SDN e OpenFlow Conceitos Básicos

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1 SDN e OpenFlow Conceitos Básicos José Ferreira de Rezende rezende@land.ufrj.br Programa de Engenharia de Sistemas e Computação COPPE / UFRJ Rezende

2 Agenda Definições Breve Histórico Motivação Modelo e Arquiteturas SDN Vantagens e Desvantagens

3 Definiçõespara SDN Open Networking Foundation In the SDN architecture, the control and data plane are decoupled, network intelligence and state are logically centralized, and the underlying network infrastructure is abstracted from the applications Software defined networking (SDN) is an emerging network architecture where network control is decoupled from forwarding and is directly programmable. Network intelligence is (logically) centralized in software-based SDN controllers, which maintain a global view of the network. HotSDN CFP Software Defined Network (SDN) refactors the relationship between network devices and the software that controls them. Open interfaces to network switches enable more flexible and predictable network control, and they make it easier to extend network function. Brocade Software-Defined Networking is a concept that proposes to disaggregate the traditional vertically integrated networking stack in order to improve network flexibility and manageability.

4 Para que serve SDN? Roteamento Comutação Segurança Engenharia de tráfego QoS Monitoramento Gerência Balanceamento de carga Virtualização e principalmente Inovações

5 Abstração, abstração... evolução de várias áreas da computação são baseadas em abstrações forma de se obter simplicidade exemplos: programação linguagem de máquina: nenhuma abstração linguagens de alto nível: abstração de tipos de dados, sistemas de arquivos e alocação de memória linguagens mais modernas: orientação a objeto, garbage collection bancos de dados sistemas operacionais em redes, a arquitetura TCP/IP oferece camadas de abstração

6 Modelo Sistema Operacional App1 App2... App3 Sistema Operacional (OS) CPU DISCO MEMÓRIA REDE

7 Modelo SDN Net App1 Net App2... Net App3 Sistema Operacional de Rede (NOS)

8 Rede Tradicional x SDN rede tradicional planos de controle e de dados integrados no mesmo sistema físico sem acesso ao plano de dados diretamente decisões e políticas implementadas e tomadas localmente troca de informações de controle entre os equipamentos configuração individual

9 Rede Tradicional x SDN rede SDN separação dos planos de controle e de dados interface aberta entre eles interface aberta para o plano de controle funcionalidades de controle e gerenciamento em software decisões centralizadas inclusão de novas políticas simplificada configuração em um único lugar OpenFlow Aplicações de Rede e Controlador SDN OpenFlow OpenFlow OpenFlow OpenFlow

10 Fluxo de um pacote pacote chega a um da rede SDN (forwarding device) informações são analisadas: cabeçalhos Ethernet, cabeçalhos IP, protocolos, portas UDP/TCP, etc caso o não tenha sido instruído como encaminhar este tipo de pacote, envia essas informações para o Controlador as aplicações (NetAPP) informam ao NOS que ação tomar para cada pacote/fluxo encaminhar o pacote, encaminhar para diversas portas, modificar cabeçalhos, descartar o pacote, etc. o Controlador envia essa informação para o o armazena essa instrução em cache e encaminha o pacote o processo se repete para cada até o pacote entrar em uma rede tradicional ou outro ambiente SDN pacotes subsequentes passam direto até o cache expirar

11 Fluxo de um pacote Net App1 Net App2... Net App3 Sistema operacional de Rede (NOS)

12 Fluxo de um pacote Net App1 Net App2... Net App3 Sistema operacional de Rede (NOS) caminho rápido

13 Vantagens do modelo SDN S.O. de Rede LOGICAMENTE centralizado também conhecido como Controlador SDN tem uma visão global de todos os s que estão abaixo dela existe uma forma bem definida de comunicação com esses s permite criar uma abstração ou uma visão simplificada da rede as NetAppsficam mais simples na definição das políticas e ações de tratamento dos pacotes por exemplo, para uma NetAppde segurança, não importa os diversos caminhos possíveis que um pacote pode seguir o controlador pode portanto oferecer uma abstração/visão específica da rede para a NetApp, é como se a rede fosse um único e grande switch

14 Abstração SDN Net App1 Net App2... Net App3 Sistema operacional de Rede (NOS) Dispositivo de Rede

15 Outra vantagem do SDN Net App1 Net App2... Net App3 Net App1 Net App2... Net App3 Sistema operacional de Rede (NOS) Sistema operacional de Rede (NOS) Visões ou SLICES diferentes da mesma rede física

16 Arquitetura SDN Net App1 Net App2... Sistema Operacional de Rede (NOS) Net App3 NORTHBOUND APLICAÇÕES DE REDE INTERFACE DE APLICAÇÃO Java API RESTConf CONTROL PLANE / SDN CONTROLLER Serviço de Topologia Serviço de Inventário Serviço de Estatística Localização dos Equipamentos SOUTHBOUND INTERFACE COM DISPOSITIVOS OpenFlow OVSDB NETCONF SNMP DATA PLANE / FORWARDING DEVICES

17 Redes Sobrepostas: Definição rede construída sobre uma outra rede pré-existente nós da rede sobreposta são conectados por enlaces lógicos (ou virtuais) cada enlace virtual corresponde a caminhos, possivelmente de múltiplos saltos, na rede subjacente a topologia da rede sobreposta é mantida pelos os seus nós exemplos e usos Internet sobre a rede pública de telefonia VPNs redes P2P sobreposta a Internet: busca de informação roteamento multicast distribuição de conteúdo (p. ex. CDNs) serviço VoIP (p. ex. skype) redes com alta resiliência (p. ex. MIT RON)

18 Construção de uma Rede Sobreposta fonte: slides do livro do Tanembaum

19 Redes Sobrepostas (Overlay)

20 Problemas de Desempenho do TCP em redes de grande memória o TCP é incapaz de utilizar toda a banda disponível num caminho fim-a-fim envolvendo enlaces com altas taxas de perda o TCP é lento na recuperação dos erros baixa utilização dos enlaces de alta velocidade aplicações que exigem a transferência confiável de grandes volumes de dados são prejudicadas

21 Solução: Quebra da Semântica Fim-a-Fim

22 Serviço Travel (Transporte de Alta Velocidade) construção de uma rede sobreposta estabelecimento do caminho do servidor ao cliente segmentação da conexão em quantas partes se fizer necessário armazenamento temporário (em memória) para a implementação de pipeline entre os segmentos. definição de uma interface com o usuário (API) baseada em HTTP clientes web com funcionalidade de redirecionamento transparência no uso do serviço: extensão para o Firefox

23 Travel: Rede Sobreposta e o Uso do Serviço os nós da rede sobreposta executam dois processos master realiza a escolha dos pontos de segmentação depot segmenta e encadeia as conexões o uso do serviço se baseia em requisição inicial do cliente ao master sucessivos redirecionamentos do cliente aos diversos depots

24 Travel: Rede Sobreposta

25 Travel: Rede Sobreposta

26 Travel: Rede Sobreposta

27 Travel: Requisição Inicial e Redirecionamentos

28 Testes de Desempenho

29 Testes de Desempenho

30 Pesquisa Experimental em Redes Sem Fio J. F. de Rezende Programa de Engenharia de Sistemas e Computação COPPE / UFRJ

31 Motivação crescimento vertiginoso do tráfego móvel 53% de crescimento a cada ano 30 ExaBytes por mês em 2020 crescimento do número de s móveis 8% de crescimento por ano 12 bilhões de s em 2020 escassez de espectro maior eficiência espectral (bits/hz)

32 Redes 5G novas formas de onda rádios cognitivos adensamento (HetNets) exploração de novas bandas (mmw) redes cognitivas consumo de energia

33 Avaliação de Desempenho avaliar quantitativamente o serviço oferecido por um sistema de computação ou comunicação objetivos comparação entre alternativas de projeto dimensionamento do sistema métodos de avaliação medição do sistema real simulação métodos analíticos

34 Avaliação de Desempenho de Redes Sem Fio grande parte dos trabalhos em simulação ns-2, ns-3, OMNeT++, Simulink, OPNET

35 Simulação por que? alguns sistemas são altamente complexos inviabiliza modelos analíticos sistemas reais: podem não existir (tecnologia ainda não amadurecida) podem ser caros para serem construídos o que é? podem ser perigosos (ainda sem conhecimento do seu comportamento) o processo de projetar um modelo de um sistema real e conduzir experimentos com esse modelo com a finalidade de entender o comportamento do sistema e avaliar o seu desempenho em suas diferentes estratégias de operação - Robert E Shannon, 1975.

36 Avaliação de Desempenho de Redes Sem Fio grande parte dos trabalhos em simulação ns-2, ns-3, OMNeT++, Simulink, OPNET positivo: reprodutibilidade, flexibilidade e escalabilidade negativo: camada física simplificada (modelos de propagação e modelos de erro), códigos pouco validados uma das primeiras plataformas experimentais em redes sem fio de acesso remoto ORBIT (Winlab/Rutgers) inicialmente, WiFi LTE/4G e SDRs

37 Evolução das Plataformas de Rádio Platform ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ASIP (Application-Specific Instruction set Processor) Embedded SDR Description customized IC for a specific purpose ASIP for specialized instruction + programmable processor core with application SW standalone system with FPGA and embedded processor with RT OS Semi-embedded SDR FPGA for all signal processing + host PC with RT OS Host-controlled SDR FPGA for part of signal processing + host PC

38 Projetos de Internet do Futuro GENI (Global Environment for Network Innovations) FIRE (Future Internet Research and Experimentation) exemplos de testbeds SDR ORBIT, CorteXlab (OneLab Platform), CREW outros testbeds FIBRE, NITOS, w-ilab.t

39 CorteXlab (OneLab Facility)

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