Internet do Futuro - Definida por Software

Alextian Bartholomeu LiberatoDiego Mafioletti

Estrutura da Apresentação

• Internet e Datacenters• Rede Definida por Software• Desafios• Princípios• Ambiente Virtual - Moodle• Demonstração/Visita• Resultados Esperados!

Datacenters

Arquiteturas Datacenters

Arquiteturas Datacenters

Fonte: COUTO et al., 2012

Os servidores desempenham umpapel duplo: execução das aplicações e também a retransmissão do tráfego entre os servidores.

Comoditização de Datacenters

InfiniBand

Duas abordagens

Comoditização

Fonte: TOP500, 2013

• Agilidade• Escalabilidade• Tolerância a Falhas• Múltiplos Caminhos• Configuração Automática• Custo

Requisitos de Datacenters

• Encaminhamento Ethernet• Encaminhamento Híbrido

IP/Ethernet• VLAN• MPLS

Técnicas de Encaminhamento

Redes Definidas por Software - SDN

Fonte: Adaptado (ONF,2012)

OpenFlow

OpenFlow fornece um protocolo aberto para programar as tabelas de encaminhamento dos equipamentos da rede.

Fonte: Sherwood et al. 2009

OpenFlow

Fonte: McKeown et al. 2008

Virtualização de rede

Algumas vantagens

Distribuição de Rotas

Visualização da Rede

OpenFlow

Fonte: Shourmasti, 2013

OpenFlow

Fonte: Shourmasti, 2013

OpenFlow Features

Fonte: Shourmasti, 2013

Desafios• Tecnologias:

– Spanning Tree, VLAN, criação de sub-redes..• Técnicas de encaminhamento:

– Não oferecem desempenho, agilidade e flexibilidade..• Virtualização de Servidores:

– Permitir múltiplas máquinas virtuais (VMs).• Equipamento de prateleira:

– Switches de baixo custo não fornece, desempenho, escalabilidade e tabela de encaminhamento.

• Estas limitações não são resolvidas apenas aumentando a capacidade do enlace;

• Característica ausente (SDN x DCN):–Gerenciamento do datacenter–Gerenciamento de processamento

computacional e armazenamento–Operações diretas na rede

Desafios

Princípios do Projeto de uma Arquitetura de Datacenter Programável

• A hipótese é que se for construída uma arquitetura para DC empregando-se os seguintes princípios:

1. Separação do plano de controle do plano de dados2. Controle centralizado3. Separação da computação de rotas do tratamento de falhas4. Roteamento na origem e5. Separação semântica nos endereços (identificador e localizador)• Então o DC será programável provendo a flexibilidade exigida pelas

aplicações com garantias de desempenho e baixo custo.

Princípio 1• Separação do Plano de Controle do Plano de Dados:

– Utiliza protocolo aberto (OpenFlow);– Permite prototipação, inclusive com rede em produção;– “Sistema Operacional de Rede” é separado do plano de

dados (encaminhamento);– Inovação.

Detalhe Princípio 1

Plano de Controle

Plano de Dados

Aplicação1

Aplicação2Aplicaçãon

OpenFlow

S1

S2

S3

Princípio 2

• Controle Centralizado:–Visão centralizada no datacenter;–O controlador:

(i) calcular todas as rotas entre cada par de hosts (conjunto), e (ii) instalar regras de encaminhamento nos comutadores.

Detalhe Princípio 2

Controlador

• Separação da Computação de Rotas do Tratamento de Falhas:– Separação de cálculo das rotas (na topologia implantada)

do tratamento de falhas (quando ocorrem mudanças no estado dos enlaces);

– Ignorar todas as mudanças de estado e apenas recalcular caminhos quando ocorrerem mudanças de topologia.

Princípio 3

Detalhe Princípio 3

s d

Controlador

Princípio 4• Roteamento Embarcado na Origem:

– Rota definida no cabeçalho do pacote.– Simplifica o núcleo ( baixa latência e maior

throughput).– Escalabilidade no plano de dados tornando os

elementos de encaminhamento sem estado.

Detalhe Princípio 4

S1 S2

S3 S4 S5 S6

S7 S8 S9 S10

s d

Controlador

Pacote

Pacote

Roteamento Plano!

Princípio 5

• Separação Semântica nos Endereços (Identificador e Localizador):–Em essência, separar o localizador do

identificador de modo que seja transparente para os hosts e compatível com o hardware existente.

Detalhe Princípio 5

(MAC + IP)

(MAC = PORTA)

(MATCH = ACTION)

VM1 VM2 VM3 VMn

Server2Server1

Servern

01001 01002 01002 0100n

PMAC

Ambiente - Moodle

http://col.ifes.edu.br/moodle/

http://ava.ufes.br/course/view.php?id=705

Demostração

Resultados Esperados

• Projetar uma arquitetura que permita detectar fluxos “elefantes” e tratá-los de forma diferente dos outros fluxos “ratos”, como por exemplo, utilizando caminhos codificados na origem [Ramos et al. 2013] exclusivos para os mesmos, livrando-o do congestionamento. Inclusive de forma preventiva, pois esta rotas já serão definidas na inicialização da topologia;

QoS!

• Virtualizar a rede no datacenter, tendo em vista que as redes utilizarão a mesma infraestrutura física (hardware) para várias VMs, possibilitando inclusive a integração com OpenStack para migração de servidores virtuais [Corradi et al. 2012]

Resultados Esperados

Integração!

• Mensurar a escalabilidade do controlador, pois e mesmo ficará, a priori, disponível para questões de gerenciamento rede do datacenter;

Resultados Esperados

Desempenho!

• Avaliar o melhor modelo de roteamento para uma certa característica topológica, tais como Fat tree [Al-Fares et al. 2008c], DCell [Guo et al. 2008], e Bcube [Guo et al. 2009] quando sujeito a falhas. As métricas que serão consideradas levam em conta os tempos de reconfiguração, a latência de comunicação, a vazão, etc.

Resultados Esperados

Desempenho!

Finalizando!

• Finalmente, espera-se contribuir nos estudos sobre SDN aplicadas em redes de datacenter utilizando equipamentos comoditizados. Criando um modelo aberto e eficiente desta proposta de forma a permitir sua reprodução em diversos cenários, tanto acadêmico quanto comercial.

Comoditização!INOVAÇÃO!!

We are in the early stages of an intellectual voyage. We should keep our minds open while charting our course.

[Scott Shenker]

Obrigado!

ReferênciasTOP500 (2013). Top500 supercomputer sites. Website. http://www.top500.org/statistics/list/.

Shourmasti, Komail Shahmir, Stochastic Switching Using OpenFlow, Master of Telematics - Communication Networks and Networked Services - Norwegian University of Science and Technology, 2013.

McKeown, N., Anderson, T., Balakrishnan, H., Parulkar, G. M., Peterson, L. L., Rexford, J., Shenker, S., and Turner, J. S. (2008). Openflow: enabling innovation in campus networks. Computer Communication Review, 38(2):69–74.

ONF, O. N. F. (2012). Openflow switch specification version 1.3.0 (wire protocol 0x04). Website. https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow/openflow-spec-v1.3.0.pdf.

COUTO, R. D. S., CAMPISTA, M. E. M., AND COSTA, L. H. M. K. Uma avaliação da robustez intra data centers baseada na topologia da rede. In SBRC 2012, Ouro Preto, MG,2012.