Scalability and robustness in software-defined networking (SDN)

Resumen

En las redes tradicionales, los operadores de red son responsables de proporcionar una configuración de red lo suficientemente robusta que permita gestionar los diferentes tipos de eventos que puedan afectar el funcionamiento de esta y los requerimientos de los servicios. Esto es difícil de alcanzar dado que: i) el funcionamiento de las redes puede variar en cualquier momento y las redes actuales no cuentan con un mecanismo que les permita reaccionar eficientemente al amplio rango de eventos que pueden ocurrir y ii) la naturaleza estática de las elementos de red no permite una detallada configuración dado que su hardware/software no pueden ser modificados de una manera eficiente. El impredecible crecimiento de la red en terminos de su tamaño y su heterogeneidad, han expuesto un número de complejidades en la actual arquitectura de red. Primero, los elementos de red tienen que soportar un gran número de comandos/configuraciones sobre un especifico sistema operativo, dificultando la instalación de un nuevo software sobre ellos, debido a incompatibilidades con el hardware o debido a que el software es incapaz de gestionar las capacidades del hardware. Segundo, la configuración manual de las funciones de control sobre los elementos de red pueden llevar a configurar erróneamente las tablas de enrutamiento. Finalmente, la integración vertical de los middleboxes dificulta a los operadores especificar las políticas de alto nivel sobre las tradicionales tecnologías de red. La gestión de la red requiere un sistema inteligente y eficiente que coordine: i) los miles de elementos y aplicaciones presentes en la red, ii) la alta demanda sobre el rendimiento de la red y iii) la creciente complejidad en la configuración de las redes. En las últimas décadas, diferentes soluciones han sido propuestas con el objetivo de mejorar la gestión de la red, tales como MPLS, virtualización y las redes programables. En este último caso, las redes definidas por software o SDNs permiten a los desarrolladores de software gestionar los recursos de red en una manera fácil, dado que la distribución del estado de la red es unificado, lo cual permite gestionar cualquier tipo de red en una manera transparente y en tiempo eficiente. En SDN, la inteligencia de la red esta lógicamente centralizada en unos elementos de red llamados controladores, de modo que los demás elementos que actúan en la red solo transmiten paquetes hacia el destino. Estos elementos, son configurados por los controladores a través de una interface abierta. Es decir, SDN desacopla la capa de control de la capa de datos permitiendo que los elementos de red puedan ser programados y re-configurados independiente del tipo de red. Aún cuando SDN es reciente, este ha sido estandarizado e implementado por diferentes compañías (ej. Google). Sin embargo, hay varios desafios por resolver en SDN aún. Algunos de estos desafios están relacionados con: i) la escalabilidad de los controladores, como estos están centralizados, ii) la robustez de la capa de control, dado que un fallo en esta puede dejar los elementos de red sin conexión con el controlador, iii) la consistencia de la información de control, para evitar tomar decisiones que afecten la operación de la red, y finalmente iv) la seguridad. En esta tesis, los primeros tres desafios son tratados desde el punto de vista de la localización de los controladores en la red, los cuales son seleccionados teniendo en cuenta los requerimientos de los servicios/aplicaciones y las características de la red. La primera contribución de esta tesis es un algoritmo que selecciona el número de controladores y su localización en la red. Un parámetro de robustez que permite seleccionar los controladores desde los cuales se construye una capa de control robusta y también puede medir la robustez de cualquier capa de control, es definida. Finalmente, un protocolo que descubre la topología y características de cualquier red es propuesto y evaluado.