O documento discute as Redes Definidas por Software (SDN) e sua aplicação em redes de data centers e roteamento. Ele apresenta os fundamentos de SDN, incluindo abstrações para encaminhamento, distribuição de estado e configuração detalhada. O documento também fornece uma visão geral do OpenFlow e exemplos de seu uso para comutação, firewalls e roteamento. Finalmente, discute perspectivas de trabalhos e projetos em SDN, como data centers centrados em servidores e redes virtuais de funções

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.

36. Our setup

37. Our setup

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