KeyFlow: Comutação por Chaves Locais de Fluxos Roteados na Borda via Identificadores Globais

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1 : Comutação por Chaves Locais de Fluxos Roteados na Borda via Identificadores Globais Rafael Emerick Z. de Oliveira, Rômulo Vitoi Prof. Moises R. N. Ribeiro, Prof. Magnos Martinello UFES-Universidade Federal do Espírito Santo Projeto Cidades Digitais - FAPES/FINEP Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos - SBRC 13 9 de Maio de 2013 SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 1/27

2 in a nutshell... É uma técnica para viabilizar o paradigma SDN para o núcleo das redes. Requisitos: Baixa latência/jitter no plano de dados. Encaminhamento de pacotes Estabelecimento de caminhos Redução da necessidade de comunicação com o controlador. Busca viabilizar a simplificação da pilha de protocolos com maior integração com a L1. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 2/27

3 Agenda Introdução 1 Introdução SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 3/27

4 Introdução - Contexto Contexto Diagnóstico do Problema Computação em núvem EaaS - Everything as a Service Forte dependência da infraestrutura de rede. Prover o máximo de transparência para máxima qualidade de experiência dos usuários. Datacenters geograficamente distribuídos. Necessidade de tratamento diferenciado para fluxos vs. limitações das adaptações do IP. Processos remotos compartilhando recursos. Pouca integração e flexibilização dos recursos ativos da infraestrutura. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 4/27

5 Introdução - Contexto (II) Contexto Diagnóstico do Problema Computação científica Gargalo da conectividade entre nós remotos de processamento. Baixa integração das camadas intermediárias (L4,L3) com as camadas inferiores (L2,L1). Barreira: garantia de vazão e a limitação de latência vs. custo. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 5/27

6 Introdução - Contexto (III) Contexto Diagnóstico do Problema Internet do Futuro SDN/OpenFlow Desburocratização do processo evolucionário das redes. Desacomplamento: Indústria X Inovação. Redução de custos. Simplificação. (Até que ponto?) SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 6/27

7 Introdução - Contexto (IV) Contexto Diagnóstico do Problema Figura: Latência de ativação de regras por comutador OpenFlow. 1 1 Rotsos et al., 2012 (PAM 12, Vienna, Austria) SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 7/27

8 Diagnóstico do Problema Contexto Diagnóstico do Problema A estrutura de manutenção de estado na rede de núcleo pode inviabilizar o OpenFlow neste contexto. Lookup da tabela de manutenção de estados no plano de dados. Sinalização da rede para estabelecimento de caminhos e reserva recursos. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 8/27

9 Proposta - Contexto Diagnóstico do Problema é uma proposta de simplificação do encaminhamento dos comutadores OpenFlow. Tem por objetivo criar conectividades entre dois nós por meio de um link lógico dinâmico e de baixa latência. A redução na latência é esperada devido a simplificação definitiva do encaminhamento, sem a necessidade manutenção de estados. (FIB, RIB, etc.) Para isto, cada caminho (ou circuito) é associado a um rótulo global computado via Teorema Chinês dos Restos (TCR). No núcleo, é realizada a função resto da divisão entre o rótulo global do pacote e a chave local instalada no comutador. Esta operação determina a porta de saída equipamento. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 9/27

10 Trabalhos relacionados Principais Referências Comparação com o MPLS Novel scheme for packet forwarding without header modifications in optical networks. [Wessing, H. et al., 2002]. OpenFlow: Enabling innovation in campus networks. [McKeown, N., et al., 2008] Fabric: A restrospective on envolving SDN. [Casado, M. et al.,2012]. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 10/27

11 Mas o MPLS já não faz isso? Principais Referências Comparação com o MPLS O tempo de estabelecimento do caminho. Dependência dos caminhos estabelecidos (relação caminho x porta). Necessidade de sinalização constante. Complexidade relativa de implementação. Reserva de recurso apenas na borda da rede. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 11/27

12 Visão Geral Principais características Teorema Chinês dos Restos - Esboço da Visão Geral da Proposta SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 12/27

13 Visão Geral Principais características Teorema Chinês dos Restos - Esboço da Visão Geral da Proposta Cada rótulo define um caminho fim-a-fim em cada sentido. Maior simplicidade no encaminhamento. Estado na borda: roteamento exclusivo nas bordas. Recuperação de falhas controlada rapidamente pelos equipamentos de borda. Núcleo muito semelhante a um fabric switch. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 13/27

14 Teorema Chinês dos Restos Visão Geral Principais características Teorema Chinês dos Restos SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 14/27

15 OBS: Sempre existirá um rótulo para identificar unicamente os caminhos (rotas no núcleo) desde que a chave atribuíada ao comutador seja maior que o número de portas do dispositivo. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 15/27 Exemplo Introdução Visão Geral Principais características Teorema Chinês dos Restos

16 Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos Modificação do Protótipo em relação ao comutador OpenFlow ref. Stanford. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 16/27

17 Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos Ambiente Experimental - Ocupação de Recursos SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 17/27

18 Ambiente Experimental Físico Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos Métrica utiliza: RTT. (Experiência do Usuário) SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 18/27

19 Ambiente Experimental Lógico Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos OpenFlow SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 19/27

20 Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos Volume de Dados de Ocupação da Tabela de Fluxos SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 20/27

21 RTT Max e RTT Mín. Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 21/27

22 RTT Médio e RTT Desv.Padrão Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 22/27

23 Protótipo Ambiente Experimental Resultados Obtidos Ganho relativo do em relação ao OpenFlow SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 23/27

24 Conclusões Introdução Conclusões Trabalhos Futuros Agradecimentos é uma alternativa de comutacao sem manutenção de estado baseada em chaves com o objetivo de melhorar a eficiência e a escalabilidade em redes SDN com alto de volume de fluxos. Os resultados mostraram que o apresenta uma significativa redução na variabilidade da entrega dos quadros em cerca de 70%. O número de elementos no núcleo da rede não incrementou significativamente o RTT de comunicação, mostrando a escalabilidade no núcleo da solução em relação ao OpenFlow Verificou-se que a identificação dos fluxos pela combinação de rótulo global/chave local reduz drasticamente o volume de dados necessários para ativação de fluxos nos comutadores de uma rede OpenFlow. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 24/27

25 Trabalhos Futuros Introdução Conclusões Trabalhos Futuros Agradecimentos Implementação do em outros comutadores de alto desempenho (NetFPGA) para realização de avaliações na escala de (sub)microsegundos. Embarcar a solução em dispositivos de pequena capacidade de processamento. (Prateleira) Definição do protocolo de distribuição de chaves e interação com as bordas para reatividade aos fluxos de rede. Definição de um cabeçalho adequado para transporte do rótulo. SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 25/27

26 Agradecimentos Introdução Conclusões Trabalhos Futuros Agradecimentos Agradecimentos a FAPES - Fundação de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo. Projeto Cidades Digitais. Processo n o SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 26/27

27 Dúvidas? Introdução Conclusões Trabalhos Futuros Agradecimentos Obrigado pela atenção! Rafael Emerick Z. de Oliveira - rafael.emerick@ufes.br Rômulo Vitóio - ravitoi@inf.ufes.br Prof. Magnos Martinello - magnos@inf.ufes.br Prof. Moisés R. N. Ribeira - moises@ele.ufes.br SBRC 13 UFES - Universidade Federal do Espírito Santo 27/27