شرایط کنترل شود یا ساختار های بهینه جایگزین شرایط فعلی شود با این حال به دلیل نیاز به مقرون به صرفه بودن ایده ها و پیاده سازی راحت آنها، SDN به نظر پاسخگوی خوبی است.[23,24]ما با توجه به قابلیت های [23,24] SDN، استفاده از آن را برای ابری کردن IMS پیشنهاد می کنیم ما معتقدیم که جدا سازی کارکردهای شبکه از یکدیگر و وجود کنترل کننده مرکزی هوشمندی را به ارمغان اورده و باعث بهینه بودن منابع و کارایی ها می باشد به دلیل وجود کنترلر می توان به مانیتورینگ سیستم پرداخته و به رفع هر چه سریعتر چالش ها پرداخت. رویکرد پیشنهادی ما بر اساس ساختار دو فناوری بر اساس شکل (3) خواهد بود. در معماری پیشنهادی هسته اصلی IMS تحت مدیریت مرکزی SDN کنترل می شود. این هسته می تواند به صورت بسته های مجازی سازی شده(ساختار لوله ای که لوله ها، IMS مجازی شده می باشند) در اختیار نرم افزار کنترل SDN قرار گیرد. برقرای ارتباط بین لایه ها نیازمند پروتکل های قدرتمند می باشد.
