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Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Em Direção às Redes Programáveis
na Internet do Futuro
Prof. Magnos Martinello
Universidade Federal do Espírito Santo - UFES
Centro Tecnológico - CT
Departamento de Informática - DI
Laboratório de Pesquisas em Redes e Multimidia –
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Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Specialized
Packet
Forwarding
Hardware
A
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Specialized
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Forwarding
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Operating
System
Operating
System
Operating
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Operating
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Operating
System
A
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3
Fechada
Internet atual
Fechada para Inovações na Infraestrutura
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Milhões de
linhas de
código fonte
5400 RFCs
Barreira para entrar
Bilhões de Portas
Lógicas - ASIC
Muitas funções complexas desperdiçadas na
infraestrutura
OSPF, BGP, multicast, differentiated services,
Traffic Engineering, NAT, firewalls, MPLS, …
Rede Engessada “Ossificada”
Specialized
Packet
Forwarding
Hardware
Operating
System
Feature Feature
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Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Estagnação na Inovação
●
Inovação em redes tem sido inferior à
outras áreas
●
Há inovação implantada em outras áreas
– OS: filesystems, schedulers, virtualização
– DS: DHTs, CDNs, MapReduce
●
Redes são basicamente as mesmas
– Ethernet, IP, WiFi
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Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Specialized
Packet
Forwarding
Hardware
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Specialized
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Forwarding
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Operating
System
Operating
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Operating
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Operating
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Operating
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Network Operating System
App App App
Abrindo caixas fechadas
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App
Simple Packet
Forwarding
Hardware
Simple Packet
Forwarding
Hardware
Simple Packet
Forwarding
Hardware
App App
Simple Packet
Forwarding
Hardware Simple Packet
Forwarding
Hardware
Network Operating System
1. Interface aberta para
o hardware
3. Uma API aberta e bem-definida 2. Ao menos um bom
Sistema Operacional extensível,
Preferencialmente de código aberto
Redes Definidas por Software
7
8Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Agenda
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Roteamento
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Créditos
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Scott Shenker's talk on the “The Future of
Networking, and the Past of Protocols”
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●
Trabalhos dos Alunos da UFES:
●
Mestrado: Ramon Ramos
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Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Software-Defined Networking (SDN)
• Não é apenas um sonho acadêmico
• Muito mais do que a onda do “OpenFlow”
- Um novo paradigma no plano de controle das redes
• A primeira parte dessa apresentação trata SDN a
partir dos princípios
- Foco nas abstrações chaves para o controle da rede
• Papel das abstrações em redes
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Fundações Intelectuais Fracas
•Redes atualmente construídas em fundações fracas
-Falta de abstrações fundamentais;
•Cursos de Redes ensinam um grande pacote de
protocolos ;
•Cursos de Sistema Operacionais ensinam princípios
fundamentais
-Exclusão mútua, princípios de sincronização;
-Arquivos, threads e outros blocos;
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Por que as fundações são fracas ?
●
Redes projetadas para serem simples
- Básico Ethernet/IP é simples e gerenciável
• Novos requisitos de controle tem trazido complexidade
- ACLs, VLANs, DPI,…
• Apesar disso a infraestructura ainda funciona ...
- Somente por causa da nossa grande habilidade de dominar
a complexidade
• Tal habilidade é uma benção e uma maldição
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Pontos de Vista
• A habilidade de dominar a complexidade não é a
mesma que a habilidade de extrair simplicidade
- Quando o sistema funciona, o foco está na primeira
- Quando o sistema é facil de usar, o foco está na
segunda
• De acordo com alguns pesquisadores:
- Redes nunca fez a transição !
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Como a Programação fez a transição ?
• Linguagens de máquina : nenhuma abstração
- Tinha que tratar com detalhes de baixo nível
• Linguagens de mais alto nível : OS e outras abstrações
- Sistema de arquivo, memória virtual, tipos abstratos de dados, ...
• Linguagens modernas : ainda mais abstrações
- Orientação ao objeto, garbage collection,...
Abstrações simplificam a programação
Mais simples escrever, manter, pensar sobre programas
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Camadas em Redes são a principal abstração
• Camadas provêem abstrações de serviço para o
plano de dados
- Camada de Rede (IP) provê um serviço de melhor esforço
- Camada de Transporte (TCP) provê um serviço de
entrega confiável de fluxo de bytes
• Não há abstrações para o plano de controle
- Não há um bloco de construção (building block)
sofisticado para controle/gerência
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Abstrações Precisam Separar 3 Problemas
• Modelo de Encaminhamento (forwarding)
• Distribuição do Estado
• Configuração Detalhada
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Abstração de Encaminhamento
• Plano de Controle precisa de um modelo de
encaminhamento flexível
- Comportamento especificado pelo programa de controle
• Isto abstrai o hardware de encaminhamento
- Crucial para evoluir além das soluções específicas dos fabricantes
(vendor-specific solutions)
• Flexibilidade e neutralidade do fabricante são valiosos
• Possibilidades:
- Programa geral na arquitetura x86, MPLS, OpenFlow,…..
- Diferentes compromissos flexibilidades/desempenho/implantação
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Abstração da Distribuição de Estado
Abstração Proposta : visão centralizada da rede
• Programa de Controle não precisa tratar com
caprichos do estado distribuído
- Complicado, fonte de muitos erros
- Abstração deve esconder disseminação/coleção dos
estados
• Programa de Controle opera na visão da rede
- Entrada: visão centralizada da rede (grafo)
- Saída: configuração de cada dispositivo de rede
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Sistema Operacional de Redes (NOS)
• NOS: sistema distribuído que cria uma visão da rede
- Roda nos servidores (controladores)
• Comunica-se com elementos de encaminhamento de rede
- Obtém informação do estado a partir dos elementos de encaminhamento
- Comunica as diretivas de controle para os elementos de encaminhamento
usando a abstração de encaminhamento
• Programa de Controle opera na visão da rede
- Programa de Controle não é um sistema distribuído
• NOS + Abstração de Encaminhamento = SDN (v1)
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Global Network View
Protocols Protocols
Control Program
Network Operating System
Software-Defined Networking (v1)
Control via
forwarding
interface
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Separação Clara das Preocupações
• Programa de Controle de Rede : especifica o
comportamento desejado na visão abstrata de redes
- Programa de Controle : mapea comportamento na visão
abstrata
• Virtualizador de rede: mapea o controle expresso na
visão abstrata em uma configuração
- Nypervisor: modelo abstrato da visão global
• NOS : distribui a configuração para os comutadores
físicos
- NOS: visão global dos comutadores físicos
24Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Agenda
●
Redes Definidas por Sofware (SDN) (30 min.)
●
Fundamentos
●
Desafios para Inovação em Redes
●
Visão geral do OpenFlow
●
Aplicações em SDN (30 min.)
●
Redes de DataCenter
●
Roteamento
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
O que é OpenFlow ?
• OF é uma API
– Permite controlar como pacotes são
encaminhados (e manipulados)
• Implementável em hardware de
prateleira (COTS)
• Permite implantar redes programáveis
– Não apenas redes configuráveis
– Independentes do fabricante (Vendor-
independent)
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Objetivos do OpenFlow (OF)
• Pespectiva do experimentador
– Validar seus experimentos em hardware
com tráfego real (at full line speed)
●
Perspectiva da indústria
– Reduzir custos nos equipamentos através
da comoditização e competição nos
controladores e no espaço das aplicações
– Desenvolvimento de novas funções e
protocolos (customizados)
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Ethernet Switch
27
Como funciona o OF ?
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Data Path (Hardware)Data Path (Hardware)
ControlControl
PathPath
Control Path (Software)Control Path (Software)
28
Como funciona o OF ?
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Data Path (Hardware)Data Path (Hardware)
ControlControl
PathPath
OpenFlowOpenFlow
OpenFlowOpenFlow
ControllerController
OpenFlow Protocol (SSL/TCP)
29
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Controller
PC
Hardware
Layer
Software
Layer
Flow Table
MAC
src
MAC
dst
IP
Src
IP
Dst
TCP
sport
TCP
dport
Action
OpenFlow Client
**5.6.7.8*** port 1
port 4port 3port 2port 1
1.2.3.45.6.7.8
OpenFlowExample
30
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
OpenFlow Basics
Flow Table Entries
Switch
Port
MAC
src
MAC
dst
Eth
type
VLAN
ID
IP
Src
IP
Dst
IP
Prot
L4
sport
L4
dport
Rule Action Stats
1. Forward packet to zero or more ports
2. Encapsulate and forward to controller
3. Send to normal processing pipeline
4. Modify Fields
5. Any extensions you add!
+ mask what fields to match
Packet + byte counters
31
VLAN
pcp
IP
ToS
Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Exemplos
Switching
*
Switc
h
Port
MAC
src
MAC
dst
Eth
type
VLAN
ID
IP
Src
IP
Dst
IP
Prot
TCP
sport
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dport
Action
* 00:1f:.. * * * * * * * port6
Flow Switching
port3
Switch
Port
MAC
src
MAC
dst
Eth
type
VLAN
ID
IP
Src
IP
Dst
IP
Prot
TCP
sport
TCP
dport
Action
00:20.. 00:1f.. 0800 vlan11.2.3.4 5.6.7.8 4 1726 80 port6
Firewall
*
Switch
Port
MAC
src
MAC
dst
Eth
type
VLAN
ID
IP
Src
IP
Dst
IP
Prot
TCP
sport
TCP
dport
Action
* * * * * * * * 22 drop
32
33Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
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Visão típica de um datacenter
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Datacenters,” in OFC, 2012, vol. 1.
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Em Direção às Redes Programáveis na Internet do Futuro

  • 1. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Em Direção às Redes Programáveis na Internet do Futuro Prof. Magnos Martinello Universidade Federal do Espírito Santo - UFES Centro Tecnológico - CT Departamento de Informática - DI Laboratório de Pesquisas em Redes e Multimidia – LPRM Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software - NERDS
  • 2. 2Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Agenda ● Redes Definidas por Sofware (SDN) (30 min.) ● Desafios para Inovação em Redes ● Fundamentos ● Visão geral do OpenFlow ● Aplicações em SDN (15 min.) ● Redes de DataCenter Programáveis ● Roteamento
  • 3. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware A p p A p p A p p Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware Operating System Operating System Operating System Operating System Operating System A pp A pp A pp 3 Fechada Internet atual Fechada para Inovações na Infraestrutura
  • 4. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Milhões de linhas de código fonte 5400 RFCs Barreira para entrar Bilhões de Portas Lógicas - ASIC Muitas funções complexas desperdiçadas na infraestrutura OSPF, BGP, multicast, differentiated services, Traffic Engineering, NAT, firewalls, MPLS, … Rede Engessada “Ossificada” Specialized Packet Forwarding Hardware Operating System Feature Feature 4
  • 5. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Estagnação na Inovação ● Inovação em redes tem sido inferior à outras áreas ● Há inovação implantada em outras áreas – OS: filesystems, schedulers, virtualização – DS: DHTs, CDNs, MapReduce ● Redes são basicamente as mesmas – Ethernet, IP, WiFi 5
  • 6. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware A p p A p p A p p Specialized Packet Forwarding Hardware A pp A pp A pp Specialized Packet Forwarding Hardware Operating System Operating System Operating System Operating System Operating System A pp A pp A pp Network Operating System App App App Abrindo caixas fechadas 6
  • 7. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software App Simple Packet Forwarding Hardware Simple Packet Forwarding Hardware Simple Packet Forwarding Hardware App App Simple Packet Forwarding Hardware Simple Packet Forwarding Hardware Network Operating System 1. Interface aberta para o hardware 3. Uma API aberta e bem-definida 2. Ao menos um bom Sistema Operacional extensível, Preferencialmente de código aberto Redes Definidas por Software 7
  • 8. 8Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Agenda ● Redes Definidas por Sofware (SDN) (30 min.) ● Desafios para Inovação em Redes ● Fundamentos ● Visão geral do OpenFlow ● Aplicações em SDN (10 min.) ● Redes de DataCenter ● Roteamento
  • 9. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Créditos ● Nick McKeown's SDN slides – http://www.openflow.org/downloads/NickTalk_OFELIA_Feb2011 .ppt ● Scott Shenker's talk on the “The Future of Networking, and the Past of Protocols” – http://www.slideshare.net/martin_casado/sdn-abstractions ● Trabalhos dos Alunos da UFES: ● Mestrado: Ramon Ramos ● Doutorado: Gilmar Luiz Vassoler
  • 10. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Software-Defined Networking (SDN) • Não é apenas um sonho acadêmico • Muito mais do que a onda do “OpenFlow” - Um novo paradigma no plano de controle das redes • A primeira parte dessa apresentação trata SDN a partir dos princípios - Foco nas abstrações chaves para o controle da rede • Papel das abstrações em redes
  • 11. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Fundações Intelectuais Fracas •Redes atualmente construídas em fundações fracas -Falta de abstrações fundamentais; •Cursos de Redes ensinam um grande pacote de protocolos ; •Cursos de Sistema Operacionais ensinam princípios fundamentais -Exclusão mútua, princípios de sincronização; -Arquivos, threads e outros blocos;
  • 12. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Por que as fundações são fracas ? ● Redes projetadas para serem simples - Básico Ethernet/IP é simples e gerenciável • Novos requisitos de controle tem trazido complexidade - ACLs, VLANs, DPI,… • Apesar disso a infraestructura ainda funciona ... - Somente por causa da nossa grande habilidade de dominar a complexidade • Tal habilidade é uma benção e uma maldição
  • 13. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Pontos de Vista • A habilidade de dominar a complexidade não é a mesma que a habilidade de extrair simplicidade - Quando o sistema funciona, o foco está na primeira - Quando o sistema é facil de usar, o foco está na segunda • De acordo com alguns pesquisadores: - Redes nunca fez a transição !
  • 14. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Como a Programação fez a transição ? • Linguagens de máquina : nenhuma abstração - Tinha que tratar com detalhes de baixo nível • Linguagens de mais alto nível : OS e outras abstrações - Sistema de arquivo, memória virtual, tipos abstratos de dados, ... • Linguagens modernas : ainda mais abstrações - Orientação ao objeto, garbage collection,... Abstrações simplificam a programação Mais simples escrever, manter, pensar sobre programas
  • 15. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Camadas em Redes são a principal abstração • Camadas provêem abstrações de serviço para o plano de dados - Camada de Rede (IP) provê um serviço de melhor esforço - Camada de Transporte (TCP) provê um serviço de entrega confiável de fluxo de bytes • Não há abstrações para o plano de controle - Não há um bloco de construção (building block) sofisticado para controle/gerência
  • 16. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Abstrações Precisam Separar 3 Problemas • Modelo de Encaminhamento (forwarding) • Distribuição do Estado • Configuração Detalhada
  • 17. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Abstração de Encaminhamento • Plano de Controle precisa de um modelo de encaminhamento flexível - Comportamento especificado pelo programa de controle • Isto abstrai o hardware de encaminhamento - Crucial para evoluir além das soluções específicas dos fabricantes (vendor-specific solutions) • Flexibilidade e neutralidade do fabricante são valiosos • Possibilidades: - Programa geral na arquitetura x86, MPLS, OpenFlow,….. - Diferentes compromissos flexibilidades/desempenho/implantação
  • 18. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Abstração da Distribuição de Estado Abstração Proposta : visão centralizada da rede • Programa de Controle não precisa tratar com caprichos do estado distribuído - Complicado, fonte de muitos erros - Abstração deve esconder disseminação/coleção dos estados • Programa de Controle opera na visão da rede - Entrada: visão centralizada da rede (grafo) - Saída: configuração de cada dispositivo de rede
  • 19. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Sistema Operacional de Redes (NOS) • NOS: sistema distribuído que cria uma visão da rede - Roda nos servidores (controladores) • Comunica-se com elementos de encaminhamento de rede - Obtém informação do estado a partir dos elementos de encaminhamento - Comunica as diretivas de controle para os elementos de encaminhamento usando a abstração de encaminhamento • Programa de Controle opera na visão da rede - Programa de Controle não é um sistema distribuído • NOS + Abstração de Encaminhamento = SDN (v1)
  • 20. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Global Network View Protocols Protocols Control Program Network Operating System Software-Defined Networking (v1) Control via forwarding interface
  • 21. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Separação Clara das Preocupações • Programa de Controle de Rede : especifica o comportamento desejado na visão abstrata de redes - Programa de Controle : mapea comportamento na visão abstrata • Virtualizador de rede: mapea o controle expresso na visão abstrata em uma configuração - Nypervisor: modelo abstrato da visão global • NOS : distribui a configuração para os comutadores físicos - NOS: visão global dos comutadores físicos
  • 22. 24Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Agenda ● Redes Definidas por Sofware (SDN) (30 min.) ● Fundamentos ● Desafios para Inovação em Redes ● Visão geral do OpenFlow ● Aplicações em SDN (30 min.) ● Redes de DataCenter ● Roteamento
  • 23. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software O que é OpenFlow ? • OF é uma API – Permite controlar como pacotes são encaminhados (e manipulados) • Implementável em hardware de prateleira (COTS) • Permite implantar redes programáveis – Não apenas redes configuráveis – Independentes do fabricante (Vendor- independent)
  • 24. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Objetivos do OpenFlow (OF) • Pespectiva do experimentador – Validar seus experimentos em hardware com tráfego real (at full line speed) ● Perspectiva da indústria – Reduzir custos nos equipamentos através da comoditização e competição nos controladores e no espaço das aplicações – Desenvolvimento de novas funções e protocolos (customizados)
  • 25. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Ethernet Switch 27 Como funciona o OF ?
  • 26. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Data Path (Hardware)Data Path (Hardware) ControlControl PathPath Control Path (Software)Control Path (Software) 28 Como funciona o OF ?
  • 27. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Data Path (Hardware)Data Path (Hardware) ControlControl PathPath OpenFlowOpenFlow OpenFlowOpenFlow ControllerController OpenFlow Protocol (SSL/TCP) 29
  • 28. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Controller PC Hardware Layer Software Layer Flow Table MAC src MAC dst IP Src IP Dst TCP sport TCP dport Action OpenFlow Client **5.6.7.8*** port 1 port 4port 3port 2port 1 1.2.3.45.6.7.8 OpenFlowExample 30
  • 29. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software OpenFlow Basics Flow Table Entries Switch Port MAC src MAC dst Eth type VLAN ID IP Src IP Dst IP Prot L4 sport L4 dport Rule Action Stats 1. Forward packet to zero or more ports 2. Encapsulate and forward to controller 3. Send to normal processing pipeline 4. Modify Fields 5. Any extensions you add! + mask what fields to match Packet + byte counters 31 VLAN pcp IP ToS
  • 30. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Exemplos Switching * Switc h Port MAC src MAC dst Eth type VLAN ID IP Src IP Dst IP Prot TCP sport TCP dport Action * 00:1f:.. * * * * * * * port6 Flow Switching port3 Switch Port MAC src MAC dst Eth type VLAN ID IP Src IP Dst IP Prot TCP sport TCP dport Action 00:20.. 00:1f.. 0800 vlan11.2.3.4 5.6.7.8 4 1726 80 port6 Firewall * Switch Port MAC src MAC dst Eth type VLAN ID IP Src IP Dst IP Prot TCP sport TCP dport Action * * * * * * * * 22 drop 32
  • 31. 33Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Agenda ● Redes Definidas por Sofware (SDN) (30 min.) ● Fundamentos ● Desafios para Inovação em Redes ● Visão geral do OpenFlow ● Aplicações em SDN (15 min.) ● Redes de DataCenter ● Roteamento
  • 32. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Visão típica de um datacenter
  • 33. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Network-Centric Datacenter
  • 34. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Server-Centric DataCenter Network
  • 35. Optical Cross-Braced Hypercube [3] H. Cui, D. Rasooly, M. R. N. Ribeiro, and L. Kazovsky, “Optically Cross-Braced Hypercube : a Reconfigurable Physical Layer for Interconnects and Server-Centric  Datacenters,” in OFC, 2012, vol. 1.
  • 38. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Perspectiva de Trabalhos e Projetos ● DataCenter Centrado em Servidores com Roteamento em múltiplos caminhos ● NFV (Funções de Redes Virtualizadas) ● Projeto FUTEBOL: Federated Union of Telecommunications Research Facilities for an EU-Brasil Open Laboratory
  • 39. KeyFlow: SDN in Core Networks