Trabalho para a conclusão do curso de engenharia de telecomunicações no Instituto Nacional de Telecomunicações.

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Estudo e Implementação de um
Comutador KeyFlow 10Gbps para Redes
Definidas por Software
Gustavo Silva Borges, Luciano do Vale Ribeiro, Matheus da Costa de Souza, Natan
Elias Dionisio de Oliveira
Antônio Marcos Alberti

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Agenda____________________________________________________________________________
• Introdução
• SDN – Redes Definidas por Software
• OpenFlow
• KeyFlow
• Implementação
• Testes em Laboratório
• Conclusões
SDN

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Introdução
• Redes de Computadores
• Infraestrutura atual
• Equipamentos proprietários
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SDN – Software Defined Networking
• Necessidade de abertura da camada de software
• SDN – Software Defined Networking
• Separação entre plano de controle e plano de dados
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• Descrição do OpenFlow
• Desenvolvido pela Universidade de Stanford em 2008
• Objetivo de atender novas arquiteturas (fluxo de dados)
• Criação de novas regras no controlador
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OpenFlow

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OpenFlow
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• Regras definidas em tabela do comutador
• Controlador responsável pela tomada decisão

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• Desvantagem ou problema com OpenFlow
• Ocorre aumento da latência em torno de um milhão de
vezes, comparando a regra no começo da tabela com a
que está no final.
OpenFlow
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• Problemas de escalabilidade e perda de desempenho
OpenFlow
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• Descrição do KeyFlow
• Criação
• Diferenças para o OpenFlow
• Vantagens e Desvantagens
• Método de Encaminhamento
• Teorema Chinês dos Restos
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KeyFlow

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KeyFlow
• Foi proposto por pesquisadores da UFES em 2012
• Baseado no KIS – Key Information System

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• Diferenças para o OpenFlow
KeyFlow
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Aplicação da Rede KeyFlow____________________________________________________________________________

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Teorema Chinês do Resto
• Algoritmo utilizado pelo controlador para mapear os caminhos
em um rótulo R.
• Caminho = Chaves locais dos comutadores J = [J1, J2, ..., JN]
e suas portas de saída K = [K1, K2, ... , KN].
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Teorema Chinês do Resto
• Dado o rótulo R e o vetor J, é possível recuperar o vetor K, por
meio da seguinte operação:
𝐾𝑖 = 𝑅 𝑚𝑜𝑑 𝐽𝑖
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Cálculo do Rótulo
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Implementação____________________________________________________________________________
NetFPGA-10G:
• Xilinx Virtex-5.
• 4 transeivers 10Gbps.
• X8 PCI Express Gen 2.
• 4 RLDRAM’s
• 2 FLASH’s 256Mb.
• Interfaces de expansão.
• CPLD Xilinx.
• HW e SW open source.

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Implementação
Escopo:
• Descrição em Verilog.
• Ferramenta:
Xilinx ISE Design Suite
(SDK, ISim, XPS, ...).
• Fluxo: Descrição,
simulação, síntese e teste.

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Implementação
KeyFlow 10Gbps
Referências:
• Implementação 1Gbps
(NERDS - UFES).
• OpenFlow 10Gbps por
Tatsuya Yabe.
OpenFlow 10Gbps

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Implementação____________________________________________________________________________
NF10_10g_interface:
• Conversão entre os
barramentos XAUI e
XGMII.
• Executar a lógica da
subcamada MAC do padrão
Ethernet 10Gbps (IEEE
802.3-2012).
Pkt_preprocessor:
• Alterado do OpenFlow
10Gbps.
• Extrair o KeyFlow ID dos
pacotes.

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Implementação____________________________________________________________________________
Interface AXI
(Advanced eXtensible Interface):
• Padrão de interconexão SoC
definido pela ARM.
• Projetos desenvolvidos para
NetFPGA-10G utilizam uma
versão refinada pela Xilinx para
manter a interoperabilidade e o
reuso dos IPCores.

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Implementação____________________________________________________________________________
KeyFlow_processor:
• Cálculo do resto da divisão
entre chave local e rótulo do
pacote (KeyFlow ID).
• Alteração dos metadados do
pacote para determinar a
porta de saída.

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Implementação____________________________________________________________________________
Input_arbiter + outport_queues:
• Direciona os pacotes para as
portas de saída determinada no
Tuser.
• Possui filas de entrada e saída.

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Testes em laboratório
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• Descrição do ambiente de testes
• Taxas elevadas na casa dos Gbps
• Placa utilizada: hardware NT20E2-PTP – Napatech,
Possui 2 portas 10Gbps e permite captura e réplica de
pacotes.
• Características do Computador
Sistema Operacional Fedora 20, Kernel 3.19.8.
CPU 8x Intel Core i7-4770 @ 3.40GHz
Memória RAM 16 GB
HD 250 GB

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Testes em laboratório
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• Placa NT20EP-PTP
• Os pacotes foram gerados no formado pcap, a partir de
um script em Python
• Foram gerados 1000 pacotes com mesmos endereços
MAC de origem e destino, mudando apenas o campo
KeyFlow ID.

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Testes em laboratório
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• Conexão da placa NT20EP-PTP com comutador KeyFlow
• Os pacotes são transmitidos e recebidos pela aceleradora
passando pelo comutador (loop)

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Testes em laboratório
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• Pacotes recebidos pela placa aceleradora
• KeyFlow ID no campo Vlan ID do cabeçalho
• Conclusão: teste bem sucedido

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Conclusões____________________________________________________________________________
• Estudo e implementação em hardware do primeiro
comutador KeyFlow 10 Gbps.
• Material de referência para futuras implementações (está
sendo utilizado na Universidade de Bristol).
• Sugestão de trabalhos futuros:
- Ensaios com o comutador.
- Otimização do hardware.
- Testes para a comparação com uma rede puramente
OpenFlow.