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  1. 1. SDN Componentes OpenFlow Controladores Redes Definidas por Software (SDN), OpenFlow e outros Controladores de Rede Anderson Coelho Weller Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação 21 de outubro de 2013 Considerações
  2. 2. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Agenda 1 SDN 2 Componentes 3 OpenFlow 4 Controladores 5 Considerações 2/60
  3. 3. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Redes Definidas por Software (SDN) é um novo paradigma no desenvolvimento de pesquisas em redes de computadores Grande interesse tanto da área acadêmica quanto industrial Principalmente por causa do OpenFlow Porém, SDN é muito mais do que OpenFlow 3/60
  4. 4. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Área de redes encontra-se em situação complexa: Grande sucesso da área Necessário estabilidade na Internet Pesquisas com novos protocolos tornaram-se arriscadas Tornando as redes pouco flexíveis 4/60
  5. 5. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Mesmos pesquisas como a Internet2 Têm dificuldades em justificar a adoção em larga escala de suas novas tecnologias Devido ao grau de ruptura com as tecnologias atuais 5/60
  6. 6. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Existem várias pesquisas para a criação de redes com maiores recursos de programação Que permitam a inserção gradual de novas tecnologias Exemplos: Active Networks PlanetLab GENI 6/60
  7. 7. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Outra linha de pesquisa: Fazer pequenas modificações nas operações existentes Permitindo o desenvolvimento de hardware de alto desempenho Porém, possibilitando maior controle da rede (pelo administrador). 7/60
  8. 8. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Introdução Exemplo prático: Pequenas modificações na operação de encaminhamento de pacotes (que precisa de alto desempenho) Popularizado pelo MPLS (Multi-protocol Label Switching) Chaveamento baseado em rótulos programáveis 8/60
  9. 9. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Origens A iniciativa mais bem sucedida foi o OpenFlow. Nele, os elementos de encaminhamento permitem: Acesso e controle da tabela de encaminhamento Utilizada pelo hardware Porém, a decisão sobre o destino de cada pacote pode ser transferida para um nível superior 9/60
  10. 10. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Origens Essa estrutura permite que a rede possa ser controlada através de aplicações (software) Esse novo paradigma ficou conhecido como: SDN (Software Defined Networks) Redes Definidas por Software 10/60
  11. 11. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Motivação Por que investir no SDN? Devido às diversas possibilidades de aplicação desse paradigma, tem atraído a atenção de pesquisadores e fabricantes. A comutação de pacotes não fica limitada aos princípios definidos pelo Ethernet ou IP. 11/60
  12. 12. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Motivação Outros motivos: Já existem implementações funcionais do OpenFlow: Como processo de usuário Ou, integrado ao Kernel, para ambientes virtualizados (Open vSwitch) Vários fabricantes já oferecem produtos com a interface OpenFlow: Juniper, NEC, HP, Netgear, Cisco, Ciena, etc. 12/60
  13. 13. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Motivação Porém, o padrão OpenFlow é apenas uma parte das SDNs. Uma SDN pode apoiar-se no OpenFlow e criar novas aplicações para controle dos elementos de comutação. 13/60
  14. 14. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Motivação Essas aplicações são conhecidas como: Controladores de Redes Sistemas Operacionais de Redes (Networks Hypervisors) 14/60
  15. 15. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Introdução SDN Motivação Os controladores de rede permitem: Acessar as interfaces de rede compatíveis Gerar comandos de controle da infraestrutura de chaveamento O que possibilita (por exemplo): Criar novas políticas de segurança Controle e monitoramento de tráfego mais sofisticados Visões diferentes para cada usuário de um Datacenter 15/60
  16. 16. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN SDN Resumindo SDN: É uma rede contendo um sistema de controle (software) Que disponibiliza métodos para aplicativos de rede Realizarem o controle do mecanismo de encaminhamento dos elementos de comutação. 16/60
  17. 17. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Estrutura do Software O software poderia ser uma aplicação monolítica. Mas, normalmente é estruturado com: Um controlador geral E várias aplicações específicas 17/60
  18. 18. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Estrutura do Software Outra possibilidade é ter um divisor de visões: Com vários Controladores E suas respectivas aplicações 18/60
  19. 19. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Estrutura geral de uma SDN Uma SDN é composta pelos seguintes elementos: Elementos de comutação programáveis Divisor de recursos / visões Controladores Aplicações de rede 19/60
  20. 20. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Elementos de comutação programáveis Lembrando da operação de encaminhamento nas redes baseadas em pacotes: O pacote é recebido pela interface Depois é inspecionado É feita consulta à tabela de encaminhamento Qual o destino (MAC, IP, etc) Se destino foi identificado: Envia pacote para a porta de destino Se não foi encontrado: O pacote é descartado, ou é realizada uma operação Default 20/60
  21. 21. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Elementos de comutação programáveis O hardware atual realiza o encaminhamento com alto desempenho. ∴ É problemático acrescentar novas funcionalidades Então, como uma SDN pode modificar a rede sem modificar o hardware? 21/60
  22. 22. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Elementos de comutação programáveis As SDNs se restringem à manipulação simples de pacotes Baseado no conceito de fluxos Sequência de pacotes com mesmos valores em seus atributos. Dessa forma, basta: Controlar o conteúdo da tabela de encaminhamento. E indicar ao hardware a ação a ser tomada, ao detectar um padrão. 22/60
  23. 23. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Divisores de recursos/visões Isso foi possível pois: Manteve-se os “Fluxos de Operação” da rede E estendeu-se o tratamento para os “Fluxos de Pesquisa” 23/60
  24. 24. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Divisores de recursos/visões Com novos tipos de pesquisa trabalhando em paralelo: É possível criar visões diferente da rede Cada uma com sua cota de recursos Seguindo o princípio de particionamento de tráfego Internet 24/60
  25. 25. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Controlador O que faz o elemento controlador ? Oculta os detalhes internos da rede Centraliza a comunicação com os elementos programáveis Oferece uma visão unificada da rede 25/60
  26. 26. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Controlador E pode trabalhar de forma distribuída Através da divisão dos elementos de visão Ou através de algoritmos distribuídos 26/60
  27. 27. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Controlador Existem vários tipos de controladores diferentes Ryu NOX Flowvisor Routeflow Trema Maestro Beacon Onix 27/60
  28. 28. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Componentes de uma SDN Aplicações de Rede São as funcionalidades acrescentadas às redes. Ex.: Soluções de roteamento Controle de interação entre os comutadores Simulando um único Switch ou Roteador IP Controle de acesso Gerência de redes Gerência de energia Comutador Virtual Roteador expansível de alta capacidade Datacenters multi-usuários 28/60
  29. 29. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow É um padrão aberto para SDN Funciona como um protocolo de comunicação entre: O controlador E os equipamentos 29/60
  30. 30. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow A evolução das SDNs está diretamente ligada ao sucesso do OpenFlow. Ele permite a realização de pesquisas e testes de novos protocolos Em equipamentos de redes comerciais Em paralelo com a operação normal das redes Isso é possível através de uma API Que permite aos programadores controlar os elementos de encaminhamento de pacotes 30/60
  31. 31. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura do OpenFlow Estrutura de um Switch tradicional [3]: 31/60
  32. 32. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura do OpenFlow Estrutura de um Switch tradicional [3]: 32/60
  33. 33. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura do OpenFlow Estrutura de um Switch OpenFlow-Hybrid: 33/60
  34. 34. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura do OpenFlow Estrutura de um Switch OpenFlow-Only : 34/60
  35. 35. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura do OpenFlow No OpenFlow existe uma separação bem definida entre: Plano de Dados Plano de Controle 35/60
  36. 36. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow - Plano de Dados Cuida do encaminhamento de pacotes Utiliza regras simples (Chamada de Ações): Encaminhar pacote Alterar parte do cabeçalho Descartar pacote Encaminhar para o controlador (inspeção) 36/60
  37. 37. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow - Plano de Controle Permite programar as entradas na tabela de encaminhamento Com padrões que identifiquem: Os fluxos de interesse E as regras associadas a eles 37/60
  38. 38. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow - Plano de Controle Esse módulo de software pode ser implementado de forma independente (em algum ponto da rede) Ou trabalhar distribuidamente Controle Centralizado Controle Distribuído 38/60
  39. 39. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow - Especificações Requisitos do Switch [5]: Flow Tables OpenFlow Channel Tipos de Porta 39/60
  40. 40. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow OpenFlow - Especificações Tipos de Mensagens: Controller-to-Switch Asynchronous Symmetric 40/60
  41. 41. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura Cada entrada da tabela de fluxo contém [5]: Match Fields: para comparar com o pacotes. Priority: prioridade do fluxo de entrada. Counters: estatísticas para o fluxo. Instructions: ações a realizar. Timeouts: tempo máximo ou tempo ocioso para excluir da tabela. Cookie: utilizado somente pelo controlador. 41/60
  42. 42. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Exemplo da Tabela de Fluxo Um Switch OpenFlow utiliza memórias TCAM (Ternary Content-Addressable Memory ) para as tabelas de fluxo. Nelas os bits podem ser representados com: 0 (Zero) 1 (Um) * (Não importa - Don’t care) 42/60
  43. 43. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Funcionamento Quando o switch recebe um pacote ele deve compará-lo com a sua tabela de fluxo. 43/60
  44. 44. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Funcionamento Se o cabeçalho não for compatível com nenhum fluxo em sua tabela, ele deve encaminhar o cabeçalho para o controlador. 44/60
  45. 45. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Funcionamento Ao receber o cabeçalho, o controlador toma uma decisão: Enviar uma tabela de fluxos para o switch; Ou indicar uma ação para o pacote (por exemplo: descartá-lo). 45/60
  46. 46. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura de Match Fields I /* OXM Flow match field types for OpenFlow basic class ( oxm_class = O F P X M C _ O P E N F L O W _ B A S I C ) */ enum o x m _ o f b _ m a t c h _ f i e l d s { OFPXMT_OFB_IN_PORT = 0 , // Switch input port O F P X M T _ O F B _ I N _ P H Y _ P O R T = 1 , // Switch physical input port O F P X MT _ O F B _ M E T A D A T A = 2 , // Metadata passed between // tables OFPXMT_OFB_ETH_DST = 3 , // Ethernet destination // address OFPXMT_OFB_ETH_SRC = 4 , // Ethernet source address OFPXMT_OFB_ETH_TYPE = 5 , // Ethernet frame type OFPXMT_OFB_VLAN_VID = 6 , // VLAN id OFPXMT_OFB_VLAN_PCP = 7 , // VLAN priority OFPXMT_OFB_IP_DSCP = 8 , // IP DSCP (6 bits in ToS // field ) OFPXMT_OFB_IP_ECN = 9 , // IP ECN (2 bits in ToS // field ) O F P X MT _ O F B _ I P _ P R O T O = 10 , // IP protocol O F P X MT _ O F B _ I P V 4 _ S R C = 11 , // IPv4 source address O F P X MT _ O F B _ I P V 4 _ D S T = 12 , // IPv4 destination address 46/60
  47. 47. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura de Match Fields II OFPXMT_OFB_TCP_SRC OFPXMT_OFB_TCP_DST OFPXMT_OFB_UDP_SRC OFPXMT_OFB_UDP_DST OFPXMT_OFB_SCTP_SRC OFPXMT_OFB_SCTP_DST OFPXMT_OFB_ICMPV4_TYPE OFPXMT_OFB_ICMPV4_CODE OFPXMT_OFB_ARP_OP OFPXMT_OFB_ARP_SPA OFPXMT_OFB_ARP_TPA OFPXMT_OFB_ARP_SHA = = = = = = = = = = = = 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , OFPXMT_OFB_ARP_THA = 25 , OFPXMT_OFB_IPV6_SRC OFPXMT_OFB_IPV6_DST OFPXMT_OFB_IPV6_FLABEL OFPXMT_OFB_ICMPV6_TYPE OFPXMT_OFB_ICMPV6_CODE = = = = = 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , // // // // // // // // // // // // // // // // // // // // TCP source port TCP destination port UDP source port UDP destination port SCTP source port SCTP destination port ICMP type ICMP code ARP opcode ARP source IPv4 address ARP target IPv4 address ARP source hardware address ARP target hardware address IPv6 source address IPv6 destination address IPv6 Flow Label ICMPv6 type ICMPv6 code 47/60
  48. 48. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Estrutura de Match Fields III OFPXMT_OFB_IPV6_ND_TARGET = OFPXMT_OFB_IPV6_ND_SLL = OFPXMT_OFB_IPV6_ND_TLL = OFPXMT_OFB_MPLS_LABEL = OFPXMT_OFB_MPLS_TC = O F P X MT _ O F P _ M P L S _ B O S = O F P X MT _ O F B _ P B B _ I S I D = OFPXMT_OFB_TUNNEL_ID = OFPXMT_OFB_IPV6_EXTHDR = OFPXMT_OFB_PBB_UCA 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , // // // // // // // // // // = 41 , // Target address for ND Source link - layer for ND Target link - layer for ND MPLS label MPLS TC MPLS BoS bit PBB I - SID Logical Port Metadata IPv6 Extension Header pseudo - field PBB UCA header field }; 48/60
  49. 49. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações O padrão OpenFlow Limitações e futuras versões Desde a versão 1.0.0 (31/12/2009) até a atual 1.4.0 (14/10/2013, ver [5]), a especificação do OpenFlow já sofreu várias modificações. Porém, ainda existem algumas limitações, por exemplo: Definição do padrão para circuitos ópticos e Definição de fluxos que englobe protocolos fora do modelo TCP/IP. A versão 2.0 está sendo formulada com o intuito de eliminar essas limitações (entre outras). 49/60
  50. 50. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN Controladores de Rede Como apresentado, existem vários tipos de controladores de rede, como exemplo temos: OpenFlow Reference Stanford/Nicira Não é projetado para ser extensível RouteFlow CPqD (Brasil) Encaminhamento IP como um serviço (quagga) NOX Nicira Desenvolvendo ativamente Ryu Nippon Telegraph and Telephone Corporation Framework 50/60
  51. 51. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN NOX É o controlador original do OpenFlow. Possibilita o desenvolvimento de controladores em C++ ou Python Trabalha sobre o conceito de fluxos de dados Checa o primeiro pacote de cada fluxo E determina a política a ser aplicada 51/60
  52. 52. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN NOX É um sistema operacional de rede simples Provê primitivas para: Gerenciamento dos eventos Funções para a comunicação com os switches Os mesmos desenvolvedores do NOX desenvolveram o POX, com a premissa dele ser completamente escrito em Python. 52/60
  53. 53. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN Ryu É um Framework para desenvolvimento de aplicações SDN, ao invés de um controlador monolítico [7]. Tem a filosofia de permitir um desenvolvimento ágil. É um software Open Source (Apache v2), totalmente escrito em Python. 53/60
  54. 54. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN Ryu Disponibiliza um conjunto de componentes para criação das aplicações SDN Esses componentes disponibilizam: Interface para controle, consulta e geração de eventos. Comunicação por troca de mensagens 54/60
  55. 55. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Controladores SDN Ryu As componentes e bibliotecas incluídas no Ryu são: 55/60
  56. 56. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Considerações Finais A arquitetura SDN está apenas iniciando, porém há um grande interesse tanto acadêmico quanto empresarial, devido as possibilidades que ela abre para o futuro das redes de computadores. OpenFlow foi a peça que alavancou a SDN e serve como base para vários controladores atuais. Porém, não é interesse dos fabricantes deixar seus equipamentos abertos para software de outra empresa. Consequentemente, todas estão trabalhando em seus próprios projetos. Mais detalhes sobre o assunto podem ser encontrados a partir das referências bibliográficas. 56/60
  57. 57. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Referências Referências I D. Guedes, L. F. M. Vieira, M. M. Vieira, H. Rodrigues, and R. V. Nunes, “Redes definidas por software: uma abordagem sistêmica para o desenvolvimento de pesquisas em redes de computadores,” in Minicursos do XXX Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos - SBRC 2012, Ouro Preto, MG, April 2012, pp. 160–210. [Online]. Available: http://sbrc2012.dcc.ufmg.br/app/p-04-f.html [Accessed: Sep. 16, 2013] N. McKeown, T. Anderson, H. Balakrishnan, G. Parulkar, L. Peterson, J. Rexford, S. Shenker, and J. Turner, “Openflow: Enabling innovation in campus networks,” SIGCOMM Comput. Commun. Rev., vol. 38, no. 2, pp. 69–74, March 2008. [Online]. Available: http://doi.acm.org/10.1145/1355734.1355746 [Accessed: Oct. 07, 2013] L. Bertholdo, “Tecnologias, conceitos e serviços emergentes: OpenFlow,” PoP-RS/UFRGS, Ouro Preto MG, April 2012, 13o WRNP - Workshop RNP. [Online]. Available: http://www.pop-rs.rnp.br/arquivos/2012/WRNP_Openflow.pdf [Accessed: Oct. 17, 2013] ONF, “OpenFlow - Specifications,” Open Networking Foundation, 2013. [Online]. Available: https://www.opennetworking.org/sdn-resources/onf-specifications/openflow [Accessed: Sep. 30, 2013] ——, “OpenFlow Switch Specification: Version 1.4.0 (Wire Protocol 0x05),” Open Networking Foundation, October 2013. [Online]. Available: https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdnresources/onf-specifications/openflow/openflow-spec-v1.4.0.pdf [Accessed: Oct. 20, 2013] C. Marcondes, “Projeto de Desenvolvimento em OpenFlow: Tutorial de OpenFlow,” Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Julho 2011. [Online]. Available: http://www.inf.ufes.br/~magnos/IF/if_files/Tutorial.pdf [Accessed: Oct. 18, 2013] 57/60
  58. 58. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Referências Referências II OSRG, “Build SDN agilely: Ryu, a component-based software-defined networking framework,” Nippon Telegraph and Telephone Corporation - Open Source Software Computing Group, 2013. [Online]. Available: http://osrg.github.io/ryu/ [Accessed: Oct. 07, 2013] K. Ohmura, “OpenStack/Quantum SDN-based network virtulization with Ryu,” Nippon Telegraph and Telephone Corporation - Open Source Software Computing Group, May 2013, 31. [Online]. Available: http://osrg.github.io/ryu/slides/LinuxConJapan2013.pdf [Accessed: Oct. 07, 2013] 58/60
  59. 59. SDN Componentes OpenFlow Controladores Agradecimentos Redes Definidas por Software (SDN), OpenFlow e outros Controladores de Rede Anderson Coelho Weller Considerações
  60. 60. SDN Componentes OpenFlow Controladores Considerações Questão Pergunta sobre SDN A arquitetura SDN define uma nova forma de estruturar um sistema em rede, com isso, várias pesquisas são realizadas para aproveitar essa organização em aplicações de redes de computadores. Sabendo disso, pesquise um desses tipos de aplicação que pode ser melhorado com a utilização de uma SDN, e descreva sucintamente quais são as vantagens em relação a sua implementação tradicional. Para a pesquisa, utilize o artigo de Guedes et al. [1]. 60/60
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