Was ist Software-Defined Networking?

Software-Defined Networking (SDN) ist ein Ansatz für die IT-Infrastruktur, der Netzwerkressourcen in ein virtualisiertes System abstrahiert. Dieser Prozess wird als Netzwerkvirtualisierung bezeichnet. SDN trennt Weiterleitungs- von Steuerungsfunktionen im Netzwerk mit dem Ziel, ein Netzwerk zu schaffen, das zentral gemanagt und programmiert werden kann. Es erfolgt also eine Trennung von Control Plane und Data Plane. Mit SDN kann ein IT-Operations-Team den Netzwerkverkehr in komplexen Netzwerktopologien über ein zentralisiertes Panel steuern, anstatt die einzelnen Netzwerkgeräte manuell zu bedienen.

Unternehmen setzen SDN ein, um auf die Einschränkungen traditioneller Infrastrukturen zu reagieren und eine zentralisierte, automatisierte und richtliniengesteuerte Kontrolle über ihre Systeme zu erhalten. Zu den besonderen Vorteilen von SDN gehören:

• Trennung von Control Plane und Data Plane: Die Control Plane ist für Entscheidungen darüber verantwortlich, wie Datenpakete weitergeleitet werden. Sie ist zentralisiert und in softwarebasierten Controllern implementiert. Die Data Plane, die für die eigentliche Weiterleitung von Datenpaketen durch das Netzwerk zuständig ist, verbleibt in hardwarebasierten Netzwerkgeräten – allerdings in vereinfachter und ausschließlich auf die Paketweiterleitung ausgelegter, spezialisierter Form. Bei traditionellen Netzwerken sind Control Plane und Data Plane normalerweise in Netzwerkgeräte wie Switches, Router und Zugangspunkte integriert. Dadurch entfällt eine zentralisierte Kontrolle.
• Zentralisierte Kontrolle: Software-Defined Networking bietet eine zentralisierte Kontrolle, da Netzwerkrichtlinien und -konfigurationen von einem zentralen Controller gemanagt und durchgesetzt werden. Bei traditionellen Netzwerken sind Netzwerkrichtlinien und -konfigurationen auf verschiedene Netzwerkgeräte verteilt.
• Geringere Kosten: Eine SDN-Infrastruktur ist häufig kostengünstiger als eine Hardwareinfrastruktur, da sie auf handelsüblichen Servern und nicht auf kostspieligen Spezialgeräten ausgeführt wird. Sie hat auch einen kleineren IT-Footprint, da mehrere Funktionen auf einem einzigen Server ausgeführt werden können. Dies bedeutet, dass weniger physische Hardware benötigt wird. Dadurch können Ressourcen konsolidiert werden, was den Platz- und Energiebedarf reduziert und insgesamt zu Kosteneinsparungen führt.
• Höhere Skalierbarkeit und Flexibilität: Durch die Virtualisierung Ihrer Netzwerkinfrastruktur können Sie Ihre Netzwerkressourcen nach Belieben bedarfsgerecht erweitern oder verringern, statt ständig neue proprietäre Hardware anschaffen zu müssen. SDN bietet Ihnen enorme Flexibilität, was auch eine Self Service-Provisionierung der Netzwerkressourcen ermöglichen kann.
• Programmierbarkeit und einfache Automatisierung: Bei Software-Defined Networking definieren Administrationsteams Netzwerkrichtlinien und -konfigurationen mithilfe von softwaredefinierter Logik und APIs. Dies ermöglicht eine dynamische Provisionierung und ein richtlinienbasiertes Management von Netzwerkressourcen und erleichtert so eine schnelle Bereitstellung und Anpassung an sich ändernde geschäftliche Anforderungen. Bei traditionellen Netzwerken müssen die Konfiguration und das Management von Netzwerkgeräten häufig manuell mithilfe von Befehlszeilenschnittstellen (CLIs) oder gerätespezifischen Konfigurationstools erfolgen.
• Vereinfachtes Management: SDN führt zu einer insgesamt einfacher zu bedienenden Infrastruktur, da für das Management keine hochspezialisierten Netzwerkprofis erforderlich sind. 

Software-Defined Networking kann in Verbindung mit Software-Defined Storage und anderen Technologien einen Ansatz für die IT-Infrastruktur bilden, der als Hyperkonvergenz bezeichnet wird: ein softwaredefinierter Ansatz für alle Komponenten.

Die Network Functions Virtualization (NFV) abstrahiert Netzwerkfunktionen von der Hardware und unterstützt Software-Defined Networking durch Bereitstellen einer flexiblen Infrastruktur, auf der SDN ausgeführt werden kann. 

Telekommunikationsunternehmen erhalten mit NFV die Flexibilität, Funktionen auf verschiedenen Servern auszuführen oder bei Bedarf zu verschieben, wenn sich die Nachfrage ändert. Durch diese Flexibilität können Telco-Serviceanbieter Dienste und Apps schneller bereitstellen. Wenn ein Kunde beispielsweise eine neue Netzwerkfunktion anfordert, kann der Anbieter eine neue virtuelle Maschine (VM) starten, die diese Anforderung verarbeitet. Wenn die Funktion nicht mehr benötigt wird, kann die VM außer Betrieb genommen werden. Dies kann eine risikoarme Methode sein, um den möglichen Wert eines neuen Service zu testen.

NFV und SDN können zweckbezogen zusammen verwendet werden. Dabei verwenden beide Standardhardware. Mit NFV und SDN können Sie eine Netzwerkarchitektur erstellen, die flexibler, leichter programmierbar und effizienter bei der Nutzung von Ressourcen ist.

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Bei einer SDN-Architektur werden die Netzwerkkontrollfunktionen von den Datenweiterleitungsfunktionen getrennt und Netzwerkintelligenz und -management in softwarebasierten Controllern zentralisiert. Außerdem können Netzwerkressourcen durch standardisierte APIs und Schnittstellen programmierbar, flexibel und skalierbar verwaltet werden. Die Architektur spiegelt direkt wider, wie sich Kontrolle und Verantwortung im Vergleich zu traditionellen Netzwerken verschieben.

Die Control Plane ist für allgemeine Entscheidungen darüber verantwortlich, wie Datenpakete durch das Netzwerk weitergeleitet werden. Bei SDN ist die Control Plane zentralisiert und in Software implementiert, die normalerweise auf einem zentralen Controller oder Netzwerkbetriebssystem ausgeführt wird. Der Controller kommuniziert mit Netzwerkgeräten mithilfe von Standardprotokollen wie OpenFlow, NETCONF oder gRPC und bietet so einen Gesamtüberblick über die Topologie und den Zustand des Netzwerks.

Die Data Plane, auch bekannt als Forwarding Plane oder Vermittlungselement, ist für das Weiterleiten von Datenpaketen gemäß den von der Control Plane erteilten Anweisungen im Netzwerk verantwortlich. Bei SDN ist die Data Plane in Netzwerkgeräten wie Switches, Routern und Zugangspunkten implementiert. Diese bezeichnet man als Vermittlungselemente. Diese Geräte erhalten von der Control Plane Anweisungen, wie Pakete weitergeleitet werden müssen, und können vereinfacht oder spezialisiert werden, sodass ihr Zweck ausschließlich in der Paketweiterleitung besteht.

Software-Defined Networking – Komponenten

Innerhalb der SDN-Architektur bestimmen mehrere Komponenten die Prozessabläufe.

Zwei Typen von APIs (Application Programming Interfaces) ermöglichen die Kommunikation zwischen den Ebenen und dem größeren Netzwerk:

• Southbound-APIs: Southbound-APIs werden in SDN-Architekturen für die Kommunikation zwischen der Control Plane und der Data Plane eingesetzt. Diese APIs erlauben es dem Controller, Netzwerkgeräte zu programmieren und zu konfigurieren, Informationen zu Topologie und Zustand des Netzwerks abzurufen und Benachrichtigungen über Netzwerkereignisse wie Verbindungsfehler oder Datenstau zu erhalten. OpenFlow gehört zu den gängigen Southbound-APIs. Es wird häufig für die Kommunikation zwischen dem Controller und den Netzwerk-Switches eingesetzt.
• Northbound-APIs: Mit Northbound-APIs wird die Funktionalität des SDN-Controllers für übergeordnete Netzwerkmanagementanwendungen und -services bereitgestellt. Über diese APIs können externe Anwendungen mit dem SDN-Controller interagieren, Netzwerkservices anfordern und Informationen zu Netzwerktopologie, Verkehrsflüsse und Performance-Metriken abrufen. Mithilfe von Northbound-APIs können Netzwerkmanagementaufgaben programmiert und automatisiert sowie Orchestrierungssysteme, Cloud-Plattformen und andere Managementtools integriert werden.

Außerdem ist der SDN-Controller die zentrale Komponente der SDN-Architektur. Er ist verantwortlich für das Implementieren von Netzwerkkontrollfunktionen und die Koordination der Kommunikation zwischen Control Plane und Data Plane. Der Controller bietet eine zentralisierte Übersicht über das Netzwerk, verwaltet Informationen zum Netzwerkzustand und bestimmt anhand von Netzwerkrichtlinien und -anforderungen, wie Netzwerkgeräte konfiguriert und gemanagt werden. Beispiele für SDN-Controller sind OpenDaylight, ONOS und Ryu.

Netzwerkgeräte wie Switches, Router und Zugangspunkte bilden die Data Plane der SDN-Architektur. Diese Geräte leiten Datenpakete gemäß den Controller-Anweisungen weiter und können über Features wie Flow-basierte Weiterleitung, QoS (Quality of Service) und Traffic Engineering unterstützen. Beim SDN werden Netzwerkgeräte oft vereinfacht und standardisiert, um die Programmierbarkeit und Interoperabilität mit dem Controller zu unterstützen.

Management und Orchestrierung (Management and Orchestration, MANO): SDN-Architekturen können auch Management- und Orchestrierungssysteme umfassen, die für die Provisionierung, Konfiguration und Überwachung von Netzwerkressourcen zuständig sind. MANO-Systeme interagieren mit dem SDN-Controller über Northbound-APIs, um Netzwerkmanagementaufgaben zu automatisieren, die Ressourcenauslastung zu optimieren und für Serviceverfügbarkeit und Performance zu sorgen.

SDN bietet verschiedene Vorteile für die Sicherheit:

• Da bei SDN eine zentralisierte Control Plane verwendet wird, ist das Durchsetzen von Sicherheitsrichtlinien einfacher als bei traditionellen Netzwerkmodellen. Mit SDN können Sicherheitsrichtlinien im gesamten Netzwerk konsistent und einfach durchgesetzt werden, wodurch das Risiko für Fehlkonfigurationen sinkt.
• Ein zentralisierter Controller bietet einen umfassenden Überblick über den Netzwerkverkehr, wodurch potenzielle Bedrohungen infolge der effektiveren Überwachung schneller erkannt werden.
• So ist eine Erkennung und Bekämpfung von Bedrohungen in Echtzeit möglich, da SDN die Netzwerkkonfigurationen dynamisch anpassen kann, sodass betroffene Segmente isoliert werden oder der Verkehr um die beschädigten Knoten herumgeleitet wird.
• Die zentralisierte Control Plane kann außerdem zulassen, dass Sicherheitsrichtlinien und -konfigurationen im gesamten Netzwerk automatisch aktualisiert werden. So wird sichergestellt, dass sämtliche Geräte gemäß den aktuellen Sicherheitsstandards zeitnah gepatcht und konfiguriert werden.
• SDN kann eine Mikrosegmentierung herbeiführen, sodass unterschiedliche Netzwerksegmente auf kleine Bereiche beschränkt isoliert werden können. Dadurch wird die Angriffsfläche vermindert, und potenzielle Bedrohungen bleiben auf spezielle Segmente beschränkt.
• Die zentralisierte Protokollierung und Analyse des Netzwerkverkehrs ermöglicht verbesserte Erkenntnisse über das Netzwerkverhalten und hilft, ungewöhnliche Aktivitäten und potenzielle Sicherheitsverletzungen zu erkennen.
• SDN kann problemlos in viele Sicherheitstools integriert werden, darunter IDS (Intrusion Detection Systems), IPS (Intrusion Prevention Systems), Firewalls und SIEM-Systeme (Security Information and Event Management).

Natürlich gibt es auch bei Software-Defined Networking sicherheitsrelevante Herausforderungen, die in der Regel mit der zentralisierten Autorität verbunden sind. Zu diesen Herausforderungen gehören:

1. Der SDN-Controller ist eine kritische Komponente und daher ein Single Point of Failure. Ein beeinträchtigter Controller kann zu einem kompletten Kontrollverlust über das gesamte Netzwerk führen.
2. Der SDN-Controller ist ein hochrangiges Ziel bei Angriffen. Seine Sicherheit ist für die Sicherheit des gesamten Netzwerks von höchster Priorität.
3. Außerdem muss durch starke Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmaßnahmen die sichere Kommunikation zwischen dem Controller und den Netzwerkgeräten sichergestellt sein, damit keine Nachrichten des Controllers abgefangen, manipuliert oder gefälscht werden können.
4. Genauso müssen APIs, die für die Kommunikation zwischen dem Controller und Anwendungen (Northbound-APIs) und zwischen dem Controller und Netzwerkgeräten (Southbound-APIs) verantwortlich sind, gegen unautorisierten Zugriff und Angriffe geschützt werden.

Je mehr sich Netzwerke weiterentwickeln, desto komplexer werden sie natürlich. Das Gleiche gilt für die mit ihrer Hilfe so leicht implementierten Richtlinien. Das Aufrechterhalten von konsistenten Sicherheitsrichtlinien in einer dynamischen SDN-Umgebung mit potenziell großem Umfang kann ein komplexes und fehleranfälliges Vorhaben sein. Eine weitere Herausforderung besteht darin, für Konfliktfreiheit zwischen Sicherheitsrichtlinien und deren konsistente Anwendung zu sorgen.

In Netzwerkarchitekturen müssen Sicherheitslösungen immer gemeinsam mit dem Netzwerk skaliert werden, damit zunehmende Verkehrsmengen und Geräte ohne signifikante Latenzzeiten oder Performance-Engpässe bewältigt werden können. Häufig überwiegen die Vorteile von SDN die damit verbundenen Herausforderungen, da eine zentralisierte Control Plane für Konsistenz sorgt und Sicherheits-Rollouts vereinfacht.

Software-Defined Networking (SDN) bietet einen flexiblen, programmierbaren und zentralisierten Ansatz für das Netzwerkmanagement, der auf eine Vielzahl von Use Cases in verschiedenen Branchen und Anwendungen angewendet werden kann.

• Bei der Optimierung von Rechenzentren führen die Netzwerkvirtualisierung und das automatisierte Netzwerkmanagement von SDN zu erhöhter Flexibilität und reduzierter Fehlerwahrscheinlichkeit.
• Bei der Network Functions Virtualization (NFV) kann SDN traditionelle Netzwerk-Appliances (wie Firewalls und Load Balancer) durch Software ersetzen, die auf handelsüblicher Hardware ausgeführt wird. So werden die Kosten reduziert und die Flexibilität erhöht. Mithilfe von SDN können Sie auch Serviceketten erstellen, bei denen Daten eine Reihe von VNFs durchlaufen und so einen anpassbaren Pfad für Datenpakete erhalten.
• Bei Campus- und Unternehmensnetzwerken sorgt das zentralisierte Richtlinienmanagement von SDN für konsistente Sicherheitsrichtlinien im gesamten Netzwerk. SDN kann die Zugriffskontrollen basierend auf Benutzeridentität, Gerät und Kontext auch dynamisch anpassen und so die Sicherheit und das Benutzererlebnis verbessern.
• SDN-Technologie kann für die Optimierung und das Management von WAN-Verbindungen (Wide-Area Network) verwendet werden und so für eine bessere Performance und Zuverlässigkeit von Fernnetzwerkverbindungen sorgen. Davon profitieren insbesondere Unternehmen mit mehreren Zweigstellen.
• Bei Cloud Computing und Multi Cloud-Integration ermöglicht SDN eine nahtlose Integration und ein problemloses Management von Multi Cloud-Umgebungen. So können Unternehmen effizient Ressourcen mehrerer Cloud-Anbieter nutzen und gleichzeitig skalierbare, sich dem Bedarf von Cloud-Anwendungen anpassende Netzwerklösungen anbieten.
• In IoT-Netzwerken (Internet of Things) bewältigt SDN die enormen Skalierbarkeitsanforderungen und bietet dynamische Netzwerkkonfigurationen, wenn neue Geräte hinzukommen. Zudem können aufgrund der zentralisierten Kontrolle konsistente Sicherheitsrichtlinien für sämtliche IoT-Geräte angewendet werden, was das mit ungesicherten Endgeräten verbundene Risiko reduziert.
• Bei 5G-Netzen ermöglicht SDN die Aufteilung in virtuelle Netzabschnitte (Network Slices), wobei jeder Abschnitt für den jeweiligen Servicetyp optimiert ist (beispielsweise niedrige Latenzzeiten für autonome Fahrzeuge, hoher Durchsatz für Videostreams).
• Bei Disaster Recovery und Business Continuity kann SDN Failover-Prozesse automatisieren, sodass Netzwerkservices bei Ausfällen zeitnah wiederhergestellt werden und flexiblere und effizientere Backup-Lösungen für Netzwerke möglich sind. So wird in herausfordernden Zeiten für Datenintegrität und -verfügbarkeit gesorgt.

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