Protocol Oblivious Forwarding

Transcrição

1 Protocol Oblivious Forwarding Haoyu Song Huawei Technologies Sistemas em Redes 2017/01 Rafael Almeida

2 SDN e OpenFlow SDN mantém a inteligência da rede no software Separa o plano de controle do plano de dados

3 SDN e OpenFlow SDN mantém a inteligência da rede no software Separa o plano de controle do plano de dados Control plane Control plane Data plane Data plane Data plane Data plane Data plane Data plane Data plane

4 SDN e OpenFlow SDN mantém a inteligência da rede no software Separa o plano de controle do plano de dados Permite que eles evoluam separadamente

5 SDN e OpenFlow SDN mantém a inteligência da rede no software Separa o plano de controle do plano de dados Permite que eles evoluam separadamente OpenFlow é considerado um dos primeiros padrões SDN

6 OpenFlow Suporta muitos protocolos e ações de encaminhamento Embora tenha muitos recursos, hoje o OpenFlow enfrenta alguns desafios

7 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado O plano de dados não tem a capacidade de monitorar os fluxos e mudar seu comportamento sem depender do controlador

8 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados As primeiras não guarda versões estado do OpenFlow que foram O plano de dados lançadas não tem em a 2009 capacidade não tinham de monitorar suporte para os fluxos e mudar seu comportamento protocolo sem depender IPv6, só do em controlador 2011 que saiu a primeira versão com suporte a IPv6

10 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado O plano de dados não tem a capacidade de monitorar os fluxos e mudar seu comportamento sem o envolvimento do controlador

11 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado Conjunto de campos que O plano de dados não tem a capacidade de monitorar os fluxos e mudar seu podem ser utilizados para comportamento sem o envolvimento do controlador fazer match

12 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado Conjunto de instruções/ações de O plano de dados não tem a capacidade encaminhamento de monitorar os pré-definidas fluxos e mudar seu comportamento sem o envolvimento do controlador

13 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado O plano de dados não tem a capacidade de monitorar os fluxos e mudar seu comportamento sem o envolvimento do controlador

16 OpenFlow Segue uma evolução reativa Plano de dados tem que entender o formato dos pacotes O plano de dados não guarda estado O plano de dados não tem a capacidade de monitorar os fluxos e mudar seu comportamento sem depender do controlador Essas características da arquitetura do OpenFlow podem levar a consequências indesejadas

17 OpenFlow O plano de dados e o plano de controle não estão suficientemente separados Não há jeito fácil de modificar os protocolos ou adicionar protocolos definidos pelos usuários Adicionar novos protocolos requer uma revisão do controlador e do switch

18 OpenFlow O plano de dados e o plano de controle não estão suficientemente separados Não há jeito fácil de modificar os protocolos ou adicionar protocolos Os comandos do controlador e as instruções de definidos pelos usuários processamento de pacotes contém informações Adicionar novos protocolos requer uma revisão do controlador e do switch semânticas e requerem que o plano de dados tenha conhecimento específico do formato dos pacotes

21 OpenFlow O plano de dados e o plano de controle não estão suficientemente separados Não há jeito fácil de modificar os protocolos ou adicionar protocolos O OpenFlow v1.3 tem suporte para 40 campos definidos pelos usuários de cabeçalhos mas ele ainda não suporta Adicionar novos protocolos requer uma revisão do controlador e do switch muitos protocolos, principalmente os que não são Ethernet-based.

22 Evolução do OpenFlow Open Flow Single table - Fixed 12 tuplematch field Open Flow More flexibility - Flexible match - Flexible rewrite - IPv6 Open Flow Syncronized table - Bundles - Flow monitoring - Default port to 6653 Open Flow No more fixed fields? - Programmable switches? Dec 2009 Feb 2011 Dec 2011 Apr 2012 Aug 2013 Jan 2015 Open Flow Multi-table - Group table - Full VLAN and MPLS Open Flow Flexible capabilities - Meters - PBB - Event filters Open Flow Egress table - Packet type aware pipeline

23 Protocolos suportados Versão Campos Date Number of fields 1.0 Ingress port Dec Ethernet: src, dst, type, VLAN TCP/UDP: src port, dst port IPv4: src, dst, proto, ToS 1.1 MPLS: label, traffic class Feb Metadata, SCTP, VLAN tagging 1.2 IPv6: src, dst, flow label, ICMPv6 Dec OpenFlow extensible match (OXM) 1.3 PBB, IPv6 extension headers Jun campo Oct

24 Protocolos suportados Versão Campos Date Number of fields 1.0 Ingress port Dec Ethernet: src, dst, type, VLAN Novas especificações são feitas com TCP/UDP: src port, dst port IPv4: src, dst, proto, ToS velocidade. Praticamente todo ano tem 1.1 MPLS: label, traffic class Feb uma especificação OpenFlow nova Metadata, SCTP, VLAN tagging 1.2 IPv6: src, dst, flow label, ICMPv6 Dec OpenFlow extensible match (OXM) 1.3 PBB, IPv6 extension headers Jun campo Oct

25 Protocolos suportados Versão Campos Date Number of fields 1.0 Ingress port Dec Ethernet: src, dst, type, VLAN Fabricantes demoram mais para atualizar TCP/UDP: src port, dst port IPv4: src, dst, proto, ToS os hardwares. Muitos switches rodam 1.1 MPLS: label, traffic class Feb Metadata, SCTP, VLAN tagging versões antigas do OpenFlow. 1.2 IPv6: src, dst, flow label, ICMPv6 Dec OpenFlow extensible match (OXM) 1.3 PBB, IPv6 extension headers Jun campo Oct

26 Exemplo Switch port MAC src MAC dst Ether type IP src IP proto TCP sport TCP dport Action Switching * * 00:1f... * * * * * Port 6 Flow switching Port 3 00: :1f Port 5 Firewall * * * * * * * 22 Drop Routing * * * * * * * Port 4

27 Problema do OpenFlow Novas especificações OpenFlow são lançadas com frequência Ciclo de desenvolvimento de hardware muito mais lento Maioria dos switches OpenFlow ainda rodam versões antigas do padrão

28 Ideia do POF Dispositivos de rede são caixa preta OpenFlow torna os dispositivos caixa cinza POF: dispositivos de rede caixa branca

29 Ideia do POF Dispositivos de rede são caixa preta OpenFlow torna os dispositivos caixa cinza POF: dispositivos de Atualizações rede caixa branca de sistemas e novos recursos são de responsabilidade do fabricante. Usuário só consegue usar o que foi disponibilizado pelo fabricante

31 Ideia do POF Dispositivos de rede são caixa preta OpenFlow torna os dispositivos caixa cinza A capacidade que o usuário tem de POF: dispositivos de rede caixa branca adicionar novas funcionalidade é limitada pela interface criada pelo fabricante do dispositivo e pelos recursos oferecidos pelo plano de dados

33 Ideia do POF Dispositivos de rede são caixa preta OpenFlow torna O switch os dispositivos apenas processa caixa e cinza encaminha pacotes, o POF: dispositivos comportamento de rede caixa é branca totalmente definido pelo controlador. Para fazer isso o POF tenta fazer o plano de dados mais simples.

34 Modelo de programação I can only use the device as-is I can do what the device has supported I can do whatever I want Management Control plane Control plane Control Control plane Program Black box Gray box White box Data plane Data plane Data plane

35 Modelo de programação I can only use the device as-is I can do what the device has supported I can do whatever I want Management Caixa preta: arquitetura fechada permite somente funcionalidades pré-definidas Control plane pelo fabricante Control plane Control plane Program Control Black box Gray box White box Data plane Data plane Data plane

36 Modelo de programação I can only use the device as-is I can do what the device has supported I can do whatever I want Management Control plane Control plane Caixa cinza: expõe funcionalidades extras para o Control usuário através de building-blocks pré-definidos pelo fabricante Control plane Black box Gray box White box Program Data plane Data plane Data plane

37 Modelo de programação I can only use the device as-is I can do what the device has supported I can do whatever I want Management Control plane Control plane Control Control plane Caixa branca: arquitetura aberta e Program genérica, permite que o usuário tenha total controle do que o dispositivo deve fazer Black box Gray box White box Data plane Data plane Data plane

38 Ideia do POF Plano de dados mais simples permitirá que os dispositivos sejam caixa branca O caminho dos dados (datapath) deveria ser como a CPU de um PC, no sentido de que não precisa entender o que está acontecendo, apenas executar instruções básicas Poucas instruções (independentes de protocolos) devem ser suficientes para fazer realizar tudo que o controlador definir

39 Ideia do POF POF torna o plano de dados totalmente independente de protocolos Não precisa entender o formato dos pacotes como no OpenFlow "All an FE needs to do, under the instruction of its controller, is to extract and assemble the search keys from the packet header, conduct the table lookups, and then execute the associated instructions (in the form of executable code written in FIS or compiled from FIS)" Dessa forma permite que o plano de dados suporte novos protocolos no futuro

40 Flow Instruction Set Flow Instruction Set (FIS) Definidas para serem independentes de plataformas Otimizadas para aplicações de redes Deixa o usuário livre para definir seus protocolos e formatos de pacotes FIS pode ser usada para fazer processamento rápido de pacotes e define instruções de lógica, comparação e salto (branching)

45 Flow Instruction Set Instruções de edição Instruções de encaminhamento Instruções de edição das tabelas de fluxos Campos dos cabeçalhos são identificados por {offset, length} Category Editing Forwarding Entry Instructions SET_FIELD, ADD_FIELD, DEL_FIELD, CALCULATE_CHECKSUM, INC_FIELD, DEC_FIELD... GOTO_TABLE, COUNTER, DROP... SET_TABLE_ENTRY, ADD_TABLE_ENTRY, DEL_TABLE_ENTRY

46 Flow Instruction Set Definição de campos de cabeçalhos field { type; offset; length; }

47 Flow Instruction Set Definição de campos de cabeçalhos field { type; offset; length; } Indica o tipo do campo. 0 para campo de pacote e 1 campo dos metadados

48 Flow Instruction Set Definição de campos de cabeçalhos field { type; offset; length; } Onde o campo está em relação ao cursor

49 Flow Instruction Set Definição de campos de cabeçalhos field { type; offset; length; } Qual o tamanho do campo

50 Flow Instruction Set Definição de campos de cabeçalhos Exemplo: cabeçalho do protocolo Ethernet Destination Source EtherType field { type; offset; length; } dst: {0, 0, 48}; src: {0, 48, 48}; type: {0, 96, 16};

51 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; }

52 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; } Tipo da instrução, nesse caso Goto-Table

53 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; } Identificador da próxima tabela

54 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; } Onde posicionar o ponteiro

55 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; } Número de campos para fazer match

56 Flow Instruction Set Instruções de encaminhamento Goto-Table { type; next_table_id; packet_offset; match_field_num; fields_array[]; } Campos para fazer match

57 Flow Instruction Set Instruções de edição Set-Field { type; field; value; }

58 Flow Instruction Set Instruções de edição Set-Field { type; field; value; } Tipo da instrução, nesse caso Set-Field

59 Flow Instruction Set Instruções de edição Set-Field { type; field; value; } Identifica um campo da atual camada (tipo field)

60 Flow Instruction Set Instruções de edição Set-Field { type; field; value; } Valor a ser colocado no campo

61 Processamento de pacotes POF utiliza múltiplas tabelas de fluxo para fazer o processamento dos pacotes. Cada tabela de fluxo realiza uma ou várias operações, exemplo: Definir/modificar o cabeçalho do protocolo Adicionar/remover um cabeçalho de protocolo Copiar campos do cabeçalho para os metadados Encaminhar/descartar um pacote

62 Processamento de pacotes POF processa os pacotes camada por camada Cada camada tem uma ou mais tabelas de fluxo relacionadas O casamento em cada tabela de fluxo pode ser feito de diferentes formas Exact match (EM) Longest prefix match (LPM) Masked match (MM)... Existe um encadeamento de tabelas (como no OpenFlow)

66 Exemplo Suponha um pacote com quatro camadas de cabeçalhos Header 0 Header 1 Header 2 Header 3 Payload

67 Exemplo Fields Fields Instructions Instructions... Flow table 1 Header 0 Header 1 Header 2 Header 3 Payload Processing pointer

68 Exemplo Fields Fields Instructions Instructions... Flow table 1 Fields Fields Instructions Instructions... Flow table 2 Header 0 Header 1 Header 2 Header 3 Payload Processing pointer

69 Exemplo Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Flow table 1 Flow table 3 Fields Instructions Fields Instructions... Flow table 2 Header 0 Header 1 Header 2 Header 3 Payload Processing pointer

70 Exemplo Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Flow table 1 Flow table 3 Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Fields Instructions Flow table 2 Flow table 4 Header 0 Header 1 Header 2 Header 3 Payload Processing pointer

71 Exemplo Suponha um protocolo IPvX que tem três campos: endereço de destino, endereço de origem e tipo de cabeçalho na camada de transporte dst_addr src_addr type Cabeçalho do protocolo IPvX

72 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Pacote com EtherType = IPvX Faz match em alguma entrada na tabela de fluxos 0 Packet process pointer 0 14 MAC IPvX dst_addr src_addr type

73 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions Goto-Table { table 1, 14, 1, {0, 64, 64} }... Packet process pointer 0 14 MAC IPvX Instrução armazenada na entrada da tabela de fluxos dst_addr src_addr type

74 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Goto-Table { table 1, 14, 1, {0, 64, 64} } Flow table 1 (src_addr) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Packet process pointer 0 14 MAC IPvX dst_addr src_addr type

75 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Goto-Table { table 1, 14, 1, {0, 64, 64} } Flow table 1 (src_addr) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Packet process pointer Packet process pointer MAC IPvX MAC IPvX dst_addr src_addr type

76 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Goto-Table { table 1, 14, 1, {0, 64, 64} } Flow table 1 (src_addr) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Packet process pointer Chave a ser utilizada para 0 14 procurar nas entradas da MAC IPvX tabela de fluxo 1 Packet process pointer 0 14 MAC IPvX dst_addr src_addr type

77 Exemplo Flow table 0 (dst, type) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Goto-Table { table 1, 14, 1, {0, 64, 64} } Flow table 1 (src_addr) 0 Fields Instructions 1 Fields Instructions 2 Fields Instructions... Packet process pointer Packet process pointer MAC IPvX MAC IPvX dst_addr src_addr type dst_addr src_addr type

78 Diferenças para o processamento convencional

79 Diferenças para o processamento convencional

80 Diferenças para o processamento convencional O switch POF não precisa saber o que cada campo significa ou como encontrá-lo encontrado apenas executar as instruções

81 Resumo No OpenFlow, a montagem da chave de busca é feita falando quais campos do cabeçalho devem ser buscados O plano de dados precisa entender o formato dos pacotes para poder extrair os bits dos cabeçalhos No POF é utilizado uma sequência genérica de montagem de chaves e consultas na tabela de encaminhamento No POF a chave de busca é apenas uma ou mais tuplas {offset, length}

82 Resumo As instruções de encaminhamento também não dependem de protocolos No OpenFlow: "push MPLS label" ou "decrement IP TTL" POF: insert/delete/modify {offset, length} Benefícios do mecanismo do POF OpenFlow 1.3 define três ações push : push VLAN header, push MPLS header, push PBB header, no entanto, algumas aplicações (exemplo, VPLS) requerem um push ethernet header, isso não é possível fazer com a especificação atual do OpenFlow Com POF, é possível usar a instrução ADD_FIELD que contém os parâmetros de onde o campo deve ser adicionado no pacote e onde os dados do novo campo se encontram

83 Protótipo e avaliação Dois protótipos, em hardware e em software Os mesmos compartilham o mesmo controlador Baseado no controlador SDN de código aberto Floodlight O protótipo em hardware foi feito na plataforma Huawei NE5000 O protótipo em software foi feito em C Em geral, o POF reduziu a vazão em até 30% Não é muito ruim considerando que a plataforma utilizada não era otimizada para o POF

84 Casos de Uso OpenFlow funciona apenas com protocolos baseados em Ethernet POF suporta outros protocolos, como Fibre Channel, ATM e POS POF pode suportar Named Data Network (NDN) Mesmo para protocolos suportados pelo OpenFlow, algumas aplicações são impossíveis de fazer, por exemplo, Firewall que necessitam guardar estado POF permite fazer balanceamento de carga multicaminhos e Deep Packet Inspection (DPI)

85 Trabalhos Relacionados COPY P4

86 Desafios Padronização: para que os fabricantes possam suportar o POF, é necessário fazer com que o POF seja um padrão necessário para toda implementação SDN. Desempenho

87 Perguntas?

88 Projeto da disciplina POF trabalha com valores imediatos {offset, length} Dependendo da aplicação isso pode não ser suficiente Processar pacotes com cabeçalhos de tamanhos variável Exemplo: IP options do IPv4, cabeçalhos de extensão do IPv6

89 Projeto da disciplina V IHL ToS Total length Identifier Flags/offset Time to Live Protocol Source address Destination address Checksum IP Options (variable size) Transport layer header

90 Projeto da disciplina V IHL ToS Total length Identifier Flags/offset Time to Live Protocol Checksum No IPv4, se o pacote tem IP options é possível saber o offset, através do campo IHL, que dá o tamanho do cabeçalho IPv4 + tamanho do IP options Source address Destination address IP Options (variable size) Transport layer header

91 Projeto da disciplina V IHL ToS Total length Identifier Flags/offset Time to Live Protocol Checksum Porém, como o POF trabalha com valores imediatos, não é possível utilizar esse valor como offset para processar o cabeçalho da camada de transporte Source address Destination address IP Options (variable size) Transport layer header

92 Projeto da disciplina Traffic Version Flow Label Class Payload length Next header Hop limit Source address Destination address O cabeçalho IPv6 pode ter tamanho variado por causa dos cabeçalhos de extensão

93 Projeto da disciplina Traffic Version Flow Label Class Payload length Next header Hop limit Para IPv6 parece ainda pior, qual o offset para chegar na camada de transporte se tem cabeçalhos de extensão? Source address Destination address O cabeçalho IPv6 pode ter tamanho variado por causa dos cabeçalhos de extensão

94 Projeto da disciplina Traffic Version Flow Label Class Payload length Next header Hop limit Source address O cabeçalho IPv6 não tem o campo IHL, para chegar na camada de transporte é necessário seguir o next-header-chain Destination address O cabeçalho IPv6 pode ter tamanho variado por causa dos cabeçalhos de extensão

95 Projeto da disciplina Traffic Version Flow Label Class Payload length Next header Hop limit Source address Destination address Extension header 1 Extension header 2... Transport layer header