Redes definidas por software

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1 Programa de Pós-Graduação Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense Aula 1 Redes definidas por software Internet do Futuro Igor Monteiro Moraes Engenharia de Redes

2 ATENÇÃO! Este apresentação contém partes das seguintes apresentações: Campista, M. E. M., Ferraz, L. H. G., Moraes, I. M., Lanza, M. L. D., Costa, L. H. M. K., and Duarte, O. C. M. B. - "Interconexão de Redes na Internet do Futuro: Desafios e Soluções", in Minicursos do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores - SBRC'2010, pp , Gramado, RS, Brazil, May Moreira, M. D. D., Fernandes, N. C., Costa, L. H. M. K., and Duarte, O. C. M. B. - "Internet do Futuro: Um Novo Horizonte", in Minicursos do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores - SBRC'2009, pp. 1-59, Rio de Janeiro, RJ, Brazil, May Nick McKeown, "Software-defined Networking, Infocom Keynote Talk, April 2009, Rio de Janeiro, Brazil

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5 É a Internet! 1969 à 1999

6 Como surgiu a Internet?

7 Como tudo começou Outubro de 1957 Soviéticos lançam o primeiro satélite artificial da Terra, o Sputnik I

8 Sputinik I Sputnik I

9 Para lançar um satélite

10 Para lançar um satélite É semelhante a um míssil!

11 A reação dos EUA Criação da ARPA (Advanced Research Projects Agency) 1958 Sistema de defesa antimísseis Detecção de testes de bomba nuclear

12 A reação dos EUA ARPANET é um dos projetos selecionados 1964 Licklider, Kleinrock, Baran e Roberts Objetivo Desenvolver uma rede para interconectar computadores para acessar dados e programas de qualquer lugar e de maneira fácil e rápida

13 A reação dos EUA ARPANET é um dos projetos selecionados 1964 Licklider, Kleinrock, Baran e Roberts Objetivo Desenvolver uma rede para interconectar computadores para acessar dados e programas de qualquer lugar e de maneira fácil e rápida Características da rede Topologia distribuída Baseada na comutação de pacotes

14 Qual topologia é mais robusta?

15 a) Centralizada b) Descentralizada C) Distribuída

16 a) Centralizada b) Descentralizada C) Distribuída

17 Topologia distribuída Redundância de caminhos Uma bomba não anularia a comunicação a) Centralizada b) Descentralizada C) Distribuída

18 Por que comutação de pacotes?

19 Comutação de pacotes Divisão da mensagem em pacotes, encaminhamento dos pacotes e remontagem da mensagem no destino Encaminhamento da mensagem por diferentes caminhos redundantes

20 Disponibilidade Destino Origem

21 Comutação Sistema telefônico Comutação de Circuitos Internet Comutação de Pacotes

22 Sistema telefônico Objetivo Conectar fios a outros fios Não se importa com a conversação telefônica O importante é o estabelecimento de um caminho entre a origem e o destino

23 Sistema telefônico Central A Rede telefônica Central B

28 Sistema telefônico Central A Rede telefônica Objetivo é conectar os usuários: apenas ligar os fios Central B

29 Problemas Nenhuma informação é transferida antes do estabelecimento da chamada Eficiência decresce com Aumento do tempo de estabelecimento da chamada Aumento da banda passante do canal Diminuição do tempo de duração da chamada Falha da chamada se um dos elementos do caminho falha Confiabilidade decresce exponencialmente com a escala

30 Comutação de pacotes Foco no sistema final e não mais no caminho Mensagem divida em pedaços (os pacotes) encaminhados de forma independente uma das outras Pacotes com endereço final do destino Semelhante a uma carta enviada pelo correio Pacotes encaminhados nó-a-nó Podem percorrrer caminhos diferentes até o destino

31 Navegação Web Usuário digita a URL Internet cliente servidor

32 Navegação Web Usuário digita a URL Internet cliente servidor A máquina cliente faz uma consulta ao DNS para descobrir o endereço IP que hospeda a página de interesse

33 Navegação Web Usuário digita a URL Internet cliente servidor Cliente HTTP inicia conexão TCP a servidor HTTP (processo) a pela porta padrão 80

34 Navegação Web Usuário digita a URL Internet HTTP REQ cliente servidor Cliente HTTP envia mensagem de pedido indicando que deseja receber o objeto

35 Navegação Web Usuário digita a URL Internet HTTP RESP <html>... </html> cliente servidor Servidor HTTP recebe mensagem de pedido e envia a resposta contendo objeto solicitado

36 Navegação Web Usuário digita a URL Internet cliente servidor Cliente HTTP recebe mensagem de resposta contendo arquivo HTML e visualiza HTML.

37 Mais exemplos FTP Transferir um arquivo de/para uma estação de/para um servidor remoto Login remoto Conectar um usuário a um servidor remoto Correio eletrônico Transferir uma mensagem de/para agentes de usuário, que rodam nas estações dos usuários, e entre servidores de correio

38 Mais exemplos FTP Transferir um arquivo de/para uma estação de/para um servidor remoto Login remoto Conectar um usuário a um servidor remoto Correio eletrônico Transferir uma mensagem de/para agentes de usuário, que rodam nas estações dos usuários, e entre servidores de correio Objetivo é conectar estações

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40 IMP O primeiro roteador da Internet, 1969 Interface Message Processor Minicomputador Honeywell DDP kb de memória 10 khz de relógio Leonard Kleinrock Professor da UCLA

41 A primeira mensagem Cenário Comunicação entre a UCLA e Stanford e acompanhamento do que se passava pelo telefone Objetivo Fazer login remoto no servidor de Stanford

42 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L?

43 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo.

44 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo. Digitei o O e perguntei, você viu o O?

45 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo. Digitei o O e perguntei, você viu o O? Sim, eu vi o O

46 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo. Digitei o O e perguntei, você viu o O? Sim, eu vi o O Em seguida, digitei o G e

47 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo. Digitei o O e perguntei, você viu o O? Sim, eu vi o O Em seguida, digitei o G e, o sistema travou!

48 A primeira mensagem Kleinrock tenta fazer o LOGIN remotamente Digitei o L e pelo telefone perguntei, você viu o L? Sim eu vi o L, mande o próximo. Digitei o O e perguntei, você viu o O? Sim, eu vi o O Em seguida, digitei o G e, o sistema travou! O teste foi um sucesso!

49 Evolução da Internet IMPs interconectavam computadores nos EUA todo 1972 RFC 354 File-Transfer Protocol (FTP) 1972 Primeiro Ray para endereço de ¾ do tráfego era de s Vinton Cerf (UCLA) e Robert Kahn (ARPA) propõem Transmission Control Protocol and Internet Protocol (TCP/ IP) Mais rápido e mais eficiente Mais computadores com menor custo

50 Evolução da Internet IMPs interconectavam computadores nos EUA todo 1972 RFC 354 File-Transfer Protocol (FTP) 1972 Primeiro Ray para endereço de TCP/IP é considerado o marco inicial da Internet 1973 ¾ do tráfego era de s Vinton Cerf (UCLA) e Robert Kahn (ARPA) propõem Transmission Control Protocol and Internet Protocol (TCP/ IP) Mais rápido e mais eficiente Mais computadores com menor custo

51 Evolução da Internet 1986 maioria dos departamentos norte americanos de ciência da computação estão conectados a Internet 1990 NSFNET substitui a ARPANET 25 vezes mais rápida 1990 Tim Berners-Lee propõe "World-Wide Web 1991 acesso discado à Internet 1991 Gopher primeira interface amigável 1993 Mosaic Mark Andreessen propõe o primeiro navegador

52 Evolução da Internet 1986 maioria dos departamentos norte americanos de ciência da computação estão conectados a Internet 1990 NSFNET substitui a ARPANET 25 vezes mais rápida 1990 Tim Berners-Lee propõe "World-Wide Web 1991 acesso discado à Internet 1991 Gopher primeira interface amigável 1993 Mosaic Daí pra frente é só sucesso de crescimento de usuários e número de aplicações Mark Andreessen propõe o primeiro navegador

53 Sucesso da Internet Rádio 38 anos para chegar a 50 milhões de usuários Televisão 13 anos para chegar a 50 milhões de usuários Internet pública 4 anos para chegar a 50 milhões de usuários

54 O que mudou? ¼ da população mundial está conectada!

55 O que mudou?

56 O que mudou?

57 O que mudou? Perfil dos usuários Especializados à maioria não especializada

58 O que mudou?

59 O que mudou? No início da Internet

60 O que mudou? Hoje +

61 O que mudou? Operadores e prestadores de serviço visam lucro Operadores devem ser capazes de gerenciar Configurar Resolver problemas Implementar elementos intermediários (Middleboxes) Proxies, firewalls, NATs etc. Implementar políticas roteamento, controle de acesso, prioridade etc.

62 E o princípio de funcionamento da rede mudou? NÃO!

63 E o princípio de funcionamento da rede mudou? NÃO!

64 Princípios da Internet Modelo em camadas Comutação de pacotes e melhor esforço Transparência Princípio fim-a-fim Entrega imediata Heterogeneidade de sub-rede Endereçamento global Controle distribuído Cálculo global do roteamento Divisão em regiões Dependência mínima

65 Princípio fim-a-fim Princípio FUNDAMENTAL da Internet Funções específicas de nível de aplicação devem estar presentes apenas nas extremidades Motivação Só com o conhecimento da aplicação (nas extremidades) as funções específicas podem ser implementadas de forma correta e completa núcleo simples e inteligência nas extremidades

66 Evolução Princípios básicos da Internet Definidos nos anos 70 Responsáveis pelo grande sucesso No entanto, a Internet precisou se adaptar ao seu crescimento e às suas aplicações Evolução através de remendos

67 Colcha de retalhos DNS CIDR IP Multicast Cache e Firewalls IP Sec Internet DiffServ e IntServ NAT IP Móvel

68 A colcha de retalhos pode se romper? É preciso uma nova Internet?

69 Nova Internet? Por quê? Para muitos usuários a rede atual funciona bem Para muitos pesquisadores não há nada melhor do que a Internet atual e seus dois pilares Simplicidade no núcleo e inteligência nas extremidades Pilha TCP/IP Razão do sucesso

70 Mais razões de sucesso... Simplicidade Rede: entrega baseada no melhor esforço Estações programáveis: aplicações arbitrárias Permite a inovação na borda Aplicações Web, P2P, VoIP, redes sociais, etc. Redes de acesso Ethernet, fibra óptica, WiFi, redes celulares, etc.

71 Mas no núcleo... Equipamentos fechados Software empacotado com o hardware Interfaces específicas por vendedor Especificação superdimensionada Padronização de protocolos é lenta Poucas pessoas podem inovar Vendedores de equipamentos escrevem o código Muito tempo para introduzir novas funcionalidades

72 Mas no núcleo... Equipamentos fechados Software empacotado com o hardware Interfaces específicas por vendedor Especificação superdimensionada Padronização de protocolos é lenta Poucas pessoas podem inovar Vendedores de equipamentos escrevem o código A Internet está ossificada! Muito tempo para introduzir novas funcionalidades

73 É preciso uma nova Internet? SIM! Uma nova rede para permitir inovação Ok. Estou convencido J

76 Como seria a nova Internet? É possível criar uma Internet melhor do que a atual?

77 Começando do Zero Internet Atual - Modelo em camadas - IPv4 - TCP - RIP, OSPF, BGP - Melhor Esforço - DNS

78 Começando do Zero Internet do Futuro começando do zero???? Considerando o conhecimento que existe hoje, como projetar a nova Internet? - Quais os requisitos? - Como testar propostas radicais? - Como migrar da Internet atual para a nova Internet?

79 Como testar as propostas para uma nova Internet?

80 Análise matemática Poderosa, mas complexa Exemplo de desafio Modelo matemático Representação dinâmica de competição de fluxos Algoritmos de congestionamento Estrutura estatística das aplicações Mecanismos de filas e escalonamento Novas ferramentas matemáticas Teoria da probabilidade, estatística, sistemas dinâmicos de eventos discretos, redes complexas etc.

81 Simulação Modelos simplificados Tráfego Topologia Cenário Etc. Elemento real Modelagem Modelo simulado Resultado Resultados de simulação não correspondem aos obtidos em implementações reais

82 Avaliação experimental Problema Como reproduzir a escala da Internet? Propostas Emulação Criação de plataformas de teste (testbeds) Atração de tráfego real

83 Emulab 376 PCs, 7 roteadores e servidores Universidade de Utah

84 ORBIT 400 nós sem-fio É possível configurar a topologia, tecnologia de rede, etc.

85 Ainda está longe da escala da Internet... O que fazer? Usar a própria Internet!

86 Ainda está longe da escala da Internet... O que fazer? Usar a própria Internet!

87 PlanetLab 1353 nós em 699 sítios

88 PlanetLab Alcance mundial 699 sítios espalhados pelos continentes Amplamente utilizado para testes de rede Mais de 1000 pesquisadores desde 2003 Baseado nos conceitos de Redes sobrepostas Virtualização

89 Virtualização Abstração de recursos computacionais Fazer um único recurso físico funcionar como múltiplos recursos lógicos conceitual computadores Fa2a 1 Fa2a N Máquina virtual 1 Máquina virtual N Virtualização Virtualização Recursos Computador

90 Virtualização Diversos sistemas operacionais Mesma máquina física Compartilham recursos Isolados

91 Virtualização Abstração de recursos computacionais Fazer um único recurso físico funcionar como múltiplos recursos lógicos roteadores Roteador virtual1 Roteador virtual N Virtualização Roteador

92 PlanetLab Divisão dos nós em fatias isoladas Diversos testes em paralelo Um em cada fatia VM 1 VM 2 VM n Monitor de Máquinas Virtuais Arquitetura de um nó do PlanetLab

93 PlanetLab

94 PlanetLab

95 PlanetLab

96 PlanetLab

97 PlanetLab Usuário NAT Servidor

98 PlanetLab Prós Teste de aplicações em escala global Qualquer estação da Internet (TCP/IP) pode ser um nó Contras Não é útil para testar idéias radicais para a Internet Rede sobreposta rodando acima da rede TCP/IP Herança de todos os problemas do TCP/IP

99 Como testar as propostas para uma nova Internet? Plataformas de teste em larga escala De preferência, usando a infraestrutura da Internet

100 Como construir plataformas de teste usando a própria infraestrutura de rede? SDN! Finalmente! J

103 Rede de produção Elemento de rede

104 Como usar o tráfego da rede de produção para testes? Compartilhar o equipamento de rede!

105 Como usar o tráfego da rede de produção para testes? Compartilhar o elemento de rede!

106 OpenFlow Elemento de rede padrão Comutador Ethernet Plano de controle (software) Plano de dados (hardware)

107 OpenFlow Roteador Comutador Ethernet Plano de controle (software) Plano de dados (hardware)

108 OpenFlow Roteador Comutador Ethernet Plano de controle (software) Plano de dados (hardware) Protocolos de roteamento, gerenciamento

109 OpenFlow 109 Roteador Comutador Ethernet Plano de controle (software) Protocolos de roteamento, gerenciamento Plano de dados (hardware) Busca na tabela, encaminhamento

110 OpenFlow Plano de controle Tabela de fluxos Plano de dados (hardware) Elemento de rede com suporte ao OpenFlow

111 OpenFlow Controlador OpenFlow Canal seguro SSL, Protocolo OpenFlow Plano de controle Tabela de fluxos Plano de dados (hardware) Elemento de rede com suporte ao OpenFlow

112 OpenFlow Canal seguro SSL, Protocolo OpenFlow Controlador OpenFlow É um elemento externo! Plano de controle Tabela de fluxos Plano de dados (hardware) Elemento de rede com suporte ao OpenFlow

113 Separação do Tráfego Controlador Pesquisa Produção Tab.de fluxos Processamento normal

114 Prós: Inovação! OpenFlow Switch Rule Action Statistics Controlador Código do João PC OpenFlow Switch OpenFlow Switch Rule Action Statistics Rule Action Statistics OpenFlow Protocol Pesquisadores podem PROGRAMAR a rede Reproduzido de OpenFlowSwitch.org João

115 Por que rede definida por software? Porque o software de controle está desacoplado do hardware de encaminhamento Por definição É uma rede na qual o plano de controle é fisicamente separado do plano de encaminhamento Um único plano de controle controla diversos dispositivos de encaminhamento

116 Contras Controlador é centralizado Ponto único de falha Escalabilidade É preciso modificar os equipamentos de rede Vendedores vão gostar da idéia? Gostaram! J

117 Equipamentos OpenFlow Juniper MX-series NEC IP8800 WiMax (NEC) HP Procurve 5400 Cisco Catalyst 6k Pronto, IWnetworks Quanta LB4G IBM

118 E a partir daí começa a onda...

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121 GENI Global Environment for Network Innovations Financiado pela NSF, EUA Objetivos Desenvolver um laboratório virtual para a experimentação de redes em larga escala Laboratório altamente Instrumentado Programável Mais detalhes:

122 Ofelia OpenFlow in Europe: Linking Infrastructure and Applications Financiado pela comunidade européia Objetivo Criar uma plataforma de testes única que permita aos pesquisadores Testar os experimentos Controlar a rede de forma precisa e dinâmica Baseado no OpenFlow e no conceito de federação Mais detalhes:

123 Horizon/FITS Dois projetos financiados pela ANR (França) e pela FINEP e pelo CNPq (Brasil) UFRJ, Unicamp, PUC-Rio, UFF, UFPE, UFRGS entre outras Objetivos Sistema de pilotagem para controlar as múltiplas redes virtuais Segurança para a Internet do Futuro

124 SDN é a única alternativa para programar a rede? NÃO!

125 Virtualização de redes Uma única rede é capaz de atender a todos os requisitos? Não. É preciso uma arquitetura pluralista Múltiplas redes virtuais operando simultaneamente Internet programável Deixa de ser uma rede homogênea e genérica Arquitetura mais fácil de ser implantada A velha e a nova Internet podem coexistir

126 Arquitetura atual Uma única pilha de protocolos Menos flexível Roteador físico Enlace físico

127 Virtualização de redes Múltiplas pilhas Mais flexível Roteador físico Enlace físico

128 Virtualização de redes Múltiplas pilhas Mais flexível Roteadores virtuais Roteador físico Enlace físico Redes virtuais usuário

131 Virtualização de redes Control Software Control Software Forwarding table Control Software Forwarding table Forwarding table Control Software Control Software Control Software Forwarding table Forwarding table Forwarding table Control Software Forwarding table Control Software Control Software Forwarding table Forwarding table Control Software Forwarding table Control Software Forwarding table Control Software Forwarding table Control Software Control Software Control Software Forwarding table Forwarding table Forwarding table

132 Virtualização de redes Múltiplas pilhas de protocolos Redes não devem interferir Facilidade de evolução e testes de novas soluções Palavra-chave: Virtualização

133 Virtualização Abstração de recursos computacionais Fazer um único recurso físico funcionar como múltiplos recursos lógicos conceitual roteadores Fa2a 1 Fa2a N Roteador virtual1 Roteador virtual N Virtualização Virtualização Recursos Roteador

134 Como será a nova Internet? Depende de vocês!

135 Como será a nova Internet? Depende de vocês!

136 Programa de Pós-Graduação Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense Aula 1 Redes definidas por software Internet do Futuro Igor Monteiro Moraes Engenharia de Redes