Introdução a Software-defined Networks
- 2. Introdução às SDN A necessidade da criação das SDN.. ● Mudanças de hábitos dos utilizadores ○ Aumento do consumo em equipamentos móveis ■ Rede não desenha para o efeito ○ Necessidade de garantias e não apenas de velocidade ■ Menor delay possível, evitar perdas de pacotes, baixar o jitter... ● Aumento da complexidade das redes ● Dependências de fabricantes
- 3. Introdução às SDN A necessidade da criação das SDN.. ● Mudanças de hábitos dos utilizadores ● Aumento da complexidade das redes ○ Crescente número de protocolos ■ Difícil configuração dos equipamentos ■ Requer equipamentos mais poderosos ($$$) ● Dependências de fabricantes
- 4. Introdução às SDN A necessidade da criação das SDN.. ● Mudanças de hábitos dos utilizadores ● Aumento da complexidade das redes ● Dependências de fabricantes ○ Protocolos exclusivos de certos fabricantes ○ Configurações dependentes dos equipamentos ■ Mais grave em redes de grandes dimensões
- 5. Introdução às SDN Para combater as dificuldades... ● Produção de equipamentos mais poderosos ○ Equipamentos mais caros para lidar com a maior necessidade do processamento ● Estagnação do desenvolvimento das redes ○ Complexidade torna a inovação difícil ● Diminuição da privacidade dos utilizadores para dar garantias ○ Analisando o tráfego do utilizador para saber a prioridade a dar ■ São as operadoras que escolhem as prioridades (Traffic shapping)
- 6. Introdução às SDN - Breve história ● Começou a ser falada no final dos anos 90 ○ Primeiro impulso por engenheiros da AT&T (Geoplex) ● Fundação da WebSprocket ● Primeiro teste SDN em 2001 pela Ericsson e WebSprocket ● Perdeu força no final 2001 com a crise ○ Mas continuou a ser trabalhado em universidades... ● Ganhou notoriedade em 2011 com a criação da Open Networking Foundation ○ Fundada por grandes empresas na área das telecomunicações (Google, Verizon, Microsoft...)
- 7. Introdução às SDN O SDN é uma arquitetura de rede onde a camada de controlo é separada da camada de dados e é diretamente programável.
- 8. Introdução às SDN O “cérebro” da rede passa a estar no controlador programável. Comunicação controlador/switch através de uma nova interface ● OpenFlow
- 9. OpenFlow ● Standard de comunicação entre o controlador e o dispositivo de rede (switch/router) definindo: ○ Conjunto de mensagens que pode ser trocada entre estes ○ Características dos switches ● Abstrai-se do modelo das redes tradicionais TCP/IP baseados em camadas para criar um modelo onde as camadas de transporte e internet são agrupadas criando o conceito de layerless.
- 10. OpenFlow - Conceitos básicos Novos conceitos: ● Flow - Sequência de pacotes de uma origem para um destino ○ Identificação mais comum: 5-tuple (IP dest/orig, porta dest/orig e protocolo de transporte) Flow entry Flow table Match
- 11. OpenFlow - Funcionamento Registo de uma nova entrada
- 12. OpenFlow - Mensagens básicas Recebe todas as mensagens enviadas pelo switch ● Iniciar sessão switch/controlador (Hello) ● Novo pacote (Packet-in) ● Remoção de flow-entry (Flow-removed) Envia mensagens para o switch ● Enviar pacote e nova flow-entry (Packet-out) ● Modificar o estado de um flow (Modify-state) ● Ver estado atual (Read-state)
- 13. OpenFlow - Controlador Qualquer dispositivo com uma porta compatível com o OpenFlow (ex.: RJ-45) e com um software SDN compatível instalado. Exemplo de controlador
- 14. OpenFlow - Controlador ● Adicionar novo flow: ArrayList<OFAction> actions = new ArrayList<OFAction(); actions.add(myFactory.actions().buildOutput() .setPort(OFPort.of(1)) .build()); OFFlowAdd flow = myFactory.buildFlowAdd() .setMatch(myfactory.buildMatch() .setExact(MatchField.IN_PORT, OFPort.of(1)) .setExact(MatchField.ETH_TYPE, EthType.IPv4)) .build()) .setActions(actions) .build(); sw.write(flow);
- 15. Exemplo de aplicação - Controlo e admissão de tráfego Construir uma lógica de controlador SDN com o objetivo de: ● Diminuir a complexidade da rede ○ Reduzir o número de protocolos ○ Simplificar o processamento ● Atribuição de garantias sem deep packet inspection (DPI) ○ Evitar problemas de privacidade ● Eficiente na gestão de recursos ○ Reduzir o custo dos equipamentos
- 16. Gestão de recursos ○ Distribuição irregular de largura de banda ■ Elevado número de flows no núcleo ■ Baixo número de flows na periferia Construção de duas lógicas de controlo
- 17. Gestão de recursos Lógica de ingresso Baixo número de flows -> Baixo processamento Lógica central Elevado número de flows -> Elevado processamento
- 18. Gestão de recursos - Criação de 2 lógicas Lógica de ingresso Baixo número de flows -> Baixo processamento Lógica central Elevado número de flows -> Elevado processamento Simplificar processamento
- 19. Gestão de recursos - Criação de 2 lógicas Lógica de ingresso Processamento e análise dos flows ● Recolher informação do estado da rede ● Encaminhamento do tráfego conforme o estado da rede ○ Controlo de flows ● Rotular o tráfego ○ Verificação do tipo de tráfego ○ Adicionar cabeçalho identificador Lógica central Encaminhamento dos flows ● Informar o seu estado aos controladores de ingresso quando requisitado ● Encaminhar o tráfego rotulado ● Não se preocupa com os outros switches na zona central
- 20. Gestão de recursos - Criação de 2 lógicas Comunicação entre controladores: ● Criadas diferentes tipos de mensagens: ○ Informação de estado ■ Informa qual o estado atual do switch (total de largura de banda ocupada) ○ Nova reserva ■ Pede uma nova reserva de largura de banda
- 21. Gestão de recursos - Características do tráfego ● Comportamento on-off ○ Variação da largura de banda utilizada
- 22. Gestão de recursos - Características do tráfego ● Overprovisioning Overprovisioning
- 23. Gestão de recursos - Conhecimento do tráfego ● Tráfego de curto duração ○ 70% dos flows são extintos passados 5 segundos ■ Ineficiência de mecanismos de reserva
- 24. Diminuição da complexidade ● Classificar apenas flows de longa duração ○ Diminui o processamento necessário e tráfego gerado/ ● Utilização do OpenFlow ○ Um único protocolo existente na rede ○ Independente do switch (qualquer modelo/marca que suporte OpenFlow) ○ Facilmente adaptável e reconfigurável ● Metodologia first-come, first served ○ Não requer técnicas de identificação de tráfego avançadas ○ Não é existe discriminação de tráfego ○ Diminui o processamento necessário
- 25. Qualidade de serviço ● Metodologia first-come, first served ○ Não requer técnicas de identificação de tráfego avançadas ○ Não existe diferenciação de tráfego* ● Definição de diferentes classes com diferentes garantias ○ Classe 1 - Qualidade de serviço garantida para tráfego VoIP e tráfego core ○ Classe 2 - Qualidade de serviço garantida após análise dos requisitos ○ Classe 3 - Classe best-effort ○ Classe 4 - Classe de sondagem (probing)
- 26. Qualidade de serviço ● Definição de diferentes classes com diferentes garantias ○ Classe 1 - Qualidade de serviço garantida para tráfego VoIP e tráfego core ■ Garante baixa latência ■ Garante delay Único tráfego diferenciado devido a maiores necessidades a nível de delay e latência, no entanto requer largura de banda muito baixa.
- 27. Qualidade de serviço ● Definição de diferentes classes com diferentes garantias ○ Classe 1 - Qualidade de serviço garantida para tráfego VoIP e tráfego core ○ Classe 2 - Qualidade de serviço após análise de requisitos ○ Classe 3 - Classe best-effort ○ Classe 4 - Classe de sondagem (probing) ■ Classe transitória onde são analisadas as características do flow
- 28. Qualidade de serviço ● Definição de diferentes classes com diferentes garantias ○ Classe 1 - Qualidade de serviço garantida para tráfego VoIP e tráfego core ○ Classe 2 - Qualidade de serviço após análise de requisitos ■ Atribuída largura de banda necessária durante a sua existência ■ Acesso limitado à capacidade da ligação
- 29. Qualidade de serviço ● Definição de diferentes classes com diferentes garantias ○ Classe 1 - Qualidade de serviço garantida para tráfego VoIP e tráfego core ○ Classe 2 - Qualidade de serviço após análise de requisitos ○ Classe 3 - Classe best-effort ■ Tráfego sem garantias
- 30. Qualidade de serviço ● Identificação das classes ○ Através de um cabeçalho adicionado ao pacote ■ Adicionado na zona de ingresso
- 31. Qualidade de serviço - Lifecycle flow Determinação da classe de um flow
- 32. Recolher dados ● Recolhidos dados através dos controladores ○ Coletivos (por classe/porta) ■ Número de bits transmitidos por porta ■ Número de bits transmitidos por classe ■ Número de flows ativos ■ Instante de medição ○ Individuais (por flow) ■ Jitter e delay ■ Número de pacotes perdidos ■ Número de bits transmitidos
- 33. Cenário de simulação ● Tráfego simulado ○ Utilizado o iperf ○ Tempos de inicio e duração aleatórios através de distribuições aleatórias exponenciais e aleatórias tendo em conta os pesos reais
- 34. Cenário de simulação ● Dois momentos distintos ○ Rede com pouca carga ○ Rede em sobrecarga ● Capacidade da rede ○ Garantias - 50mb ○ Ligação - 80mb
- 35. Resultados - Carga no troço ● Valores acima da capacidade ○ Limitação por software com limitações na precisão em picos ○ Intervalo de leitura
- 36. Resultados - Chamada de voz ● Jitter ○ Valores abaixo do máximo recomendado - 2 milissegundos
- 37. Resultados - Chamada de voz ● Delay ○ Valores abaixo do máximo recomendado - 150 milissegundos
- 38. Resultados - Outras classes ● Jitter ○ Valores bastante superiores sem garantias ● Pacotes perdidos ○ Valores mais elevados sem garantias
- 39. Resultados - Eficiência Taxa de ocupação de banda largura com garantias 58,14% vs 44,15% Overprovisioning On Overprovisioning Off
- 40. Resultados - Eficiência ● Tempo de classificação máximo ○ Com overprovisioning ■ 14 segundos ○ Sem overprovisioning ■ 6 segundos
- 41. Resultados - Eficiência ● Overhead gerado (tráfego de controlo gerado na rede) ○ Cerca de 3% do tráfego total da rede ○ Pouca variação com o aumento do tráfego na rede ○ Picos em alturas de criação de flows
- 42. Resultados - Modificação do probing ● Número de flows ○ Variar a largura de banda da classe de probing Condição inicial: ❏ Link - 80mb ❏ Classe 2 - 50mb ❏ Restantes - ilimitadas
- 43. Resultados - Modificação do probing ● Largura de banda dos flows ○ Variar a largura de banda da classe de probing Condição inicial: ❏ Link - 80mb ❏ Classe 2 - 50mb ❏ Restantes - ilimitadas
- 44. Conclusão ● Sistema escalável ○ Utilização da rede mantem-se estável mesmo durante picos de utilização ● Qualidade de serviço garantida a certos flows ○ Mesmo durante picos de utilização, flows com garantias não viram a sua ligação piorar e mantiveram-se dentro dos níveis estipulados ● Diminuição da complexidade ○ Simplificação do núcleo da rede através de identificação dos pacotes ○ Redução do número de protocolos em utilização
- 45. Conclusão SDN ● Controlo centralizado da infraestrutura ● Compatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes ● Aumento da capacidade de inovação ● Aumento da robustez das redes ○ Processamento centralizado diminui a probabilidade de ocorrerem problemas ○ Caso ocorram, mais fácil resolver ● Diminuição da complexidade da rede