On Scalability of Software-Defined Networking Bruno dos Santos Silva bruno.silva@ic.uff.br Instituto de Computação IC Universidade Federal Fluminense UFF 24 de Setembro de 2015 B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 1 / 30
Introdução 1 Introdução 2 Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 3 Escalabilidade em diferentes configurações de rede 4 Oportunidades e desafios 5 Conclusão B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 2 / 30
Introdução Apesar de todas as vantagens oferecidas pelo SDN, existe um questionamento quanto a performance e escalabilidade do mesmo. Esse questionamento surge do fato de o controlador do SDN ser centralizado. Intuitivamente, isso nos leva a pensar que o controlador não escala conforme a rede cresce. Não ajuda o fato de testes iniciais com o NOX apontarem um limite de 30.000 inicializações de fluxo por segundo mantendo um tempo abaixo de 10 ms para instalação do fluxo. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 3 / 30
Introdução O artigo argumenta que não há um gargalo inerente a escalabilidade do SDN, mas que essa preocupação vem de suposições. E que sem essas suposições, é possível projetar um plano de controle escalável. Porém, admite que há motivo para preocupação, mas com limitações a escalabilidade que não estão restritas somente ao SDN (i.e. protocolo de controle de redes tradicionais) B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 4 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 1 Introdução 2 Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 3 Escalabilidade em diferentes configurações de rede 4 Oportunidades e desafios 5 Conclusão B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 5 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Com a separação do plano de controle do plano de dados, os componentes podem evoluir de forma independente, tendo somente um API (application programming interfece) entre eles. Além disso, a visão centralizada da rede cria oportunidades para simplificar as aplicações de controle, acelerando as mudanças e inovações no plano de controle. Mas essa separação entre os planos também tem suas dificuldades. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 6 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Figura: Plano de controle e de dados podem ter diferentes topologias, usar diferentes tecnologias e evoluir de forma independente. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 7 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN O que abordar na separação dos planos A definição da API deve atender a necessidade de várias arquiteturas e deve facilitar a evolução independente de ambos os planos. Além disso, as empresas que comercializam switchs devem adotar a mesma API, caso contrário, redes estarão presas a vendedores específicos, o que pode dificultar a inovação. E a separação entre os planos traz, como já dito, preocupação quanto a escalabilidade. Isso por causa da possibilidade de gargalos e de alto custo na sinalização da rede. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 8 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Escalabilidade do controlador Como já visto, uma das formas de projetar uma rede SDN é delegar todas as funcionalidades de controle a um controlador centralizado, mas isto pode causar problemas de escalabilidade. Formas de tratar esse problema passam por utilizar paralelismo em sistemas multicore e melhorar a desempenho de E/S (i.e. Modificação no controlador NOX) Pode-se também reduzir o número de requisições enviadas ao controlador (i.e. DIFANE, DevoFlow). B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 9 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Escalabilidade do controlador Alternativamente, pode-se distribuir a tarefa do controlador para múltiplos controladores. Ter um único controlador não é uma característica intrínsica do SDN. É necessário somente ter uma visão unificada e abrangente da rede. E projetar aplicações de controle com o nível de consistência a mais fraco possível. a Termo utilizado no domínio de Programação Concorrente B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 10 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Escalabilidade do controlador Já existem soluções onde pode-se distribuir os elementos do plano de controle, mantendo uma visão geral da rede. Onix: plataforma de controle distribuída que facilita a implementação de um plano de controle distribuído. HyperFlow: sincroniza o estado da rede entre múltiplas instâncias de controladores, levando as aplicações, rodando em cada controlador, a assumir que possuem controle sobre toda a rede. Uma outra forma de distribuir o plano de controle é através de escopos, na qual aplicações que podem operar usando o estado local do switch (escopo local) são implantadas próximas ao plano de dados, aliviando outras partes do plano de controle, da carga. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 11 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Outras preocupações quanto a escalabilidade do SDN Carga elevada no controlador é só uma das preocupações quanto a escalabilidade do SDN. Outras causas de preocupação são: alto custo na inicialização de fluxos, e resiliência a falhas. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 12 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Alto custo na inicialização de fluxos Primeiros projetos de controladores (i.e. NOX e ETHANE) utilizavam um modelo reativo, no qual o controlador instalava o estado de encaminhamento no switch baseado em cada fluxo. Isso levou a suposição generalizada de que todos os sistemas SDN são reativos. No entanto, projetos proativos (no qual o encaminhamento é configurado antes da inicialização dos fluxos) são, não só aceitáveis, como podem evitar o atraso na inicialização de fluxos. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 13 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Alto custo na inicialização de fluxos Processo de configuração de fluxo Chega um fluxo no switch que não combina com nenhuma entrada na tabela de fluxo O switch gera uma nova requisição de fluxo para o controlador O controlador responde com uma nova regra de encaminhamento O switch atualiza sua tabela de fluxos B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 14 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Alto custo na inicialização de fluxos Devido a falta de recursos e a implementação não ótima de software, os switches suportam apenas algumas milhares de instalação de fluxos por segundo com uma latência inferior a 10 ms, enquanto que o Open vswitch é capaz de instalar dezenas de milhares. É, portanto, previsível que a atualização da FIB (Forwarding Information Base) será o fator principal na latência da configuração de fluxo pelo switch. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 15 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Alto custo na inicialização de fluxos No entanto, não levando em consideração essas limitações na configuração reativa de fluxo, a lógica de controle é quem então determina a escalabilidade do SDN. Isso porque um programa de controle instalando um caminho fim-a-fim baseado em fluxo não escala, já que a memória do switch é fixa mas o número de regras de encaminhamento cresce de acordo com o número de fluxos ativos na rede. Contudo, o programa de controle pode instalar regras agregadas que combinem com um grande número de micro-fluxos ou, proativamente instalar regras no núcleo da rede, enquanto classifica e rotula reativamente fluxo nas bordas. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 16 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Resiliência a falhas Resiliência a falhas e o tempo de convergência após uma falha sempre foram preocupações importantes em desempenho de redes. Porém, em SDN, dados controladores slave sincronizados por estado e um mecanismo escalável de descoberta de controladores caso um venha a falhar, teria-se o suficiente para que a rede continuasse funcionando. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 17 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Resiliência a falhas Processo de reparação de falha 1 O switch detecta uma mudança 2 O switch notifica o controlador 3 O programa de controle computa as ações de reparo 4 O programa de controle envia atualizações para o switch 5 O switch atualiza suas tabelas de encaminhamento B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 18 / 30
Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN Resiliência a falhas O tempo de propagação de falha em redes SDN não é pior do que em redes tradicionais, pois, em SDN, a informação é enviada diretamente para o controlador, enquanto que em redes tradicionais, a rede é inundada com notificações. Além disso, em SDN, a computação é efetuada em um controlador mais capaz do que em redes tradicionais. Portanto, o processo de recuperação de falhas em SDN não é pior do que em redes tradicionais e SDN pode utilizar as mesmas técnicas usadas em redes tradicionais para minimizar indisponibilidade. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 19 / 30
Escalabilidade em diferentes configurações de rede 1 Introdução 2 Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 3 Escalabilidade em diferentes configurações de rede 4 Oportunidades e desafios 5 Conclusão B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 20 / 30
Escalabilidade em diferentes configurações de rede Além de analisar métricas, pode-se também verificar padrões de escalabilidade e imprevistos em tipos específicos de redes. Para identificar padrões que possam ser generalizados e usados como referência no entendimento de problemas de escalabilidade, foram analisados os seguintes exemplos: Data centers Redes de provedores de serviços B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 21 / 30
Escalabilidade em diferentes configurações de rede Data centers O número absoluto de eventos de controle gerados em uma rede cuja escala é tão grande quanto dezenas de milhares de elementos é suficiente para sobrecarregar qualquer controlador centralizado. Uma forma de resolver esse problema é proativamente instalar regras nos switches, com custo de perda de precisão e reatividade no controlador. Caso seja necessário ter precisão, pode-se implantar as aplicações próximas aos switches. E, por último, pode-se utilizar controladores distribuídos, já que a sincronização de estados e configuração de fluxos teriam latência mínima, dada a baixa latência em redes de data centers. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 22 / 30
Escalabilidade em diferentes configurações de rede Redes de provedores de serviços Normalmente, redes de provedores de serviços estão distribuídas geograficamente, o que aumenta preocupações quanto a escalabilidade, configuração de fluxos, latência de convergência de estados e consistência. Uma vantagem da distribuição física da rede é que permite a criação de partições em diferentes regiões, cada uma com um controlador independente. Por também ter um grande número de fluxos, deve-se também se preocupar com limites de recursos para dados de fluxos. Uma solução simples para esse problema é a agregação de fluxos, que tem como custo a perda de granularidade no controle. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 23 / 30
Oportunidades e desafios 1 Introdução 2 Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 3 Escalabilidade em diferentes configurações de rede 4 Oportunidades e desafios 5 Conclusão B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 24 / 30
Oportunidades e desafios Existem outros aspectos além do desempenho, que permitem mensurar a escalabilidade de uma rede. Tais como: Gerenciabilidade: quão conveniente é gerenciar uma rede quando elementos de rede são adicionados, removidos ou modificados em larga escala Escalabilidade funcional: quanto esforço é necessário fazer para adicionar uma nova funcionalidade na rede B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 25 / 30
Oportunidades e desafios Abstrações comportamentais e de programação Processo de configuração de fluxo Apesar de fornecer uma API que expõe detalhes de interface entre plano de dados e controle, tal nível de detalhe não se faz necessário a quem gerencia a rede. Operadores e programadores necessitam de uma interface na qual possam especificar o comportamento desejado com o mínimo de esforço possível. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 26 / 30
Oportunidades e desafios Teste e verificação Teste ainda é um grande desafio para todos os tipos de redes, incluindo SDNs. Porém, SDNs já fornecem formas de teste que ainda não estão totalmente disponíveis para redes tradicionais. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 27 / 30
Extensibilidade Oportunidades e desafios Implementações atuais do SDN implementam apenas protocolos conhecidos cujo suporte é dado pela maioria do equipamentos. Conforme SDN cresce, novos protocolos ou versões terão que ser implementadas nas APIs atuais. Uma solução para esse problema seria fornecer uma API mais expressiva entre o plano de dados e o plano de controle. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 28 / 30
Conclusão 1 Introdução 2 Raizes das preocupações sobre escalabilidade em SDN 3 Escalabilidade em diferentes configurações de rede 4 Oportunidades e desafios 5 Conclusão B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 29 / 30
Conclusão Conclui-se que as preocupações referentes a escalabilidade em redes SDN não são causadas ou únicas a rede SDN. E que a maioria desses problemas podem ser resolvidos sem perda de benefícios oferecidos pelas redes SDN. Além disso, que SDNs oferecem a flexibilidade que permite a programação da rede e a gestão em escala. B. S. Silva (IC-UFF) On Scalability of SDN 24 de Setembro de 2015 30 / 30