Gerenciamento e Interoperabilidade de Redes

SDN – Software Defined NetworksRedes Definidas por Software

Verticalização

Fechado, proprietário

Inovação lenta

AppAppAppAppAppAppAppAppAppAppApp

Horizontalização

Interfaces abertas

Inovação rápida

Plano de

Controle

Plano de

Controle

Plano de

Controle ou ou

Interface Aberta

Plano de

Controle

Especializado

Hardware

Especializado

Funcionalidades

especializadas

Chip Comercial

(commodity)

Interface Aberta

Black-Box Networking vs. Software Defined Networking

Windows

(OS)

Windows

(OS)

LinuxMac

OS

x86

(Computer)

Windows

(OS)

AppApp

LinuxLinux

Mac

OS

Mac

OS

Virtualization layer

App

Controller 1

AppApp

Controller

2

Virtualization or “Slicing”

App

OpenFlow

Controller 1NOX

(Network OS)

Controller

2Network OS

Tendência

Computer Industry Network Industry

Oportunidade para que se crie uma nova indústria

para software de (gerenciamento e controle) de rede.

“Mainframe”

Milhões de linhas de código!

5400 RFCs!

Muitas funções complexas na infraestruturaOSPF, BGP, multicast, serviços diferenciados,engenharia de tráfego, NAT, firewalls, MPLS, …

Indústria “relutante” a mudanças

Rede “Ossificada”

Specialized Packet Forwarding Hardware

OperatingSystem

Feature Feature

Roteamento, gerenciamento, gerenciamento de mobilidade, controle de acesso, VPNs, …

Problema de Controle de Redes

• Configuração de cada dispositivo físico

– Ex, tabelas de encaminhamento, ACLs,…

• Opera sem garantia de comunicação

• Opera dentro de determinado protocolo de rede

• Em conjunto, tarefas complexas!

• A área de redes está sendo transformada por um novo paradigma que transformou um mercado de 30 anos de switches e roteadores.

Indústria: Rede vs. Equipamentos de Computadores

Gerenciamento de Redes

• Complexa

• Muitos erros

• Configurações de rede mudam constantemente

• Configuração distribuída é uma má ideia

• Mudanças resultam em erros

• Redes de um câmpus ou empresa podem ter

– Milhões de linhas de configuração

– Milhares de dispositivos

– Centenas de mudanças todos os anos

Redes de Computadores Tradicionais

Como é hoje:

• Um dispositivo de rede é constituído por um plano de dadosque liga as várias portas de rede e um plano de controleque é o cérebro de um dispositivo (implementa umprotocolo).

• Como concebidos os equipamentos de rede, exigem quedeterminada função seja implementada de formadistribuída: o controle está em cada um dos equipamentos.Roteadores e switches são muito caros principalmentedevido aos componentes de controle;

• Ao mesmo tempo que cresce a computação elástica, o custoda potência computacional estava diminuindo ao ponto deter milhares de processadores à disposição.9

Redes de Computadores Tradicionais

Plano de dados:

Encaminhamento, filtragem, buffer,

marcação, etc

Controlar mudanças de topologia, calcular

rotas, etc

Plano de controle:

Algoritmos distribuídos

Redes de Computadores Tradicionais

Coletar medidas e configurar equipamentos

Plano de gerenciamento

Redes de Computadores Tradicionais

Rumo ao Software-Defined Network (SDN)Redes Definidas por Software

Open Network Foundation

ONF – Open Network Foundation – suporta comercialmente os esforços de SDN e é a autoridade de padronização (Criada em 2011).

Mercado de SDN:

SDN

Ideia: A potência de processamento pode ser aproveitada para executar um plano de controle logicamente centralizado e usar hardware de comutação barato:

SDN – Software Defined Networks ou Redes Definidas por Software

• Os propositores de SDN perceberam que os fornecedores de equipamentos de rede não atendiam suas necessidades, particularmente quanto a inovação e desenvolvimento.

• Se alguém quisesse experimentar um novo protocolo , como o firmware não suportava, fazia-se uma requisição ao fabricante e esperava-se todas as etapas do desenvolvimento (meses, anos…).

15

Definição SDN

• Software-defined networks (SDN)

Uma abordagem arquitetônica que otimiza e simplifica asoperações de redes ligando intimamente aplicações eserviços de rede reais ou virtuais. Para este objetivoemprega um ponto de controle central – o controlador SDN– que media e facilita a comunicação entre aplicações quepretendem interagir com os elementos de rede e oselementos de rede que querem transmitir informações aestas aplicações. O controlador expõe e abstrai funções derede e operações via uma interface programável,bidirecional, moderna e application-friendly.

(Derivada da ONF)

16

Como evoluir?

• Joga fora o que foi feito até hoje ? É mais provável uma abordagem híbrida:

– pelo qual uma parte das redes sejam operadas por um controlador logicamente centralizado;

– outras partes seria executadas pelo plano de controle distribuído mais tradicional.

Isso implica que esses dois mundos devem interagir uns com os outros.

Software Defined Networking (SDN)

API para o plano de dados

(e.g., OpenFlow)

Controle logicamente centralizado

Switches

Inteligente ,

+ lento

“Burro”,

rápido

Lógico x Literal

Nível Aplicação19

A centralização literal traz as dificuldades:

• Escalabilidade: como um ponto central daria conta de sessões com cada equipamento gerenciado?

• Alta disponibilidade: se um único ponto falhar, a rede toda falhará;

• Distância geográfica: Manter um ponto próximo facilita operação e minimiza atrasos.

Plano de controle centralizado logicamente faz mais sentido quecentralizado literalmente: algum protocolo deve sincronizar oscontroladores fisicamente distribuídos.

App

Simple Packet Forwarding

Hardware

Simple Packet Forwarding

Hardware

Simple Packet Forwarding

Hardware

App App

Simple Packet Forwarding

HardwareSimple Packet Forwarding

Hardware

Sistema Operacional de Rede

1. Interface aberta ao hardwareex, OpenFlow

3. APIs bem definidas2. Um sistema operacional, extensível,

possivelmente open-source

A “Rede Definida por Software”

Source: N. McKeown et al. http://www.openflow.org

Software Defined Network (SDN)

Global Network View

Network Virtualization

PacketForwarding

PacketForwarding

PacketForwarding

PacketForwarding

Abstract Network View

Control

Programs

f View( )Control

Programs

f View( )Control

Programs

f View( )firewall.c

…

if( pkt->tcp->dport == 22)

dropPacket(pkt);

…

PacketForwarding

Network OS1. <Match, Action>2. <Match, Action>3. <Match, Action>4. <Match, Action>5. <Match, Action>6. …7. …

1. <Match, Action>2. <Match, Action>3. <Match, Action>4. <Match, Action>5. <Match, Action>6. …7. …

1. <Match, Action>2. <Match, Action>3. <Match, Action>4. <Match, Action>5. <Match, Action>6. …7. …

1. <Match, Action>2. <Match, Action>3. <Match, Action>4. <Match, Action>5. <Match, Action>6. …7. …1. <Match, Action>

2. <Match, Action>3. <Match, Action>4. <Match, Action>5. <Match, Action>6. …7. …

Exemplos de uso

– Switch– Switch por fluxo– Controle de acesso a

rede/firewall– VLANs– Novos protocolos de

roteamentounicast, multicast, multipath

– Home network manager– Processamento de pacotes– IPvUser

– VM migration– Balanceamento de

carga– Gerenciamento de

mobilidade– Gerenciamento de

energia– Monitoramento de

redes e visualização– Debugging de rede– Fatiamento (slicing) de

rede

… e muito mais!

Ex: Controle de Acesso Dinâmico

• Inspeciona primeiro pacote de umaconexão

• Consulta a política de controle de acesso

• Instala regras para bloquear ou rotear o tráfego

Ex: Mobilidade/Migração

• Verifica host enviando tráfego em nova localidade

• Modifica regras para rotear o tráfego

Ex: Balanceamento de carga de servidores

• Política de balanceamento de carga pré-instalada

• Separa tráfego baseado no IP fonte

25

src=0*

src=1*

Virtualização de Redes

26

Particiona a rede

Controlador #1 Controlador #2 Controlador #3

Arquitetura SDN

OpenFlow

• Alguns engenheiros de Stanford criaram o protocolo – Openflow

• A motivação para SDN e OpenFlow foi a flexibilidade de comoprogramar o dispositivo de rede e não onde está a programação. 28

OpenFlow

• Primeiro protocolo padronizado para gerenciamento de SDN• Controla como pacotes são direcionados e manipulados• Torna as redes programáveis

– Não apenas configurável (ex., via CLI)– Independente de vendedor

• Torna inovação mais fácil

• Objetivo (pesquisa):– Validar experimentos em hardware instalado com tráfego real

• Objetivo (indústria):– Redução de custos (equipamentos) – Customização e desesenvolvimento de novas características de

rede (ex: protocolos).

Como Funciona o Open Flow?

Componentes OpenFlow

Controlador

Switch

Controlador

• Definição do próximo salto do pacote

- Atualiza o plano de dados

- Interface de programação

- Mais alto nível para os desenvolvedores

- Aplicações mais sofisticadas

• Visão global da rede

- Vários elementos encaminhadores -> Um controlador

- Melhor tomada de decisões

Separação de Planos

- Host1 envia um pacote

- Se não há regras para tratar este

pacote

Encaminha ao controlador

Controlador instala um fluxo

- Próximos pacotes deste fluxo

não passam pelo controlador

Controller

PC

Camada de Hardware

Camadade Software

Flow Table

MACsrc

MACdst

IPSrc

IPDst

TCPsport

TCPdport

Ação

Cliente OpenFlow

**5.6.7.8*** port 1

port 4port 3port 2port 1

1.2.3.45.6.7.8

Exemplo OpenFlow

Básico OpenFlowEntradas das tabelas de fluxo

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

L4sport

L4dport

Regra Ação Stats

1. Encaminhar pacotes para uma ou várias portas2. Encapsular e encaminhar ao controlador3. Modificar campos4. Qualquer outra extensão necessária!

+ quais campos comparar

Packet + contadores bytes

VLANpcp

IPToS

Exemplos

Switching

*

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

TCPsport

TCPdport

Action

* 00:1f:.. * * * * * * * port6

Flow Switching

port3

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

TCPsport

TCPdport

Action

00:20.. 00:1f.. 0800 vlan1 1.2.3.4 5.6.7.8 4 17264 80 port6

Firewall

*

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

TCPsport

TCPdport

Action

* * * * * * * * 22 drop

Exemplos

Roteamento

*

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

TCPsport

TCPdport

Action

* * * * * 5.6.7.8 * * * port6

VLAN Switching

*

SwitchPort

MACsrc

MACdst

Ethtype

VLANID

IPSrc

IPDst

IPProt

TCPsport

TCPdport

Action

* * vlan1 * * * * *

port6, port7,port9

00:1f..

Controle Centralizado vs Distribuído

Controle Centralizado

OpenFlowSwitch

OpenFlowSwitch

OpenFlowSwitch

Controlador

Controle Distribuído

OpenFlowSwitch

OpenFlowSwitch

OpenFlowSwitch

Controlador

Controlador

Controlador

Roteamento por Fluxo vs. Agregação

Fluxo

• Cada fluxo é configuradoindividualmente pelocontrolador

• Tabela de fluxo contém umaentrada fluxo

• Bom para controle “fino”, ex. campus networks

Agregação

• Uma entrada de fluxo cobrevários grupos de fluxos• Tabela de fluxo contém umaentrada por categoria de fluxo

•Bom para alto número de fluxos, e.g. backbone

Reativo vs. Pró-ativo

Reativo

• Primeiro pacote do fluxoaciona o controlador parainserir entradas de fluxo

• Uso eficiente da tabela de fluxo

• Se há perda de conexão com o controlador , funcionalidade fica limitada

Pró-ativo

• Controlador pré-configuratabela de fluxo no switch• Tempo de configuração de novos fluxos é zero • Perda de controle de conexãonão interrompe o tráfego

Implementações OpenFlow(Switch e Controlador)

OpenFlow/SDN Timeline

Source: G. Appenzeller (BigSwitch)

OpenFlow

ControllerNOX/POX

SlicingSoftwareFlowVisor

FlowVisorConsole

45

ApplicationsLAVIENVI (GUI)

Expedientn-Casting

NetFPGASoftware

Ref. SwitchBroadcom Ref. Switch

OpenWRTPCEngineWiFi AP

Commercial Switches Stanford Provided

OpenFlowSwitches

Open Daylight

Stanford Provided

Monitoring/debugging toolsoflopsoftrace openseer

OpenVSwitch

HP, NEC, Pronto, Juniper.. and many

more

Beacon Floodlight Maestro Ryu

Ciena Coredirector

NEC IP8800UNIVERGE PF5240

OpenFlow hardwareJuniper MX-series

HP Procurve 5400

Pronto 3240/3290

WiMax (NEC)

PC EnginesNetgear 7324

Growing CommunityVendors and start-ups Providers and business-unit

More... More...

SDN

• Modularidade permite inovação independente

• Reinvenção das redes

• Momento significativo

– Academia e indústria

• Inovação é a proposição da SDN

– SDN não permite fazer o impossível

– SDN apenas permite fazer o possível de maneiramais fácil

Referências

• Slides elaborados a partir de:

• Christian Rothenberg - OpenFlow e redes definidas por software, CPqD

• Jennifer Rexford – Software Defined Networking.

• Dorgival Guedes, Luiz Filipe Menezes Vieira, Marcos Menezes Vieira, Henrique Rodrigues e Rogério Vinhal Nunes. Redes Definidas por Software: uma abordagem sistêmica para o desenvolvimento de pesquisas em Redes de Computadores. XXX Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos - SBRC 2012

Gerenciamento e Interoperabilidade de Redes

NFV – Network Function VirtualizationVirtualização de Funções de Rede

Fonte: Adaptado de D. Lopez Telefonica I+D, NFV

Entrando na era definida por software

Fonte: Adaptado de D. Lopez Telefonica I+D, NFV

v

▪ Funções de rede são baseadas em sotware sobre hardware

bem conhecido

▪ Várias funções em um mesmo hardware

ORCHESTRATION, AUTOMATION

& REMOTE INSTALL

DPIBRAS

GGSN/

SGSN

Firewall

CG-NAT

PE Router

VIRTUAL

APPLIANCES

STANDARD HIGH

VOLUME

SERVERS

Modelo de rede virtualizado: Abordagem VIRTUAL APPLIANCE v

▪ Funções de rede são baseadas em hardware e

software específico

▪ Um nó físico para cada função

DPI

BRASGGSN/SGSN

Session Border

ControllerFirewall CG-NAT

PE Router

Modelo de rede tradicional:Abordagem APPLIANCE

NFV• Tornar a rede mais flexível e simples minimizando a

dependência de limitações de hardware

NFV

Por que precisamos de NFV(/SDN)?

1. Virtualização: Usar recursos de rede sem se preocupar sobre onde estáfisicamente localizado, como está organizado, etc.

2. Orquestração: Gerenciar milhares de dispositivos

3. Programável: Deve ser capaz de mudar o comportamento “on the fly”.

4. Escala dinâmica: Deve ser capaz de mudar tamanho, quantidade

5. Automation

6. Visibilidade: Monitorar recursos e conectividade

7. Desempenho: Otimizar utilização de dispositivos de rede

8. Múltiplos tenants

9. Service Integration

10. Abertura: Livre escolha de plug-ins modulares

Source: Adapted from Raj Jain

Arquitetura de alto nível

Camadas NFV

Referências

• Slides elaborados a partir de:

• César Marcondes - Evoluções da Tecnologia NFV, sua Sinergia com SDNe Impactos e Oportunidades na Rede FIBRE. XXXII Simpósio Brasileirode Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos, Florianópolis,Maio de 2014

• César Marcondes e Christian E. Rothenberg. Network FunctionsVirtualization NFV - Perspectives, Reality and Challenges. IFIP/IEEEInternation Symposium on Integrated Network Management – Ottawa,Canadá, Maio 2015.

• Abhilash Thottakath Chakkan e Nimmagadda M. Syamsundar – SDN and NFV - An overview of SDN and NFV Architecture and Use Cases –Unisys, Novembro 2016.