Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software
Em Direção às Redes Programáveis
na Internet do Futuro
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Em Direção às Redes Programáveis na Internet do Futuro

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As novas demandas impostas sobre as tecnologias de rede atuais e futuras (DataCenters, Operadoras, Provedores de Acesso, Serviço e Conteúdo ) são muito mais desafiadoras que as da Internet ou mesmo do que as exigências estritas dos tradicionais sistemas de telecomunicações. Essa palestra tem por objetivo apresentar o estado da arte na programabilidade de redes com base nos conceitos de (I) Redes Definidas por Software (Software Defined Networks - SDN) e (II) (Network Functions Virtualization - NFV). Esses conceitos serão discutidos na perspectiva da Internet do Futuro, como habilitadores na direção de prover programabilidade na arquitetura de rede.

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Em Direção às Redes Programáveis na Internet do Futuro

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 16. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Abstrações Precisam Separar 3 Problemas • Modelo de Encaminhamento (forwarding) • Distribuição do Estado • Configuração Detalhada
  17. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 25. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Ethernet Switch 27 Como funciona o OF ?
  26. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 32. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Visão típica de um datacenter
  33. 33. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Network-Centric Datacenter
  34. 34. Núcleo de Estudos em Redes Definidas por Software Server-Centric DataCenter Network
  35. 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.
  36. 36. Our setup
  37. 37. Our setup
  38. 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. 39. KeyFlow: SDN in Core Networks

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