UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO GÜNTER FISCHBORN IMPLEMENTAÇÃO DE QOS E MONITORAMENTO DE TRÁFEGO VOIP EM REDES OPENFLOW São Leopoldo 2012

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3 Günter Fischborn IMPLEMENTAÇÃO DE QOS E MONITORAMENTO DE TRÁFEGO VOIP EM REDES OPENFLOW Monografia apresentada como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo em Segurança da Informação pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Orientador: Prof. Dr. Rafael Bohrer Ávila São Leopoldo 2012

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5 Dedico este trabalho a todas as pessoas que sempre estiveram ao meu lado e me apoiaram durante o longo trajeto desta graduação. A minha mãe, Olívia Fischborn, meu pai, Erno Fischborn, meus irmãos, Heidi, Herbert, Margareth, Renate e Siegfrid, e a minha esposa Luana Fischborn. Tenho um imenso orgulho de fazer parte desta família maravilhosa. How strong is when a person is safe to be loved! SIGMUND FREUD

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7 AGRADECIMENTOS Ao professor Rafael Bohrer Ávila, pelo auxílio e dedicação durante a elaboração desta monografia. Aos meus pais, pelo amor, educação e ensinamentos que contribuíram fortemente para a construção do meu caráter. Aos meus irmãos, Heidi Fischborn, Herbert Fischborn, Margareth Fischborn, Renate Fischborn e Siegfrid Fischborn que são além de grandes amigos meus segundos pais. Ao meu cunhado, Alex Baumbach, e cunhadas, Cristina Moro Fischborn e Rosinei Fraga Fischborn, pelos momentos de ensinamento e pela grande família que construímos. À minha esposa, Luana Zanotti dos Passos Fischborn, por me acompanhar, incentivar e me compreender durante estes últimos meses. À Deus, por estar sempre ao nosso lado e propiciar este momento. À todos aqueles que de alguma forma contribuíram para minha formação acadêmica e pessoal.

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9 The mind that opens to a new idea never returns to its original size. (Albert Einstein)

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11 RESUMO A adoção de protocolos de VoIP (Voice over Internet Protocol) em ambientes corporativos necessitam de diversos controles para sua plena operação, controles estes como regras de QoS (Quality of Service), prioridade no encaminhamento de pacotes de mídia e monitoramento contínuo da qualidade do serviço oferecido. O SIP (Session Initiation Protocol), por oferecer uma estrutura de comunicação descentralizada e por depender de outros protocolos como RTP (Real-time Transport Protocol) e SDP (Session Description Protocol) para o seu funcionamento, apresenta características que dificultam a obtenção de sucesso na implementação destes controles, como por exemplo identificação das portas de transporte em que será estabelecida uma comunicação ou excesso de reserva de banda para este tráfego. O framework de redes programáveis OpenFlow pode facilitar esta implementação e possibilitar a automação da configuração de regras de QoS em equipamentos da rede, introduzindo características na rede de forma que esta se adapte conforme a necessidade do tráfego. Este trabalho explora os recursos do OpenFlow para automatizar a gestão de regras de QoS para garantir que todo tráfego VoIP receba o tratamento adequado em conjunto com a otimização dos recursos e monitoramento do desempenho da rede de voz, garantindo a qualidade do serviço com o mínimo de alocação de recursos. Estes objetivos são alcançados através da captura e análise de pacotes SIP trafegados nos comutadores e ações tomadas de acordo com os parâmetros adotados para cada sessão. Palavras-chave: Monitoramento. OpenFlow. QoS. SIP. VoIP.

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13 ABSTRACT The adoption of VoIP protocols (Voice over Internet Protocol) in corporate environments require different controls to their full operation, controls such as rules of QoS (Quality of Service), priority in the routing of media packs and continuous monitoring of service quality offered. The SIP (Session Initiation Protocol) for providing a decentralised communication and rely on other protocols like RTP (Real-time Transport Protocol) and SDP (Session Description Protocol) for its operation, it presents features that hinder the attainment of success in implementing these controls, such as identification the transport ports in that will be established the communication or excess bandwidth reservation to this traffic. The framework of programmable networks OpenFlow can facilitate this implementation and enable automation of QoS rules configuration in network equipment, introducing features on the network so that it adapts as needed traffic. This work explores the capabilities of OpenFlow to automate the management of QoS rules to ensure that all VoIP traffic receives the appropriate treatment in conjunction with the optimization of resources and performance monitoring of voice network, ensuring the quality of service with minimum resource allocation. These objectives are achieved by capturing and analyzing SIP packets traffic in switches and actions taken in accordance with the parameters adopted for each session. Keywords: Monitoring. OpenFlow. QoS. SIP. VoIP.

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15 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Comunicação SIP Figura 2 Topologia Rede OpenFlow Figura 3 Topologia Aplicação OpenFlow Figura 4 Exemplo de pacote SIP com método INVITE Figura 5 Exemplo de pacote SIP com resporta 200 OK Figura 6 Exemplo de pacote SIP com método BYE Figura 7 Topologia para experimentos e validação de resultados Figura 8 Revisão de Cronograma

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17 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Descrição de Sessão SDP Tabela 2 Descrição de Mídia SDP Tabela 3 Campos de linhas SDP Tabela 4 Campos de pacotes utilizados pelo OpenFlow Tabela 5 Definição de consumo de Codecs de Áudio

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19 LISTA DE SIGLAS ACK API AVP CSeq CSRC DHCP DLSR DNS Gbps GUI HTB HTTP IETF IP ISP Kbps LSR NTP OSI PIP PCP QoS RR RTCP RTP SAVP SC SDES SDP SIP SNMP SR SSRC Acknowledgement Application Programming Interface Audio Video Profile Command Sequence Contributing Source Dynamic Host Configuration Protocol Dalay Since Last Send Report Domain Name Service Gigabits por Segundo Graphical User Interface Hierarchical Token Bucket Hypertext Transfer Protocol Internet Engineering Task Force Internet Protocol Internet Service Povider Quilobits por Segundo Last Send Report Timestamp Network Time Protocol Open Systems Interconnection Physical Infraestructure Provider Priority Code Point Quality of Service Receiver Report Real-time Control Protocol Real-time Transport Protocol Secure Audio Video Profile Source Count Source Description Items Session Description Protocol Session Initiation Protocol Simple Network Management Protocol Send Report Synchronization Source

20 TCP TLS ToS UA UAC UAS UDP URI VLAN VoIP XML Transmission Control Protocol Transport Layer Security Type of Services User Agents User Agent Client User Agent Server User Datagram Protocol Uniform Resource Indicators Virtual Local Area Network Voice over Internet Protocol extensible Markup Language

21 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SIP Session Initiation Protocol Visão geral de funcionamento do SIP Mensagens SIP Diálogos RTP Real Time Protocol RTCP Real-time Control Protocol SDP Session Description Protocol Tipos de Linhas SDP OpenFlow Componentes e Funcionamento NOX TRABALHOS RELACIONADOS QFlow: Um Sistema de Garantia de Isolamento e Oferta de Qualidade de Serviço para Redes Virtualizadas QoSFlow: Gerenciamento Automático de Qualidade de Serviço em Infraestuturas de Experimentação Baseadas em Framework OpenFlow OMNI: Uma ferramenta para o Gerenciamento Autônomo de Redes OpenFlow VoIPFix: Uma ferramenta para análise e detecção de falhas em sistemas de telefonia IP Análise dos Trabalhos Relacionados PROPOSTA Aplicação OpenFlow Módulo de QoS Escuta e Captura de Pacotes SIP Análise de Pacotes SIP pela Aplicação OpenFlow Filas de QoS OpenFlow Aplicação de Regras de QoS Automatização de Fila de QoS para VoIP Módulo de Monitoramento Estrutura de Validação dos Resultados CONSIDERAÇÕES FINAIS REVISÃO DE CRONOGRAMA REFERÊNCIAS

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23 21 1 INTRODUÇÃO A utilização do VoIP (Voice over Internet Protocol) para comunicação em ambientes corporativos se tornou uma tendência a partir do desenvolvimento e popularização do protocolo SIP (Session Initiation Protocol ROSENBERG et al., 2002) desenvolvido pela IETF (Internet Engineering Task Force), tornando-se o protocolo mais utilizado para iniciar, controlar e encerrar sessões multimídia (SIÉCOLA; KON, 2011). Empresas de todos os portes têm investido na utilização desta tecnologia por diversos fatores, entre eles a mobilidade e a redução de custos, onde soluções abertas podem ser utilizadas para a implementação de infraestruturas SIP. Porém, apesar de o SIP ser um protocolo aberto e amplamente difundido, administradores de rede ainda sofrem para construir uma estrutura confiável e viável economicamente para a organização sem impactar nos demais fluxos de tráfego da rede. Para garantir os recursos necessários para o tráfego VoIP em momentos de alto consumo da rede, cotas e prioridades fixas precisam ser estipuladas, provocando o desperdício de recursos em momentos em que o tráfego de voz é bem inferior ao limite estabelecido. Estas cotas são consideradas fixas pelo fato de que, se houver a necessidade de alteração, esta precisa ser aplicada manualmente em cada equipamento de rede que faz este controle, o que geralmente não é um processo muito simples e requer cuidados para não gerar impactos no desempenho da rede. Outro problema refere-se à identificação do tráfego VoIP para aplicação das regras de QoS (Quality of Service). Estas regras podem ser aplicadas levando em consideração as redes envolvidas na comunicação ou através das portas TCP/IP (KIM et al., 2010). Nenhuma destas duas soluções contempla totalmente as comunicações de VoIP, uma vez que as portas para comunicação do tráfego de voz podem ser definidas manualmente nos softphones e dispositivos SIP, e variam dependendo da solução, modelo e fabricante da solução, e também pelo fato da mobilidade gerada pelo SIP, onde usuários podem utilizar softphones instalados em seus notebooks ou smartphones para se locomover entre as redes da empresa. O OpenFlow (MCKEOWN et al., 2008) é um modelo de redes programáveis por software desenvolvido inicialmente para possibilitar a utilização da estrutura e recursos de uma rede de produção para realização de experimentos de novos protocolos de rede e roteamento, possibilitando que os tráfegos de teste e de produção estejam totalmente isolados, não impactando um no outro. O OpenFlow explora recursos em comum da tabela de fluxos de diferentes equipamentos de rede (switches, roteadores, access point), para implementação de regras de análise de dados e encaminhamento de pacotes. Porém, diversos projetos sugerem a implementação do OpenFlow para controle de redes de produção, devido à sua flexibilidade, recursos e facilidade de configuração e gestão da rede. A proposta deste trabalho é apresentar um sistema de gestão autônoma para o tráfego VoIP que monitore e identifique os recursos necessários para o pleno funcionamento deste tráfego através da utilização do OpenFlow, adequando as regras de qualidade de serviço individualmente para cada sessão SIP estabelecida.

24 22 A operação correta de parâmetros de qualidade de serviço, juntamente com o pleno funcionamento dos serviços de rede e correta configuração de sistemas de comunicação são requisitos fundamentais para proporcionar um serviço de VoIP com qualidade. O monitoramento destes requisitos, bem como a correlação de alertas gerados por estes com eventos de comunicações VoIP são extremamente importantes para a identificação de problemas que impactam na rede de voz. Por este motivo, além do controle de qualidade de serviço, recuros de monitoramento são propostos, através da coleta e análise de pacotes SIP e de protocolos de controle de sessões RTP (Real-time Transport Protocol), em conjunto com análise de eventos da rede. Este monitoramento visa proporcionar aos administradores uma visão geral da rede VoIP, possibilitando a monitoração e avaliação do desempenho e qualidade do serviço, além de viabilizar a extração de dados estatísticos diversos, como quantidade de ligações, erros de estabelecimento de sessão, tempo médio de jitter, média de perda de pacotes em sessões RTP, quedas de links e demais dados pertinentes a uma sessão SIP. O protocolo SIP foi projetado para atender demandas de aplicações que necessitem de estabelecimento de sessões, como por exemplo comunicações por voz, vídeo e mensagens de texto. Porém, este trabalho será limitado somente aos recursos de voz em redes locais OpenFlow através da utilização do SIP em conjunto com os protocolos SDP (Session Description Protocol) e RTP, também desenvolvidos pela IETF. Esta monografia está organizada da seguinte forma: no capítulo 2 são detalhados os protocolos e ferramentas essenciais para o desenvolvimento deste trabalho, abordando o funcionamento e recursos do protocolo SIP, características do protocolo de troca e controle de mídia RTP, o protocolo de descrição de sessão SDP, e o framework de redes programáveis OpenFlow. No capítulo 3 são apresentados os trabalhos relacionados ao controle de QoS e monitoramento de comunicações VoIP, o capítulo 4 detalha a proposta para obtenção dos objetivos deste trabalho, o capítulo 5 as considerações finais e o capítulo 6 a revisão de cronograma.

25 23 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este capítulo possui como objetivo apresentar os protocolos e ferramentas essenciais para o desenvolvimento desta monografia. 2.1 SIP Session Initiation Protocol Rosenberg et al. (2002) define o SIP como um protocolo de controle da camada de aplicação responsável por estabelecer, modificar e encerrar sessões multimídia, tais como chamadas telefônicas através da Internet (ROSENBERG et al., 2002). Como a função do SIP está relacionada com a gerência de sessões, para a construção de uma arquitetura multimídia completa o SIP pode ser usado com outros protocolos. Estes protocolos incluem o Real-time Transport Protocol - RTP (SCHULZRINNE et al., 2003), que possui a função de transporte de dados em tempo real e fornecimento de feedback referente a QoS e o Session Description Protocol - SDP (HANDLEY; JACOBSON; PERKINS, 2006) que possui a função de descrever e negociar parâmetros de sessões multimídia. Porém, a funcionalidade básica e o funcionamento do SIP não depende de qualquer um destes protocolos (ROSENBERG et al., 2002). A estrutura do SIP é dividida em clientes, proxy, e registradores. São definidos por clientes, ou User Agents (UA), qualquer elemento de rede capaz de enviar, receber e responder requisições SIP. Exemplos de clientes são os aparelhos telefônicos ou softphones SIP. Porém, os clientes podem ainda ser classificados em User Agent Client (UAC) e User Agent Server (UAS), sendo o UAC o cliente originador de uma requisição e o UAS o destinatário que irá responder esta requisição. O SIP prevê a utilização de servidores proxy responsáveis por autenticar e autorizar serviços e recursos para clientes, e rotear requisições ao local atual do usuário independente da sua localização, garantindo ao usuário a mobilidade esperada do protocolo SIP. Servidores proxy podem ser classificados em stateful e stateless. O proxy stateful possui a característica de manter um registro do estado de cada chamada, através das mensagens que originam e encerram a mesma. Proxies stateless não mantêm este registro, de modo que não conhecem o atual estado em que o cliente se encontra. Registradores são servidores responsáveis pelo recebimento de solicitações de registro de clientes, e possuem a função de gerenciar a localização destes em um domínio Visão geral de funcionamento do SIP Em uma comunicação SIP básica entre dois clientes, o número de entidades que participam do processo de estabelecimento da sessão irá depender da infraestrutura participante desta comunicação. Em casos em que os dois clientes estão registrados em um mesmo domínio e utilizam o mesmo servidor proxy, estas são as três entidades envolvidas na comunicação. Na

26 24 medida em que outros domínios e proxies passam a fazer parte desta comunicação, o número de entidades envolvidas tende a aumentar. Para estabelecimento de uma comunicação, o SIP necessita de cinco procedimentos básicos: Localização do destinatário: A localização do destinatário é realizada pelo proxy SIP, através do domínio do cliente que receberá a comunicação. O endereço deste domínio deverá ser de conhecimento e estar ao alcance do proxy originador, ou ainda poderá ser consultado em um serviço de DNS (Domain Name Service). O proxy do destinatário possui o endereço do cliente final, e encaminhará as solicitações para este. O protocolo SIP permite também a utilização do endereço IP (Internet Protocol) ao invés do nome de domínio; Sinalização de intenção de comunicação: Este procedimento é realizado através do método INVITE encaminhado pelo originador da comunicação. O INVITE possui diversos campos-cabeçalhos essenciais para a realização desta comunicação, como endereço do originador, URI SIP do destinatário, e porta na qual espera receber o retorno da comunicação; Negociação de parâmetros de sessão: Com o recebimento do método INVITE pelo destinatário juntamente com parâmetros suportados pelo originador, este verifica as compatibilidades e preferências entre ambas as partes e estipula quais parâmetros serão utilizados para a comunicação; Estabelecimento da sessão: Início da troca de dados de acordo com os parâmetros estabelecidos por ambas as partes; Encerramento da sessão: Processo de encerramento da comunicação originado por uma das partes envolvidas. Um dos parâmetros fundamentais no processo de estabelecimento de uma comunicação é o endereço URI (Uniform Resource Indicators). Os endereços URI são utilizados pelo SIP para identificação de recursos e clientes envolvidos em uma chamada. O formato geral do URI no SIP é definido como sip:user:password@host:port;uri-parameters?headers onde cada campo deste endereço é detalhado conforme a seguir: user: Identificador do recurso no host endereçado. Os campos user:password@ são referidos a parte de informações do usuário, sendo opcionais quando o próprio host é o recurso sendo identificado, porém, se em uma URI contiver o obrigatoriamente deverá conter informações de identificação do usuário; password: Senha associada ao usuário. O uso deste campo não é obrigatório por ser considerado uma extensão da parte de usuário, e tampouco recomendado, uma vez que esta senha é encaminhada em texto claro;

27 25 host: Pode conter tanto o nome do domínio ou o endereço IP do servidor que fornece os recursos SIP; port: Número da porta na qual a requisição deverá ser respondida; uri-parameters: Parâmetros que afetam uma requisição construída a partir da URI; headers: Campos cabeçalhos a serem incluídos em uma requisição construída a partir da URI. O protocolo SIP é baseado em um modelo transacional de requisição e resposta. Cada transação consiste em uma requisição que invoca um determinado método ou função particular no servidor, e pelo menos uma resposta (ROSENBERG et al., 2002). As requisições e respostas são consideradas as mensagens SIP, e serão detalhadas na seção a seguir Mensagens SIP São consideradas mensagens SIP tanto requisições encaminhadas de um cliente a um servidor quanto as respostas deste servidor ao cliente. Uma mensagem SIP é composta por três campos: A linha inicial (Start Line), campos cabeçalhos (Header Fields) e corpo da mensagem (Message Body). Na sequência serão abordados as características destes dois tipos de mensagens assim como os respectivos campos existentes nestas Requisições SIP Em sua linha inicial, pacotes de requisições SIP possuem uma linha de requisição (Request- Line). Esta linha de requisição contém informações referente ao método SIP utilizado na requisição, uma request-uri, que identifica o destinatário da requisição, e a verão do SIP utilizada. O SIP define seis tipos de métodos, utilizados para registrar, estabelecer, encerrar sessões, e consultar servidores sobre as suas capacidades de serviços: REGISTER: Método utilizado para criar um vínculo entre o cliente e o serviço de localização de um domínio. Este vínculo é utilizado pelo proxy SIP para identificar o(s) endereço(s) do cliente para encaminhamento de requisições; INVITE: Método utilizado para iniciar ou modificar uma sessão SIP; ACK: Mensagem encaminhada pelo UAC para confirmar qualquer resposta final recebida, com a finalidade de gerar confiabilidade nas transações SIP; CANCEL: Utilizado para cancelar uma requisição INVITE ainda não respondida. Ao encaminhar uma mensagem com este método, o cliente solicita ao UAS que encerre o

28 26 processamento da requisição, e gere uma resposta de erro para a mesma, geralmente utilizada a mensagem 487 request terminated. Mensagens de respostas serão detalhadas na seção ; BYE: Método que encerra uma sessão iniciada pelo UA ou uma sessão ainda em construção pelo UAC. Um UA ao receber o método BYE em um diálogo, deve encerrar qualquer sessão associada a este; OPTIONS: Este método permite que um UA consulte as capacidades de outro UA ou de um servidor proxy. A utilização deste método evita o encaminhamento de uma requisição não suportada pelo destinatário Respostas SIP Respostas SIP possuem uma linha de status (Status-Line) em sua linha inicial. A linha de status é composta pela versão do protocolo seguido por um código de estado (Status-Code) numérico e a frase textual associada a este código (Reason-Phrase). O código de estado é um campo de três dígitos numéricos que indica o estado do atendimento da requisição, e a frase destina-se exclusivamente a transmitir uma descrição deste código, não sendo esta descrição analisada pelo cliente SIP. As respostas SIP são divididas por classes definidas pelo primeiro dígito do código de estado, sendo os demais dois dígitos utilizados para a identificação das respostas. Estas classes estão divididas conforme a seguir: 1XX - Provisória: Possui a função de informar ao requisitante que a mensagem foi recebida e está sendo processada, porém, ainda não há uma resposta definitiva; 2XX - Sucesso: Esta mensagem indica que a solicitação foi recebida com sucesso, atendida e aceita; 3XX - Redirecionamento: Indica que outras ações precisam ser tomadas para que a requisição possa ser completada. Esta resposta fornece informações sobre a nova localização de um usuário, ou referente a serviços alternativos que podem satisfazer a chamada; 4XX - Erro de Cliente: Indica erro de sintaxe ou impossibilidade do servidor de compreender a mensagem. Ao receber esta resposta, o cliente não deve reencaminhar a requisição ao mesmo servidor sem nenhuma alteração; 5XX - Erro de Servidor: Indica falha no servidor ao tentar processar uma mensagem aparentemente válida; 6XX - Falha Global: Indica que a requisição encaminhada não pode ser compreendida em nenhum servidor.

29 Campos Cabeçalho Campos cabeçalhos (Header Fields) são utilizados para transportar os atributos da mensagem SIP. Os cabeçalhos são similares aos do protocolo HTTP (FIELDING et al., 1999) tanto na sintaxe quanto na semântica. O SIP foi desenvolvido para ignorar os campos cabeçalhos que o servidor não reconhece, devendo este aceitar uma comunicação se houver os parâmetros mínimos para o estabelecimento desta. O SIP possui definido 44 campos cabeçalhos (ROSENBERG et al., 2002), porém, este trabalho abordará somente os principais bem como os fundamentais para o desenvolvimento deste projeto, campos estes detalhados a seguir: Via: Contém a versão SIP utilizada na comunicação, o protocolo de transporte, o endereço do dispositivo originador da chamada e o parâmetro branch, que é utilizado para identificação da transação. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; To: Contém o nome de exibição e o URI SIP do destinatário da requisição. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; From: Contém o nome de exibição, o URI SIP do originador da requisição, e um parâmetro tag que contém uma string aleatória utilizada para fins de identificação. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; Call-ID: é um identificador exclusivo da chamada, gerado pela combinação de uma string aleatória e o nome de host ou endereço IP do dispositivo originador do método INVITE. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; CSeq (Command Sequence): Contém um número sequencial e o nome do método utilizado. Este número sequencial é incrementado a cada nova requisição dentro de um diálogo. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; Contact: Representa a URI SIP para contatar diretamente o originador do método INVITE em requisições futuras; Max-Forwards: Limita o número de saltos que uma mensagem pode percorrer até seu destino, com a intenção de evitar loops. Possui um número inteiro que é decrementado a cada salto, e deve ser iniciado pelo número 70. Este campo é obrigatório em qualquer requisição SIP; Content-Type: Contém uma descrição do tipo de mídia do corpo da mensagem; Content-Length: Contagem de bytes do corpo da mensagem; Content-Encoding: Indica quais mecanismos de decodificação precisam ser aplicados para obter o tipo de mídia referenciado pelo campo Content-Type;

30 28 Allow: O campo Allow informa os métodos suportados pelo cliente; User-Agent: Contém informações referente ao software e versão do dispositivo do cliente; Server: Contém informações sobre o software utilizado pelo UAS para tratar a requisição; Corpo da Mensagem O corpo da mensagem (Message Body) contém uma descrição da sessão, codificada e encapsulada pelo SIP através de outro protocolo, como por exemplo o SDP (Session Description Protocol). Esta descrição contém informações referente a tipo de mídia, protocolo utilizado para transporte desta mídia, codecs suportados e taxa de amostragem. Quando há a necessidade de utilização do corpo da mensagem, o tipo de protocolo utilizado deverá ser especificado no campo cabeçalho Content-Type, o tamanho deste em bytes no campo Content-Length, assim como se for submetido a qualquer codificação, como compressão por exemplo, o campo cabeçalho Content-Encoding precisa ser acrescentado e indicar o método utilizado Diálogos Diálogos são representados no SIP por uma relação fim-a-fim entre dois UA s. Diálogos são criados através de respostas de não-falhas de requisições com métodos específicos, sendo geralmente utilizado requisições com o método INVITE. Somente respostas 2XX e respostas de 101 a 199 que possuam a tag To poderão estabelecer um diálogo, de modo que diálogos estabelecidos por respostas não-finais são considerados diálogos early. Em um diálogo early ocorre a troca de mídia, geralmente o tom da chamada, antes do recebimento de respostas 2XX. Para cada sessão de diálogo um ID é gerado pelos clientes para fins de identificação, sendo o valor deste ID diferente para cada usuário. Este ID consiste no valor do campo Call-ID, uma tag local e uma tag remota, sendo a tag local de um UA idêntica a tag remota do outro UA. Estas tags são tokens utilizados para facilitar a geração de ID s únicos de diálogos. Em uma comunicação, geralmente as mensagens de mídia percorrem um caminho diferente das mensagens de sinalização, uma vez que esta troca de mídia ocorre ponto a ponto entre os UA s. Para exemplificar este processo podemos citar uma chamada entre dois clientes que estão em cidades distintas, exemplificada pela Figura 1. O cliente A está no Rio de Janeiro e utiliza um servidor SIP de São Paulo e o Cliente B em Porto Alegre e utiliza um servidor SIP de Curitiba. No momento em que o Cliente A inicia uma chamada, este encaminha para o servidor de São Paulo uma requisição com o método INVITE contendo a URI SIP do Cliente B. O servidor de São Paulo resolve o endereço de domínio do Cliente B e reencaminha a solicitação para o servidor de Curitiba, que identifica a localização do Cliente B em Porto Alegre. Quando o Cliente B aceita esta chamada, a comunicação passa a ocorrer diretamente entre os clientes,

31 29 Figura 1 Comunicação SIP Fonte: Adaptado de Rosenberg et al. (2002) de Rio de Janeiro a Porto Alegre, não necessitando o tráfego da mídia passar pelos respectivos servidores. 2.2 RTP Real Time Protocol O RTP é um protocolo de transporte que possui como principal característica o fornecimento de serviços de entrega de dados em tempo real, utilizado amplamente para transporte de áudio e vídeo em redes de computadores (SCHULZRINNE et al., 2003). O RTP também foi desenvolvido pela IETF, e é o protocolo de transporte mais utilizado pelo SIP. O RTP é geralmente transportado através do protocolo UDP (User Datagram Protocol), pelo fato de não ser orientado a conexão e ser mais leve. O protocolo UDP, diferentemente do TCP (Transmission Control Protocol), não provê por sua natureza garantias de que os pacotes serão entregues ao seu destino. Mesmo com a utilização do UDP, nenhum mecanismo complementar para controle e garantia de entrega de pacotes ou de qualidade de serviço é utilizado pelo RTP. O RTP também não possui nenhum recurso para garantir a entrega de pacotes em ordem, porém, números de sequência são implementados para permitir a correta reconstrução desta sequência no remetente, bem como descartar pacotes recebidos fora de ordem. O RTP utiliza também o protocolo RTCP (Real-time Control Protocol) para permitir o monitoramento da qualidade do serviço da transmissão e implementar controles estatísticos e informações sobre os participantes de uma sessão em curso. Em casos de conferência de áudio e vídeo simultâneas, os pacotes de RTP de áudio e vídeo

32 30 são transmitidos separadamente, a fim de que participantes possam optar por receber pacotes somente de um dos tipos de mídia. A sincronização destes pacotes é realizada através da informação de identificação e temporização dos pacotes de RTCP de ambas as sessões. A seguir são detalhados os campos de cabeçalhos fixos utilizados pelo RTP: Versão: Indica a versão RTP utilizada. A atual versão definida por Schulzrinne et al. (2003) é a versão 2; Padding: Indica se o pacote contém bytes adicionais no pacote que não fazem parte do payload. A utilização deste campo pode ser necessário em casos de utilização de algum algoritmo de criptografia que utiliza tamanhos de blocos fixos; Extensão (Extension): Campo indica se cabeçalho é seguido de um pacote de extensão; Contagem CSRC (CSRC Count): Contém o número de identificadores CSRC (Contributing Source) que acompanham o cabeçalho fixo; Marcador (Marker): Campo destinado a permitir que eventos sejam marcados no fluxo de pacotes; Tipo de Payload: Identifica o formato do payload (áudio, vídeo, texto, imagem, etc.), e determina a sua interpretação pela aplicação; Número de Sequência: Utilizado para detectar perda e restaurar a sequência dos pacotes. Inicia com um número aleatório e é incrementado com 1 a cada pacote enviado; Timestamp: Campo que reflete a amostragem instantânea do primeiro byte no pacote de dados RTP, utilizado para permitir cálculos de sincronização e jitter; SSRC (Synchronization Source): Identifica a fonte de sincronização escolhida aleatoriamente com a intenção de que nenhuma das fontes dentro de uma mesma sessão RTP tenham o mesmo identificador SSRC; Lista CSRC: Identifica as fontes de contribuição para o payload contido no pacote RTCP Real-time Control Protocol O RTCP é um protocolo utilizado para implementar o controle de uma sessão RTP. A principal função do RTCP é fornecer um feedback referente a qualidade do serviço de transmissão de dados a fim de que seja possível diagnosticar falhas neste processo. O RTCP é utilizado também para identificar participantes e sincronizar diferentes fluxos de dados destes, como áudio e vídeo, através do parâmetro CNAME que deve ser único para cada participante (SCHULZRINNE et al., 2003).

33 31 Outra função do RTCP é controlar a taxa de pacotes encaminhada para cada participante de uma sessão. Esta taxa é calculada a partir de informações dos próprios pacotes de controle recebidos dos demais participantes. As funções acima descritas são obrigatórias na implementação do RTCP, porém, o RTCP pode ser utilizado ainda opcionalmente para controlar uma sessão com funções reduzidas, permitindo a entrada e saída de participantes desta. Porém, é aconselhável que protocolos específicos de controle de sessão, como o SIP, sejam utilizados para esta demanda, onde recursos e requisitos adicionais podem ser atendidos e implementados. Cinco tipos diferentes de pacotes são encaminhados pelo RTCP, sendo estes descritos a seguir: SR (Send Report): Relatório que contém estatísticas de transmissão e recepção de integrantes que participam ativamente de uma sessão; RR (Receiver Report): Relatório que contém estatísticas de recepção de integrantes que participam somente receptivamente da sessão; SDES (Source Description Items): Pacote que contém itens de descrição do participante; BYE: Pacote que indica o fim do participante em uma sessão; APP: Pacote que contém funções específicas da aplicação. O intervalo de envio dos pacotes RTCP não é fixo e depende de um cálculo que envolve diversos fatores, entre eles o número de participantes na sessão, tamanho do pacote, largura de banda utilizada por pacotes RTCP de todos os membros da sessão, e se o pacote é um SR ou RR. Os pacotes RTCP possuem diversos campos que são utilizados para cumprir as funções relacionadas no início desta sessão. A seguir são detalhados os campos contidos em um pacote SR: Versão: Indica a versão o RTP utilizada; Padding: Define se pacote irá conter octetos adicionais de preenchimento, utilizado em casos em que se faz necessário o uso de algoritmos de criptografia de tamanho de bloco fixo; Contagem de Relatório de Recepção: Campo que informa o número de blocos de relatórios de recepção contidos no pacote; Tipo de Pacote: Campo utilizado para identificar o tipo de pacote RTCP. Pacotes SR são identificados pelo número 200; Comprimento: Informa o comprimento do pacote contado a cada 32 bits, extraindo 1 do resultado final;

34 32 SSRC: Informa o identificador de origem de sincronização do remetente deste pacote; NTP Timestamp: Campo informa o horário em que este pacote foi enviado pelo remetente. Este horário é utilizado para calcular o tempo que o pacote levou para chegar ao seu destino. RTP Timestamp: Este campo corresponde ao mesmo tempo informado no carimbo de tempo NTP, porém, com as mesmas unidades e deslocamento dos pacotes de dados RTP; Contagem de Pacotes do Remetente: Contagem total de pacotes RTP encaminhados pelo remetente até o momento de geração deste relatório; Contagem de Octetos do Remetente: Número total e octetos de payload encaminhados pelo remetente deste relatório, ou seja, sem contar o cabeçalho ou padding; SSRC-n (identificador de origem): Identificador do SSRC de origem; Fração Perdida: Campo indica a fração de pacotes RTP perdidos da origem identificada no campo SSRC-n desde o encaminhamento do pacote SR ou RR anterior; Número Cumulativo de Pacotes Perdidos: Informa o número total de pacotes RTP, da origem identificada no campo SSRC-n, perdidos desde o início da sessão. Pacotes recebidos fora de ordem não são contabilizados neste campo; Maior Número de Sequência Recebido: Campo informa o maior número de sequência recebido em um pacote RTP da origem definida no campo SSRC-n, e a quantidade de ciclos de números de sequência que podem ser mantidos; Interarrival Jitter: Campo informa uma estimativa de tempo de jitter dos pacotes RTP recebidos pelo SSRC-n; Último Timestamp SR (LSR): Retorna os 32 bits centrais dos 64 bits contidos no NTP timestamp recebido como parte do relatório RTCP mais recente da origem SSRC-n; Atraso desde o Último SR (DLRS): Campo representa o atraso em segundos entre o recebimento do último pacote SR da origem SSRC-n e o envio deste relatório. Os campos de pacotes RR são os mesmos dos pacotes SR, com a exceção do valor representado em Tipo de Pacote que passa a ser 201, e dos campos NTP Timestamp, RTP Timestamp, Contagem de Pacotes do Remetente e Contagem de Octetos do Remetente que não constam em pacotes RR. Os pacotes SDES são responsáveis por identificar os participantes em uma sessão RTP, provendo a possibilidade de relacionar pacotes de mídias distintos, como por exemplo áudio e vídeo. Esta identificação é realizada através do campo CNAME, que deve ser um identificador exclusivo para cada participante de uma sessão, possuindo o formato user@host. Além do

35 33 CNAME, em pacotes SDES constam dados referente ao nome do participante, , telefone e localização geográfica do mesmo, sendo este tipo de pacote identificado através do campo tipo de pacote número 202. O pacote BYE, identificado pelo tipo 203, é enviado sempre que um participante deixa de pertencer a uma sessão RTP. Após o recebimento deste pacote, o remetente identificado no SSRC é excluído pelos demais membros da sessão das suas tabelas de participantes. O pacote APP é identificado pelo tipo 204, e é destinado para uso experimental de novas aplicações e desenvolvimento de novos recursos, sem a necessidade de registro de um novo tipo de pacote. O protocolo RTCP foi desenvolvido também com o propósito de que sistemas de monitoramento terceiros possam capturar e interpretar os seus pacotes de feedback para analisar o desempenho do sistema de comunicação, bem como auxiliar na identificação de problemas na infraestrutura de VoIP (SCHULZRINNE et al., 2003). 2.3 SDP Session Description Protocol O SDP (Session Description Protocol), definido por Handley, Jacobson e Perkins (2006) é um protocolo que possui a incumbência de fornecer informações, em um formato padrão, referente aos fluxos de mídia de sessões multimídias. Esta descrição contém informações essenciais para o início de transmissões de mídias, como detalhes referente a própria mídia e endereços de transporte (HANDLEY; JACOBSON; PERKINS, 2006). Em uma comunicação SIP, é de responsabilidade do SDP transmitir entre as partes envolvidas informações referente a codecs de mídia, endereços IP e portas de transporte que serão utilizadas para a transmissão dos pacotes RTP e RTCP. O SDP, porém, não agrega na sua solução um protocolo de transporte, dependendo de outros protocolos, como o SIP, para exercer esta função. Para o estabelecimento de uma sessão, as seguintes informações de descrição de sessão devem ser consideradas: Nome de sessão; Propósito da sessão; Tempo em que a sessão está ativa; Informações referente a mídia: Tipo de mídia: áudio, vídeo; Protocolo de transporte: RTP, UDP, IP; Formato da mídia: g.729, g.711, MPEG;

36 34 Tabela 1 Descrição de Sessão SDP Linha Descrição Obrigatório v= Versão do protocolo SDP Sim o= Originador e idenficador de sessão Sim s= Nome da sessão Sim i= Informações da sessão Não u= URI de descrição Não e= Endereço de Não p= Número de telefone Não c= Informações da conexão Não b= Informações referente a consumo de banda Não z= Ajustes de fuso horário Não k= Chave de criptografia Não a= Linhas destinadas a atributos de sessão Não t= Tempo de início e finalização da sessão Sim r= Número de repetições Não Fonte: Adaptado de Handley, Jacobson e Perkins (2006) Tabela 2 Descrição de Mídia SDP Linha Descrição Obrigatório m= Descrição da mídia e endereço de transporte Sim i= Título da mídia Não c= Informações de conexão Não b= Informações referente a consumo de banda Não k= Chave de criptografia Não a= Linhas destinadas a atributos de mídia Não Fonte: Adaptado de Handley, Jacobson e Perkins (2006) Informações necessárias para o recebimento da mídia: Endereço remoto para envio dos pacotes de mídia; Portas de transporte para o encaminhamento da mídia. Estas informações de descrição de sessão são representadas através de linhas de texto do formato <tipo>=<valor>, onde <tipo> refere-se ao tipo de informação de descrição de sessão, representada por exatamente um caracter, e <valor> ao conteúdo deste tipo. A descrição de sessão pode ser dividida em dois níveis, sendo o nível de sessão responsável por descrever a sessão, conforme detalhado na Tabela 1, e o nível de mídia responsável por descrever os parâmetros de mídia, detalhado na Tabela Tipos de Linhas SDP Cada tipo de linha SDP relacionadas na Tabela 1 e Tabela 2 possuem características específicas, sendo detalhadas a seguir somente as consideradas importantes para o desenvolvimento deste trabalho.

37 Origem ("o=") Este campo define informações referente ao originador do pacote, incluindo informações de nome usuário, identificador de sessão, versão da sessão, tipo de rede (IN = Internet), tipo de endereço de rede (IPv4 ou IPv6) e endereço IP unicast. Este campo possui o seguinte formato: "o=<nome de usuário><id sessão><versão sessão><tipo de rede><tipo de endereço> <endereço unicast>" URI ("u=") Este campo deve ser utilizado como um ponteiro para obter informações adicionais referente a sessão. Somente um campo URI pode ser definido em uma descrição de sessão. Este campo é definido pelo formato "u=<uri>" Endereço de e número de telefone ("e=") e ("p=") Estes campos definem informações de contado de e número de telefone do responsável pela conferência, através do formato "e=<endereço de >" e "p=<número de telefone>" Informações da Conexão ("c=") A funcão destes campos é de definir os dados de conexão de uma sessão. Para cada descrição de mídia em uma sessão, um campo "c=" deve ser definido, ou apenas um caso seja definido a nível de sessão. O formato deste campo é definido por "c=<tipo de rede><tipo de endereço><endereço de conexão>", onde o subcampo tipo de rede é representado pelo valor IN, equivalente a Internet. No subcampo tipo de endereço deve ser informado o respectivo tipo de protocolo de Internet (IPv4 ou IPv6) utilizado. O campo endereço de conexão refere-se ao endereço IP do originador desta requisição Atributos ("a=") Os atributos são utilizados no SDP como principal meio para promover a sua expansão, podendo estes serem definidos para utilização a nível de sessão, a nível de mídia ou em ambos os níveis. Os atributos em nível de sessão aplicam-se a sessão em geral, e devem ser inseridos antes do primeiro campo de mídia. Atributos de mídia adicionam informações específicas sobre o fluxo de mídia. Os formatos dos campos atributos são representados de duas formas: "a=<atributo>" ou "a=<atributo>:<valor>". Atributos podem ser criados conforme a necessidade de desenvolvedores de aplicativos, po-

38 36 Tabela 3 Campos de linhas SDP Linhas Valores v= 0 o= ExSIP IN IP s= SIP Call c= IN IP t= 0 0 m= audio 5010 RTP.AVP a= rtpmap:18 G729/8000 a= rtpmap:8 PCMA /8000 a= rtpmap:0 PCMU/8000 a= rtpmap:101 telephone-event/8000 a= sendrecv Fonte: Adaptado de Handley, Jacobson e Perkins (2006) rém, Handley, Jacobson e Perkins (2006) já definem alguns atributos padrões. Estes envolvem funções diversas, entre as quais destacam-se o atributo "cat" que permite definir uma categoria para a sessão, atributos de controle de tempo como o "ptime" e "maxptime", que definem respectivamente o comprimento de tempo do áudio do pacote e o máximo de tempo permitido que pode ser encapsulado em cada pacote, o atributo "rtpmap" que fornece informações referente ao formato de payload a ser utilizado, e também informações referente a parâmetros de codificação e taxa de clock. Outros atributos fundamentais do SDP indicam se a aplicação deve operar em modo de somente recebimento de pacotes de mídia ("recvonly"), no modo de somente envio de pacotes de mídia ("sendonly"), no modo de envio e recebimento ("sendrecv"), ou no modo que não envia nem recebe ("inactive"). Se nenhum estes atributos for informado, é considerado que a sessão está operando no modo de envio e recebimento. Uma observação é que estes atributos são considerados somente para os pacotes de mídia, de modo que qualquer outro protocolo de controle, como por exemplo o RTCP, deverá ser processado normalmente Descrição de Mídia ("m=") O campo de descrição de mídia possui a função de descrever os tipos de mídia suportados que podem ser utilizados em uma sessão. Um pacote de descrição de sessão pode conter mais de uma linha de descrição de mídia, possuindo estas linhas o formato "m=<mídia> <porta><protocolo><fmt>". O subcampo mídia deve conter o tipo de mídia que será trafegado nesta sessão. Os tipos de mídias definidos são áudio, vídeo, texto, aplicativos e mensagens, podendo esta lista ser estendida caso haja esta necessidade. O subcampo porta é responsável por identificar a porta de transporte pela qual o fluxo de mídia foi transportada, e a qual deverá ser utilizada para o retorno deste fluxo. Para definição do tipo de protocolo que será utilizado para o transporte da

39 37 mídia ("UDP", "RTP/AVP" ou "RTP/SAVP"), é utilizado o subcampo protocolo, e por fim o subcampo fmt define os formatos de mídias suportados pela aplicação. Exemplos de campos de linhas SDP são detalhadas na Tabela OpenFlow As redes de computadores se tornaram comuns e fundamentais em empresas de qualquer segmento de negócio, entidades de ensino e até mesmo em residências. Porém, um dos grandes desafios que pesquisadores encontram é a relutância em poder realizar experimentos de novos protocolos de rede e roteamento em redes de produção, a fim de ter resultados convincentes em ambientes suficientemente realistas para implantação generalizada destes protocolos, o que acaba engessando o processo de criação de novos protocolos ou até mesmo provocando a implantação destes não suficientemente maduros (MCKEOWN et al., 2008). OpenFlow foi proposto com o intuito de tornar possível a execução de protocolos de redes experimentais em uma rede de produção, sem impactar no funcionamento e performance desta (MCKEOWN et al., 2008). O OpenFlow foi desenvolvido inicialmente para ser utilizado em redes de universidades para realização de experimentos em uma estrutura de rede de produção, porém, diversos projetos propõem a sua utilização para gerenciar e monitorar redes de produção, como é o caso dos projetos OMNI (MATTOS et al., 2011), QFlow (MATTOS; DUARTE, 2012) e QoSFlow (ISHIMORI et al., 2012). O OpenFlow visa atender a quatro requisitos que são atualmente os maiores empecilhos para as redes de pesquisa: Ser uma implementação de alto desempenho e de baixo custo; Ser capaz de suportar uma ampla gama de pesquisas; Suporte o isolamento completo da rede de produção da rede de pesquisa; Atenda as necessidades dos fabricantes de equipamentos de rede de plataformas fechadas, não necessitando a abertura dos seus códigos Componentes e Funcionamento Para possibilitar a compatibilidade do OpenFlow com equipamentos de diversos fornecedores, foi explorado o fato de que a maioria dos comutadores (switches, roteadores e access points) possuem em sua estrutura tabelas de fluxos, utilizadas para implementação de funcionalidades como NAT (Network Address Translation), QoS, firewall e também para coleta de estatísticas (MCKEOWN et al., 2008). Um conjunto comum de funções entre fabricantes e modelos de equipamentos foram constatados, funções estas que são exploradas pelo OpenFlow.

40 38 Um comutador OpenFlow possui pelo menos três partes distintas: uma tabela de fluxo, um canal seguro e o protocolo OpenFlow (MCKEOWN et al., 2008). A tabela de fluxo é uma associação da ação a ser tomada para cada entrada de fluxo no comutador. O canal seguro é responsável pela transmissão de dados entre os comutadores e o controlador OpenFlow, onde qualquer comunicação entre estes componentes pode ser criptografada através do protocolo TLS (Transport Layer Security) (PFAFF et al., 2011). Este canal é utilizado pelo controlador para configurar, gerenciar, receber eventos e encaminhar pacotes de saída (packet-out) para portas específicas nos comutadores. Já o protocolo OpenFlow é a linguagem padrão que possibilita a comunicação entre o controlador e os comutadores (MCKEOWN et al., 2008), possibilitando ao controlador adicionar, alterar e excluir entradas de fluxo (PFAFF et al., 2011). Os comutadores OpenFlow podem ainda ser divididos em duas categorias: Comutador OpenFlow Dedicado e Comutador com OpenFlow Habilitado (MCKEOWN et al., 2008): Comutador Openflow Dedicado: São comutadores que não suportam os processamentos normais de Layer 2 e Layer 3, onde obedecem exclusivamente as regras definidas pelo controlador OpenFlow, encaminhando os pacotes através da tabela de fluxos configurada por este. Em comutadores dedicados, três ações simples podem ser assumidas para cada fluxo de entrada. O pacote pode ser encaminhado para uma porta específica do comutador, podendo esta ser física ou virtual, o pacote pode ser encapsulado e transmitido através do canal seguro para o controlador, ficando a cargo deste decidir a ação a ser tomada, ou pode ser descartado, sendo esta última opção utilizada geralmente para implementação de recursos de segurança, para evitar por exemplo ataques de negação de serviço (MCKEOWN et al., 2008). Comutador com OpenFlow Habilitado: São comutadores comerciais nos quais são habilitados os recursos do OpenFlow. Em comutadores com OpenFlow habilitado, além das três ações disponíveis em comutadores dedicados, há a possibilidade de os pacotes de determinado fluxo seguirem o fluxo pelo pipeline padrão do comutador, separando assim o tráfego do OpenFlow do tráfego de produção. Outra forma para realizar esta separação é através da criação de VLANs distintas para estas duas redes. Para o pleno funcionamento de uma rede OpenFlow, além dos comutadores que possuem a função de encaminhamento e descarte de pacotes, há a necessidade de uma entidade responsável pela gerência dos fluxos de dados, chamado de controlador. O controlador é responsável por adicionar e remover entradas nas tabelas de fluxos dos comutadores, bem como receber pacotes através do canal seguro a fim de tomar determinadas decisões que o comutador não possui capacidade de tomar. A Figura 2 exemplifica uma topologia básica de uma rede OpenFlow, onde são representados os seus componentes. As tomadas de decisões em controladores e comutadores OpenFlow são baseadas nos campos de camadas 2, 3 e 4 do modelo OSI (Open Systems Interconnection) recebidos nos pacotes

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