ESTADO DEL ARTE REDES DEFINIDAS POR SOFTWARE (SDN) ANDRÉS FELIPE RUIZ

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1 ESTADO DEL ARTE REDES DEFINIDAS POR SOFTWARE (SDN) ANDRÉS FELIPE RUIZ UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERIA PROF. INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES PEREIRA, NOVIEMBRE 2014

2 ESTADO DEL ARTE REDES DEFINIDAS POR SOFTWARE (SDN) ANDRÉS FELIPE RUIZ Documento presentado en la asignatura de Proyecto de Grado como nota final al Ingeniero Néstor Álzate UNIVERSIDAD CATÓLICA DE PEREIRA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERA PROF. INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES PEREIRA, NOVIEMBRE 2014

3 NOTA DE ACEPTACIÓN Firma del Presidente del Jurado Firma del Jurado Firma del Jurado Pereira, noviembre de 2014

4 AGRADECIMIENTOS En primera instancia, agradezco a Dios por darme la facultad e inteligencia para llegar a esta etapa de mi vida, y por brindarme la oportunidad de pertenecer a esta grandiosa Universidad. A la Universidad Católica de Pereira que mediante sus docentes e infraestructura en general nos brinda su apoyo para fortalecer nuestros conocimientos como estudiantes y por hacer de nosotros cada día mejores, y permitieron que nos sintiéramos respaldados y adaptados a los principios que tiene la universidad como institución y su visión del ser humano. También por la oportunidad de poner en práctica los conocimientos adquiridos y evidenciar la coherencia entre teoría y práctica. A mi familia por el acompañamiento constante con el único fin de llegar a esta meta propuesta y con la convicción de ser mejores personas objetivos logrados. y sentirse orgullosos de los

5 DEDICATORIA A Dios y a mi familia, quienes me motivan a ser cada día mejor persona, también quiero agradecer al ingeniero, Néstor Álzate, que con su grupo de trabajo donde con dedicación se logró sacar el máximo provecho de toda la carrera aprendiendo cosas muy importantes que ayudaron a mi crecimiento como persona y profesional.

6 RESUMEN La idea de las redes definidas por software (SDN), es proporcionar una configuración más eficiente de mejor rendimiento y mayor flexibilidad para dar la apertura a nuevos diseños innovadores de la redes, en este documento se examina el estado del arte de las SDN ofreciendo una perspectiva histórica de las redes programables desde las ideas iniciales a los acontecimientos actuales. Luego presentamos la arquitectura SDN y el protocolo Openflow, se discuten alternativas actuales para implementación de pruebas SDN basadas en protocolos y servicios, examinando las aplicaciones actuales y futuras de las SDN, en la exploración de las diferentes líneas de investigación prometedoras de las SDN. Descriptores Redes, protocolos comunicación, ONF.

7 ABSTRACT The idea of programmable networks (SDN) is positioned to provide more efficient configuration, better performance, and higher flexibility to accommodate innovative network designs, this document surveys the state-of-the-art in programmable networks with an emphasis on SDN. We provide a historic perspective of programmable networks from early ideas to recent developments. Then we present the SDN architecture and the OpenFlow standard in particular, discuss current alternatives for implementation and testing of SDN-based protocols and services, examine current and future SDN Applications, and explore promising research directions based on the SDN. Descriptores Network, Communications protocol, ONF. 2

8 TABLA DE CONTENIDO RESUMEN... 1 TABLA DE ILUSTRACIONES... 3 CONTENIDO DE TABLAS... 4 INTRODUCCIÓN PROPUESTA Situación problemática OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos Problema Aporte práctico Aporte teórico MARCO TEÓRICO Antecedentes Marco conceptual Alcance Marco contextual METODOLOGÍA Metodología CONTEXTUALIZACIÓN SDN Introducción SDN

9 4.2 Arquitectura SDN Interfaces Controladores (The New Norm for Networks, 2013) Capas Arquitectura SDN Capa de infraestructura Capa de Control Protocolo Openflow Implementación SDN Futuras investigaciones Investigaciones Aplicaciones SDN Problemas presentes en las SDN Tendencias de las SDN Herramienta simulación MININET WORKFLOW CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

10 TABLA DE ILUSTRACIONES FIGURA 1. Resumen De las Redes Programables FIGURA 2. Comparación de una red tradicional y una red SDN FIGURA 3. Arquitectura SDN FIGURA 4. Flujos identificación openflow L1-L FIGURA 5. Capas arquitectura SDN FIGURA 6. Conexión de una topología red con los medio de transmisión FIGURA 7. Dispositivo Switch FIGURA 8. Capa de control FIGURA 9. Muestra el diseño lógico para lenguajes de programación de alto nivel para aplicaciones SDN FIGURA 10. Capa de Aplicaciones FIGURA 11. Modelo Openflow FIGURA 12. Muestra los componentes principales de un switch basado tecnología openflow FIGURA 13.Cabeceras de los flujos de datos FIGURA 14.Envio de paquetes FIGURA15. Proceso de los paquetes en un flujo FIGURA 16. Entrada en la tabla de flujos FIGURA 17. Cabecera de los mensajes FIGURA 18. Encabezado de flujos en un switch FIGURA19. Ejemplo de una red dispositivos habilitado para OpenFlow FIGURA 20. Control centralizado y control distribuido

11 FIGURA 21. Comparación de una red tradicional y una red con SDN FIGURA 22. Ejemplo procesamiento de paquetes router programable NetFPGA. 81 GRÁFICA 23. Link de datos para posición de vuelo aeronáutico FIGURA24. Tecnologías SDN con IPV FIGURA 25. Red creada en Mininet FIGURA 26. Ejemplo escalabilidad de Mininet FIGURA 27. Comparación de topologías FIGURA 28. Funciones básicas mininet respecto al tiempo FIGURA 29. Programas miniedit.py y consoles.py CONTENIDO DE TABLAS TABLA 1. Software que soporta Openflow TABLA 2. Lenguajes de programación SDN TABLA 3. Lenguajes de Programación para SDN TABLA 4. Resumen Futuras Investigaciones TABLA 5. Resumen de las Diferentes Investigaciones (OpenFlow Enabling Innovation, 2011), ( k.a.thang murugan, 2013) TABLA 6. Resumen de las aplicaciones SDN

12 INTRODUCCIÓN Debido a los avances que hoy en día se tiene respecto a las comunicaciones, se evidencia un crecimiento muy significativo en las redes las cuales facilitan la interacción entre los usuarios, siendo este un elemento fundamental para enfrentar la saturación que se presentan en los medios de comunicación y luego adaptados a una necesidad específica. El mercado actual muestra el aumento de compañías donde la tecnología es participe de este crecimiento global y se cuenta con excelentes recursos que a su vez no son suficientes para la optimización. De hecho en la actualidad se puede contar con el desarrollo de nuevas tecnologías tanto a nivel de hardware como de software aplicado a las redes, aunque sus conocimientos se centralizan en las mejoras físicas, dejando ciertos parámetros a nivel de software ya establecidos. En el presente trabajo se busca mostrar de qué forma las redes definidas por software (SDN) pueden aportar en la mejora de la optimización para el control del flujo de datos, en un sistema de redes de comunicación. 5

13 1. PROPUESTA 1.1 Situación problemática En la actualidad las redes se han convertido en un factor crítico en el crecimiento de las comunicaciones, de la misma manera la necesidad de poder optimizar la transmisión de información de una forma ágil y masiva, en donde se requiere contar con elementos cuya infraestructura sea lo suficientemente idónea para la administración de los datos de una forma eficiente. La posibilidad de implementar de forma alterna herramientas de software que se adapten como funcionalidad en los sistemas de redes de la actualidad, de esta forma se tornará más agradable y óptima para la administración de recursos que se encargan de controlar el flujo de datos. Las redes definidas por software facilita y mejora la transmisión de información en tiempo real, además la alternativa de usar aplicativos API en lugar de depender de los parámetros estándares de los fabricantes de dispositivos de comunicación. 6

14 1.2 OBJETIVOS Objetivo general Estado del arte de las redes definidas por software (SDN); analizando ventajas y desventajas de su implementación Objetivos específicos Establecer el estado de las diferentes investigaciones existentes respecto a las SDN. Establecer las referencias bibliográficas que condense los aspectos más relevantes relacionados con las redes definidas por software. Determinar los requerimientos y características para la implementación de SDN. Documentar toda la información obtenida durante el desarrollo del proyecto. 7

15 1.3 Problema El desarrollo de dispositivos móviles, la virtualización de dispositivos de red y el auge de servicios en la nube (internet) son algunas de las tendencias que en la actualidad existen para la implementación de las SDN, además del crecimiento acelerado de la trasmisión de datos donde cada vez se hace más congestionado el flujo de información, y en ocasiones los dispositivos de hardware encargados de hacer el empalme de transmisión se saturan, causando así retrasos y sobre posición de los datos. No es extraño que la capacidad de los sistemas de comunicación no se vea optimizada en su totalidad, la idea es dar a conocer este concepto para que de esta forma se aproveche al máximo las ventajas que este sistema de administración ofrece para controlar los paquetes datos en las diferentes estructuras de redes de la actualidad. 8

16 1.4 Aporte práctico Contar en la actualidad con dispositivos que permiten un buen desempeño en la distribución de las redes ha permitido mejorar notablemente el uso adecuado de la información. En la utilización de estos recursos tecnológicos se pueden prestar mejores servicios al usuario final, y en la posibilidad de que este desarrollo se pueda llevar a cabo de una manera íntegra se podrá usar como alternativa de las nuevas tendencias de administración de redes, que a la vez conllevan a conocer herramientas que permitan mejorar tecnológicamente la transmisión de información y poder ser presentada como propuesta en la mejora de infraestructura lógica de las redes actualmente existentes. Si se observa el desempeño del tráfico de datos en esta infraestructura por medio de la aplicación de simuladores se puede ver el comportamiento de la red durante la transmisión de paquetes de las estaciones de trabajo al servidor principal, así se puede identificar si se presenta algún retraso en la transferencia y ofrecer mejores alternativas para el flujo eficiente de datos. Aunque los datos que viajan a través de la red en ocasiones son sobrecargados, y los servidores actuales poseen las capacidades necesarias para soportar las comunicaciones, se puede encontrar ocasiones donde se denotan colapsos de tiempo causadas por alguna actualización o cambio en aplicativos que se ve reflejado en tiempo real. De esta manera haciendo buen uso de los canales los cambios no serían notables para los funcionarios y por defecto tampoco para el usuario final. Es una conceptualización de que las nuevas tecnologías aplicables a redes pueden contribuir en gran parte al crecimiento empresarial de las compañías existentes. la 9

17 1.5 Aporte teórico Las compañías más importantes de redes y todos aquellos involucrados en el desarrollo de tecnologías que buscan como mejorar la velocidad, calidad y la cobertura de todos los servicios que actualmente se vienen presentando, se están ocupando en estrategias para soportar la gran capacidad masiva de datos que se tiene y evitar que se convierta en una situación fuera de control, y para resolver estos desafíos las organizaciones necesitan contar con una gran capacidad de automatización de las redes, aprovechando las SDN permiten incorporar inteligencia de software para un mayor rendimiento de la red, sin importar la marca del hardware o algunos protocolos que ya están definidos. El uso de estos protocolos de configuración que se realiza fuera del hardware están destinados a generar SDN y redistribuir tráfico, uno de esos protocolos es el OpenFlow que permite a los switches y routers de diferentes marcas poder ser programados por software y redirigir el trafico cuando el hardware falla haciendo diferentes acciones según sea necesario. Es un desarrollo nuevo para la tendencia de redes actualmente a nivel del hardware ya que estos dispositivos vienen con una configuración estándar para cada marca en particular, varias compañías se están viendo beneficiadas con la viabilidad de poder implementar este sistema en el mercado tecnológico, ya que se beneficiará gran parte de la población, en donde se requiere ver las redes como una plataforma de aplicaciones inteligente ya que la información puede ser procesada más eficientemente. 10

18 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes La historia de las SDN comenzó alrededor de dos décadas atrás en el momento en que el internet superaba las perspectivas del desarrollo y la evolución de las redes (Erickson, 2013). Donde los primeros pasos que se dieron como eran las transferencias de archivos y el correo electrónico fueron para los desarrolladores las aplicaciones más interesantes y que presentaban mayor uso del público en general, de esta situación se generaron ciertas curiosidades para probar e implementar nuevas ideas para mejorar el servicio. Estos investigadores diseñaron y probaron nuevos protocolos de red en áreas de laboratorios muy reducidos y simulaban el comportamiento de redes muchos más grandes, en respuesta a esto, varios investigadores perseguían un enfoque alternativo para el control de las redes que facilitaba abrir las redes convencionales no programables. Por otra parte muchos de los switches comerciales soportan la interfaz de programación de aplicaciones (API), los proveedores apoyaban a OpenFlow incluidos en dispositivos como HP, NEC y Pronto (Floodlight OpenFlow Controller.2013) Desde entonces esta lista se ha ampliado creando muchas plataformas de diferentes controladores. De esta forma los programadores han utilizado plataformas para diversas aplicaciones, tales como control acceso dinámico, virtualizaciones de red, migración usuarios; en donde se obtuvieron los primeros éxitos comerciales, tales como el sistema de gestión del tráfico área ampliada de Google (S.Jain, Aug ) y plataforma de Nicira de virtualización de red, que han recibido atención significativa de la industria. A continuación se hace referencia a los primeros esfuerzos de las redes definidas por software. 11

19 Open Signaling: Comenzó en 1995 con una serie de trabajos en grupo dedicados a "making ATM, Internet y telefonía móvil de redes abiertas programables " (A.T. Campbell, 1999.),en donde se hacía una hipótesis que tenía involucrado los dispositivos de red y el software utilizado para el control que era necesario para la comunicación de red, pero a su vez difícil de realizar, esto es debido principalmente al diseño los switches y routers, cuya característica de configuración era limitada lo cual hacía imposible un rápido despliegue de nuevos servicios de redes y entornos. Su propuesta era proporcionar acceso al hardware de red mediante las interfaces de redes abiertas, programables, esto permitiría el despliegue de nuevos servicios a través de un entorno de programación distribuida. Motivado por estas ideas, fue creado el grupo de trabajo IETF (internet engineering task force), que condujo a la especificación general de gestión de protocolo (GSMP) (A. Doria, June 2002.), protocolo de control con propósitos generales de etiquetas de los switches. GSMP permite a un controlador establecer y liberar las conexiones a través del switch, agregar y eliminar las conexiones multicast, administrar puertos del switch, solicitar la información de configuración, eliminar la reserva de recursos del dispositivo y solicitar estadísticas. Este grupo de trabajo ha concluido oficialmente y la última propuesta de estándares, GSMPv3N, el cual fue publicado en junio de Active networking: A mediados de 1990, active networking (D.L. Tennenhouse, 1997)fue una iniciativa que propuso la idea de que la infraestructura de red fuera programable para servicios personalizados en donde hubo dos enfoques principales para este protocolo. (1) Switches programables por el usuario, con transferencia de datos en banda ancha y canales de distribución; y (2) cápsulas, eran fragmentos de programa que 12

20 podían llevarse en los mensajes del usuario, entonces los fragmentos de los programas serían interpretados y ejecutados por routers. Active networking no pudo reunir las características para controlar circunstancias críticas en redes masivas que era transferidas en la implementación industrial y el uso generalizado, esto debido principalmente a preocupaciones de seguridad y de rendimiento. DCAN: Otra iniciativa que tuvo lugar a mediados de los noventa, es el control de ATM redes (DCAN). (Devolved Control of ATMNetworks, 2000) El objetivo de este proyecto fue diseñar y desarrollar la infraestructura necesaria para el control escalable y gestión de redes de los cajeros automáticos. La hipótesis es el control y funciones de gestión de los muchos dispositivos (switches ATM en el caso de DCAN) debieron ser desvinculadas de los dispositivos de sí mismos y delegó a entidades externas dedicadas a ese propósito, que es básicamente el concepto detrás de SDN. DCAN asume un protocolo entre el administrador y la red en donde más sobre el proyecto DCAN puede encontrarse (Leslie, 1997)]. La propuesta de la separación del plano de control y de los datos sobre las redes de cajeros automáticos entre otros, es el trabajo propuesto en este apartado (J.E. Van der Merwe, 1998) donde hace referencia al control múltiple de arquitecturas heterogéneas las cuales se pueden ejecutar simultáneamente sobre una sola red física ATM para repartir los recursos de ese switch entre esos controladores. 4D Project: A partir de 2004, el proyecto 4D (J. Rexford, 2004) promovía un diseño nuevo que destacó la separación de la lógica en la toma de decisiones del enrutamiento y el de los protocolos que rigen la interacción entre elementos de la red. Propone dar una visión global en control del tráfico y el envío de datos. Estas ideas sirvieron de inspiración directa para obras posteriores como NOX N. Gude, 2008), que propone 13

21 un "sistema operativo para redes" en el contexto de una red habilitada para OpenFlow. Netconf: En 2006, el IETF grupo de trabajo para propósitos de configuración red propuso NETCONF (Enns, 2006) como protocolo de administración para modificar la configuración de dispositivos de red. El protocolo permite a los dispositivos de red presentar API a través de estos dispositivos, podrían ser enviados y recibidos los datos de configuración existentes. Otro protocolo de gestión, ampliamente desplegado en el pasado y hasta hoy, es el SNMP (D Case, 1990). SNMP fue propuesto a finales de los 80 y demostró ser un protocolo muy popular de administración de red, que utiliza la interfaz de gestión estructurada (SMI) para buscar los datos contenidos en la base de MIB (Management Information). Utilizado para cambiar las variables en el MIB y para modificar las configuraciónes. Más tarde se hizo evidente que a pesar de lo que originalmente fue diseñado, SNMP no estaba siendo utilizado para configurar equipos de red, sino más bien como una herramienta de monitorización y rendimiento. Además se detectaron múltiples deficiencias en la adquisicion de SNMP, el más notable de las cuales era su falta de seguridad. NETCONF, al tiempo fue propuesto por IETF, donde fue visto por muchos como un nuevo enfoque para la gestión de red que arreglaría las deficiencias mencionadas en SNMP. Aunque el protocolo NETCONF logra el objetivo de simplificar el dispositivo de configuración y actúa como un bloque de construcción para la gestión, no hay ninguna separación entre datos y el plano de control. Lo mismo puede afirmarse de SNMP. Una red con NETCONF no debería considerarse como totalmente programable sino como una funcionalidad que tendría que aplicarse al adminsitrador del dispositivo de red para que cualquier nueva funcionalidad pueda ser proporcionada. Además está diseñado principalmente para configuración 14

22 automatizada y no para habilitar el control directo de los datos, ni permitir el despliegue rápido de aplicaciones y servicios innovadores, aunque ambos NETCONF y SNMP son herramientas de gestión útiles que se pueden utilizar en switches para apoyar otras soluciones que permiten las redes programables. El grupo de trabajo NETCONF está actualmente activo y la última propuesta estándar se publicó en junio de Ethane: El antecesor inmediato de OpenFlow fue SANE / proyecto Ethane (M.Casado, 2007), en 2006, define una nueva arquitectura para las redes empresariales. El enfoque de Ethane fue sobre el uso de un controlador centralizado para gestionar las directivas y la seguridad en la red. Similar a la SDN Ethane empleó dos componentes: un comunicador y un controlador para verificar si un paquete coincidía en una tabla de flujos y tenía un canal seguro para el controlador. En contexto se convertiría en un paradigma de hoy de las SDN. De otro lado para el control de acceso basado en la identidad del Ethane es probable que se adecuara como una aplicación sobre un controlador de SDN, tales como NOX, (Z.Cai, 2010) Maestro, Beacon (Beacon, 2013), SNAC (Simple Network Access Contro l (SNAC)., 2012), Helios (Helios by nec, 2011) y entre otros más. Openflow: El protocolo OpenFlow muy a menudo está relacionado con las SDN. Este último es un bloque de desarrollo para SDN que permite crear una visión global de la red y ofrecer de acuerdo a una interfaz de programación, poder centralizar los dispositivos de una red. OpenFlow es un protocolo abierto que nació de los laboratorios de la Universidad OpenFlow, fue propuesto por primera vez permitiendo a los investigadores ejecutar protocolos experimentales (R. Sherwood, 2010) en las redes de los campos de la universidad. Ahora bien Open Networking Foundation (ONF), es un consorcio industrial que está a cargo de apoyar 15

23 activamente a los avances de la SDN y la estandarización de OpenFlow, que se publica actualmente en versión el periodo En conclusión, la historia de las SDN se puede resumir en tres etapas, cada una con sus propias contribuciones, redes activas a partir de la década de 1990 para el 2000), que introdujo funciones programables en la red, llevando a una mayor innovación;(2) separación de plano de control y de datos (de alrededor de 2001 a 2007), que desarrolló interfaces abiertas entre planos de control y de datos; (3) los API OpenFlow y red de los sistemas operativos (alrededor de 2007 a 2010 ), que representó la primera adopción generalizada de una interfaz abierta y desarrollando maneras de hacer la separación de plano de control y de datos de forma escalable y práctica y la virtualización que desempeñó un papel importante a lo largo de la evolución histórica de la SDN En la figura continuación se muestra en resumen los acontecimientos de las redes programables en los últimos 20 años. FIGURA 1. Resumen De las Redes Programables. Fuente: https://www.cs.princeton.edu/.../sdnhistory.pdf Traído a la actualidad se evidencia un buen desarrollo en la fabricación de equipos capaces de controlar y soportar las necesidades del usuario, que podrían 16

24 aprovechar los recursos existentes para mejorar las aplicaciones, y en lo que respecta al tráfico de datos en la red se observa que se puede mejorar la distribución de los paquetes, haciendo más flexible y ágil la transmisión la cual puede ser aplicable a diferentes escenarios actualmente existentes, aunque es un concepto nuevo. En la actualidad hay empresas como HP y Cisco, que están apostando por esta tecnología, así mismo IBM y destaca la alianza NEC con Big Blue. HP (Hp, 2012) es pionera en el uso de esta tecnología en los switches aptos para protocolos openflow, es fundador de la Open Networking Foundation, para reducir los costos operativos de las redes y compañías. IBM está impulsando en la demanda del nuevo hardware en los datacenter con Switches basados en modelo openflow. Se tiene conocimiento de empresas como HBO o JPMorgan que lo están probando. Además de estos dos proveedores, la consultora suma a IBM y VMware (de EMC) como las empresas más interesadas en crecer en SDN. Durante los días 11 al 13 de junio se celebró o en el hotel Fira Palace de Barcelona el congreso SDN Word 2013 (mundo contacto, 2013) para debatir este nuevo paradigma de las telecomunicaciones. Allí se dio a conocer la oferta de los fabricantes y las experiencias que han estado teniendo, principalmente operadores de telecomunicaciones gracias a la adopción de las redes definidas por software. Durante la feria de tecnología de Brasil campus party 2013 se dio a conocer las tendencias DSN por Ingeniero Palco Arquímedes. Durante presentación de seguridad de redes en la ciudad de México fue expuesto por Ing. Oscar Gutiérrez, BDM Enterprise Networking y Seguridad de Cisco. 17

25 Los anteriormente descritos son los más representativos hoy en día en lo que respecta a las SDN, se espera poder ser presentado en otros países para poder mostrar la importancia de su aplicación en el desarrollo de tecnologías de comunicaciones en los diferentes escenarios, de la misma forma uno de los más extensivos respecto a la administración de la estructura de redes tradicionales. 18

26 2.2 Justificación En la actualidad las configuraciones de red se hacen principalmente a través de un software integrado, eso implica la posibilidad de hacer cambios de una forma rápida en tiempo real. Día a día la integración de estos dispositivos de red en las grandes y pequeñas empresas conlleva a tener una coherencia en la distribución de la información. Debido a este crecimiento la idea es obtener el mejor rendimiento y control en la distribución de paquetes que ofrecen estos equipos los cuales forman parte de las configuraciones de redes en las estructuras existentes pero con el crecimiento de los servicios web se llevan a una mayor necesidad, flexibilidad, escalabilidad del ancho de banda y adaptación tecnología de estos, que puede llevar a presentar retrasos en la transmisión debido al exigente tráfico de la información y aumento de las aplicaciones que se presenta de manera masiva los cuales se van haciendo necesario para que los requerimientos de las plataformas sean más robustas para poder ejecutarse de una forma correcta y poder aprovechar los recursos tecnológicos actualmente existentes en el mercado, abriendo así la posibilidad de encontrar herramientas que permitan arquitectura de redes automatización los procesos internos. la centralización del control de la con diferentes plataformas y la disminución en la Con la implementación de este sistema, la velocidad de transmisión aumentará de la misma manera que el consumo de energía de los dispositivos físicos disminuiría. Se pretende mostrar que puede haber menos pérdidas de conexión y mejor administración del flujo de datos. 19

27 2.3 Marco conceptual Software-Definid Networking o redes definidas por software permiten definir el flujo de información, la modificación y personalización de dicha infraestructura de acuerdo a las necesidades del usuario final. Por consiguiente se debe tener una conceptualización del uso de esta terminología. A continuación se definirán dos conceptos fundamentales para la implementación, como lo son; las redes de computadores, y los protocolos de comunicación. Redes: Se puede definir una red de computadoras (Red_de_computadoras, 2013), como el conjunto de equipos informáticos y software conectados entre sí por medio de dispositivos físicos que envían y reciben información, comparten recursos y ofrecer servicios. Como en todo proceso de comunicación se requiere de un emisor, un mensaje, un medio y un receptor. La finalidad principal para la creación de una red de computadoras es compartir los recursos y la información en la distancia, asegurar la confiabilidad y la disponibilidad de la información, aumentar la velocidad de transmisión de los datos y reducir el costo general de estas acciones. La estructura y el modo de funcionamiento de las redes informáticas actuales están definidos en varios estándares, siendo el más importante y extendido de todos ellos el modelo TCP/IP basado en el modelo de referencia OSI. Este último, lo resume la estructura de una red en siete capas con funciones concretas pero relacionadas entre sí; en TCP/IP se reducen a cuatro capas donde existen multitud de protocolos repartidos por cada capa, los cuales también están regidos por sus respectivos estándares. Para poder formar una red se requieren elementos: hardware, software y protocolos. Los elementos físicos se clasifican en dos grandes grupos: dispositivos de usuario final (hosts) y dispositivos de red. Los dispositivos de usuario final incluyen los computadores, impresoras, escáneres, y demás elementos que 20

28 brindan servicios directamente al usuario y los segundos son todos aquellos que conectan entre sí a los dispositivos de usuario final, posibilitando su intercomunicación. Además las redes han tenido un crecimiento constante debido a la ampliación de los servicios en la web, aumentando así los diferentes tipos de red. Como es importante tener claridad sobre este concepto en el siguiente aparte se hace referencia a los tipos de redes y su respectiva clasificación. Red de área personal. Red inalámbrica de área personal, o WPAN (Wireless Personal Área Network). Red de área local, o LAN (Local Área Network). Red de área local inalámbrica, o WLAN (Wireless Local Área Network). Red de área de campus, o CAN (Campus Área Network). Red de área metropolitana (metropolitan área networking o MAN, en inglés). Redes de área amplia, o WAN (Wide Área Network). Red de área de almacenamiento. Red de área local virtual, o VLAN (Virtual LAN). Continuando con las redes, están distribuidas por medio de unos parámetros que facilitan según la necesidad la arquitectura definida, tales como: Topología redes 1 : Red en bus se caracteriza por tener un único canal de comunicaciones (denominado bus, troncal o backbone) al cual se conectan los diferentes dispositivos. Red en anillo cada estación está conectada a la siguiente y la última está conectada a la primera

29 Red en estrella las estaciones están conectadas directamente a un punto central y todas las comunicaciones se han de hacer necesariamente a través de este. Red en malla cada nodo está conectado a todos los otros. Red en árbol los nodos están colocados en forma de árbol. Desde una visión topológica, la conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas salvo en que no tiene un nodo central. Red mixta se da cualquier combinación de las anteriores, la aplicación de las SDN puede ser utilizada en cualquier topología actualmente existente, permitiendo la centralización del control, además de implicar la personalización desentendiendo de la necesidad del usuario final, de la estructura de topología que actualmente este último tiene instalado. Por la direccionalidad de los datos 2 Simplex o unidireccional: un equipo terminal de datos transmite y otro recibe. Half-duplex, semidúplex: el método o protocolo de envío de información es bidireccional pero no simultáneo bidireccional, solo un equipo transmite a la vez. Full-dúplex, o dúplex: los dos equipos involucrados en la comunicación lo pueden hacer de forma simultánea, transmitir y recibir. Por grado de autentificación: Red privada: una red privada se definiría como una red que puede usarla solo algunas personas y que están configuradas con clave de acceso personal

30 Red de acceso público: una red pública se define como una red que puede usar cualquier persona y no como las redes que están configuradas con clave de acceso personal. Es una red de computadoras interconectadas, capaz de compartir información y que permite comunicar a usuarios sin importar su ubicación geográfica. Por grado de difusión: una intranet es una red de pc privados que utiliza tecnología Internet para compartir dentro de una organización parte de sus sistemas de información y sistemas operacionales. Internet es un conjunto descentralizado de redes de comunicación interconectadas que utilizan la familia de protocolos TCP/IP, garantizando que las redes físicas heterogéneas que la componen funcionen como una red lógica única, de alcance mundial. Por servicio o función una red comercial proporciona soporte e información para una empresa u organización con ánimo de lucro. Red educativa: proporciona soporte e información para una organización educativa dentro del ámbito del aprendizaje. Red para el proceso de datos: proporciona una interfaz para intercomunicar equipos que vayan a realizar una función de cómputo conjunta. Protocolo openflow (Stanford OpenFlow Team, 2012): Protocolo: es un conjunto de reglas y normas que permiten que dos o más entidades de un sistema de comunicación se comuniquen entre ellos para transmitir información por medio de cualquier tipo de variación de una magnitud física. Openflow es un protocolo estándar que permite la ejecución experimental, y para ello incorpora el uso de dispositivos comerciales como Ethernet, routers y puntos 23

31 acceso inalámbrico donde se puede tener acceso a las tablas de flujo y a las reglas que indican el direccionamiento del tráfico de la red. Se usa entre los dispositivos de red y un controlador de tecnología emergente en la virtualización de redes que pueden proporcionar a los usuarios flexibilidad y control para entornos de acuerdo a especificaciones ya definidas por protocolos estándar. De esta forma, se hace necesario contar con un método formal y lenguajes de aplicaciones y servicios, donde se incluyen todos los dispositivos de la red, no depender del hardware limitado que ofrecen los distintos fabricantes de estos dispositivos. Permitiendo obtener mejores beneficios y garantizar los resultados como: -Visión unificada de la estructura de red -Alta utilización -Manejo más rápido de fallos -Elasticidad dispositivo de red -Actualizaciones sin pérdida. La referencia del artículo (Shin, Nam, & Kim, 2012) muestra una relación respecto a la arquitectura de la SDN y la interfaces de programación. Al instalar un componente de firmware (software ubicado en el hardware) de OpenFlow, los ingenieros tienen acceso a tablas de flujo, reglas que le indican a los routers y a los switch, además de cómo direccionar el tráfico de la red en donde protege las instrucciones de asignación de ruta patentadas que diferencian el hardware de cada empresa. SDN puede ser utilizada en cualquier tipo de red, lo que trata es de hacerlo más programable, utilizando los nuevos protocolos de redes que hacen que la administración de la red sea más fácil, más inteligente y con mejor automatización. 24

32 2.4 Alcance Se pretende hacer una investigación exploratoria donde se busca explicar detalladamente el concepto SDN, junto a una aproximación con la actualidad del protocolo Openflow, ya que ambos pueden ser utilizados en cualquier tipo de conexión. Contando además con la utilización de aplicaciones existentes y la distribución de canales de datos según la necesidad planteada. Lo anterior teniendo en cuenta la viabilidad desde el punto de vista tecnológico, características y requerimientos para su implementación. 25

33 2.5 Marco contextual Las SDN se han convertido con rapidez en una estrategia para enfrentar las necesidades que se observan a nivel de redes en las empresas de hoy en día, donde se han aumentado el crecimiento de las conexiones, y la estructuración de los datos. Otra característica es el uso de arquitecturas de código abierto entre los protocolos que sea creado para asegurar la interoperabilidad que conforman una red de datos, destacándose el protocolo Openflow que se agrega como funcionalidad a los Switches, routers y puntos de acceso inalámbrico que actualmente lo conforman, además de contar con los recursos físicos y humanos para implementar esta nueva tendencia de redes. El desarrollo tecnológico en Latinoamérica (telcom system, 2013) ha ido en aumento paulatinamente al crecimiento global, destacándose argentina, Brasil, México como grandes potenciales en los que se podría utilizar esta tecnología, para nuestro país es un concepto relativamente nuevo, donde las empresas proveedoras de los servicios de comunicación no han iniciado un proceso de actualización. No obstante compañías como HP, CISCO cuenta ya con la tecnología para ser implementada en el país, ya sería un proceso en donde estos proveedores y las grandes empresas que destinan parte de su presupuesto a la implementación tecnológica puedan tener la oportunidad de implementarlo, como ya se ha realizado durante el presente año en países como México y Brasil, teniendo una buena acogida, aun cuando el crecimiento de ancho de banda va en aumento. La idea de los fabricantes es buscar nuevas estrategias de programación centralizadas mediante software, adoptando inteligencia en la red. 26

34 3. METODOLOGÍA 3.1 Metodología La implementación de la metodología adecuada que permita guiar la realización del proyecto que actualmente se está describiendo, y por ser un concepto relativamente nuevo donde no se cuenta con toda la información suficiente conlleva a explorar (Sampieri, 1991) su funcionamiento e implementación, aumentando así el grado de interés de este tema. Por lo anterior se pretende obtener una visión más clara acerca de este concepto apoyados de un soporte documental en donde se deposita toda la información necesaria para el desarrollo del proyecto, y poder identificar su funcionamiento. 27

35 4. CONTEXTUALIZACIÓN SDN 4.1 Introducción SDN Durante varios años se han desarrollado avances en las tecnologías de redes de computación en comparación con otro tipo de tecnologías como son las de la información y la comunicación. Por otro lado en cuanto a los dispositivos como los switches y routers que son fundamentales para las redes, es evidente observar que son fabricados con sus propias características de diseño de hardware y software, en relación a esto se presenta una situación de desaceleración en el progreso de las tecnologías vigentes debido a que siempre se encontraran con nuevos servicios en donde los dispositivos deben adaptarse a las redes existentes (Open Networking Foundation version (Wire Protocol 0x05), 2013), de esta forma se genera un incremento en los costos de administración y operación que se observan en las distintas limitaciones de las redes actuales. En la figura a continuación se observa una comparación entre una red tradicional y una red definida por software. Donde las redes SDN utilizan software para controlar los dispositivos, a diferencia de una red tradicional. FIGURA 2. Comparación de una red tradicional y una red SDN Fuente: 28

36 De igual manera comunidades de investigación en conjunto con los líderes del mercado tecnológico se han estado preparando para renovar el diseño actual de las redes, de esta forma surgen nuevos conceptos de diseño para redes como las SDN. Tanto que las redes SDN han ganado popularidad a nivel educativo y tecnológico siendo una propuesta innovadora procedente de anteriores investigaciones, por otra parte SDN se ve muy relacionado con el protocolo Openflow, este es el último bloque de desarrollo que permite tener una visión global de la red y ofrecer una interfaz de programación y centralizar todos los dispositivos de la red existentes. Openflow es un protocolo que fue propuesto por primera vez por la universidad de Stanford como protocolo experimental usado en el campo universitario, de allí nació la idea de crear una organización que en la en la actualidad se conoce como Open Networking Fundation (ONF), este consorcio apoya actualmente los avances de SDN durante periodo En cuanto a los dispositivos y middlebox que constituyen las redes se observa que poseen protocolos complejos para los administradores, que son los responsables de la respectiva configuración de las directivas, eventos y aplicaciones en la red. En donde se tienen que realizar modificaciones manuales, como también algunas tareas complejas como es el acceso limitado a herramientas de red. Más aún los estándares tradicionales de red que están basados en las configuraciones manuales de los dispositivos previamente fabricados los cuales son complejos y pueden ser propensos a errores y no utilizan plenamente la capacidad de su infraestructura. Este sistema permitiría simplificar la administración de las redes permitiendo la innovación y la evolución de este tipo de tecnología. Por otro lado, no se ha encontrado mayor número de publicaciones científicas respecto a las redes definidas por software (SDN), pero para la actualidad se han convertido en una de las soluciones más efectivas para el futuro de las redes, ya que se caracteriza por tener control centralizado de la red y proporcionar mejores 29

37 configuraciones, mejor rendimiento diseño de las redes actuales. y más flexibilidad para ser adaptados al 4.2 Arquitectura SDN A continuación se describe la arquitectura SDN y sus principales componentes, según las especificaciones de la ONF (Open Networking Foundation) (The New Norm for Networks, 2013) Resumidas en la figura No.3 FIGURA 3. Arquitectura SDN Fuente: ONF Software-DefinedNetworking: The: The: The New Normfor Networks, Open Networking Foundation, Tech. Rep., April 2013, ONF white paper. En un sistema SDN se encuentra la interacción de tres capas: la capa de infraestructura, capa de control y la capa de aplicaciones, a través de tres interfaces abiertas: Southbound, Northbound, East/westbound, que son descritas más adelante. 30

38 Para empezar las aplicaciones SDN interactúan con los controladores a través de una interfaz llamada Northbound que se encuentra ubicada entre el controlador y las aplicaciones. Y otra interfaz llamada Southbound que se encuentra entre el software del controlador y los elementos de envío. Por otra parte un aspecto importante de las SDN es el enlace que hay entre el plano de datos y el plano de control. Donde los elementos de envío son controlados por una interfaz abierta en donde es importante que exista disponibilidad y seguridad. Otro elemento fundamental es el protocolo Openflow que se implementa en los switches entre el controlador de red y el hardware, además Openflow V cuenta con un soporte de seguridad adicional que consiste en la encriptación de la información en el proceso de intercambio entre los switches y el controlador. De esta forma en escenarios donde se encuentran múltiples controladores, da la facultad de otorgar accesos y permisos autorizados por el controlador Interfaces Interfaz Southbound: Esta interfaz de comunicación permite al programador interactuar con los elementos de envió en la capa de infraestructura. Donde el protocolo Openflow, es un elemento fundamental para la implementación de soluciones SDN. Por otro lado se encuentran soluciones que no son Openflow pero que están basadas en SDN, en donde varios proveedores utilizan sus propios protocolos, tal como lo son Cisco Open Network enviromenet plataforma (onepk) (Helios by nec, 2011) y juniper s contrail (Passarella, 2012). También existen otras alternativas para openflow, por ejemplo separación de los elementos de envío (Forces) Framework (M.Casado, 2007), este último define una arquitectura framework con protocolos 31

39 asociados para estandarizar en el intercambio de información entre el controlador las capas de envío. A continuación se describe un concepto fundamental para la interacción entre las capas que conforman la arquitectura: Envío de elementos: El envío de elementos es fundamental en la arquitectura SDN, donde principalmente los dispositivos de hardware como los switches son utilizados para el envío de la información, estos tienen que admitir API Southbound, ahora bien Los switches vienen en dos formas: basados en Software (por ejemplo Open switch (OVS) (Andrew R. Curtis, 2011) y basados en hardware habilitado para implementaciones Openflow (por ejemplo NetFPGA) (anxi Kang, 2012). De otra forma en el desarrollo de estas implementaciones se ven afectados ya que a menudo se presentan retardos de tiempo en los procesos. Para tener una visión más amplia del software que puede soportar Openflow se resumen en la tabla a continuación TABLA 1. Software que soporta Openflow Description Open Source Language Origin OpenFlow Open OpenFlow Stock: Soft switch and Yes C/Python Multiple Version v 1.0 vswitch OpenFlow con- OpenFlow Stack that follows the Yes C contributors Stanford v 0.8 Reference trol spec- stack for hardware switching University/ Pica8 hardware-independent software Implementa ification for not yet C Pica8 Nicira Networks v 1.2 tion Indigo [39] For OpenFlow on physical and Yes C/Lua Big Switch v 1.0 Pantou/Op hardware hyper- switching Enable Commercial OpenWRT Yes C Networks - v 1.0 enwrt visor wireless switches based on the Stanford reference implementation devices with OpenFlow Fuente: ONF Software-DefinedNetworking: The New Normfor Networks, Open Networking Foundation, Tech. Rep., April 2013, ONF white paper. La característica del hardware de los switches que soportan OpenFlow es que poseen circuitos integrados específicos (ASICs). Estos proporcionan mayor velocidad ya que poseen un largo número de puertos, pero a su vez les falta flexibilidad e integración en las implementaciones de software. Hay varios 32

40 proveedores que admiten Openflow en sus switch como: HP.NEC, PRONTO, JUNIPER, CISCO, DELL, INTEL Mientras tanto un switch activado con Openflow puede estar subdividido en tres elementos principales (Leslie, In Proc Integrated Network Management, 1997), una capa de hardware(datapath), una capa de software(control Path) y el protocolo openflow. 1-Datapath: Consiste en un grupo de tablas conformadas por los flujos, este realiza una búsqueda de los paquetes y los envía, cada tabla está asociada a un conjunto de flujos, esta acción es realizada por el switch y aprobadas por el controlador. 2-Control Path: Es un canal que comunica el switch con el controlador que se utiliza para propósitos de programación. Allí los comandos y los paquetes son intercambiados a través de este canal usando el protocolo Openflow. 3-Protocolo openflow: El protocolo Openflow proporciona los medios de comunicación entre el controlador y switch. Permite el intercambio de mensajes que incluyen la información sobre los paquetes enviados, y los paquetes recibidos. Para tener una idea más clara, se describe a continuación cada uno de los campos de la forma en que se encuentra constituido el protocolo Openflow. Donde se encuentran campos iguales basados en 15- tuplas, un puerto de ingreso y un paquete adicional de meta-datos con priorización precedente del flujo de entrada. 33

41 FIGURA 4. Flujos identificación openflow L1-L4. Fuente: Open Networking Foundation, OpenFlow Switch specification, October 2013, version (Wire Protocol 0x05) Este cuenta con un conjunto de tres acciones específicas que se realizan en los paquetes que son: el envío del paquete a los puertos, envío del flujo de paquetes al controlador y la descarga del conjunto de paquetes. Cuenta con un contador para realizar cálculo del flujo de paquetes y de bytes por cada uno, además del tiempo desde que inicia hasta el tiempo en que finaliza el envío de los datos. En relación con los mensajes, Openflow pueden categorizarse en tres tipos principales el Switch controlador, asíncrono y el simétrico. Los mensajes que se inician por el controlador son utilizados para administrar o inspeccionar el estado los mensajes de controlador y switch. Un switch puede iniciar con mensajes asíncronos con el fin de actualizar el controlador con los eventos de la red y los cambios en el estado del switch. Finalmente, se inician mensajes simétricos, se generan sin necesidad de una solicitud del switch al controlador y se utilizan, por ejemplo, para poner a prueba la dinámica de una conexión del switch de control. 34

42 Una vez que el paquete llega al switch, este realiza una búsqueda en las tablas de flujo. Esta entrada se identifica únicamente por sus campos y su prioridad donde los valores del paquete deben coincidir con una entrada. Por lo tanto, un paquete puede ser igual a un flujo (Microflow), que coincide con un campo denotado como comodín (Macroflow) del flujo; o en otro de los casos no coinciden, en el caso de una coincidencia encontrada, se realiza un conjunto de acciones tal como se define en la entrada de la tabla de flujo. En el caso de no encontrar una coincidencia, el switch envía el paquete (o simplemente su cabecera) al controlador para solicitarle a este una decisión. Después de consultar las directivas el controlador responde con una nueva entrada de flujo el cual debe ser agregado a la tabla de flujos del switch. Por otro lado se tiene una última entrada que es utilizada por el switch para manejar los paquetes en cola, así como los siguientes paquetes en el mismo flujo y en orden dinámico que son remotamente configurados en el switch openflow. Interfaz Northbound: La interfaz Northbound (Big Switch networks, 2012) es más un conjunto de API definidos por software que un protocolo de datos. La programación que utiliza estas API permite a las aplicaciones SDN tener una interfaz amigable en donde se pueden configurar la red y sus componentes. De antemano Northbound APIs permite incluir funciones básicas de red, como ruteo, manejo de tráfico y seguridad que permiten la administración de servicios de red en la nube, en donde los lenguajes de programación y herramientas apropiadas para compilación de las reglas generadas por el protocolo que son utilizadas para el análisis del estado de la red, pueden ser comparados de acuerdo a tres significativos criterios de diseño: nivel de abstracción, programación lógica y directivas lógicas. 35

43 -Nivel de abstracción: bajo nivel vs alto-nivel: Mientras que el lenguaje de alto nivel traduce la información proveniente por el protocolo de Openflow dentro de esta semántica, permite a los programadores gestionar las reglas impuestas en los lenguajes de bajos nivel. -Programación; lógica vs funcionalidad reactiva: Muchos de los lenguajes existentes para el manejo de las redes indican tan solo la descripción lógica, mientras el control de flujo es delegado a la implementación. No obstante, existen dos maneras de programación diferente para expresar directivas de red: programación lógica (LP) y programación funcional reactiva (FRP). En la programación lógica, un programa está constituido por un conjunto de sentencias lógicas. Esta se aplica particularmente a las áreas de inteligencia artificial. La característica más importante de FRP es que permite capturar en tiempo real los diferentes comportamientos basada en eventos, por lo tanto se utiliza en áreas como la robótica y multimedia. -Directivas lógicas: pasiva vs activa Un lenguaje de programación puede crear ambas directiva tanto pasivas como activas, una directiva pasiva solo puede observar el estado de la red, mientras una directiva activa acciona el estado de una red extendida y da respuesta a algunos eventos. Un ejemplo de una directiva activa es el limitar el acceso a dispositivos y usuarios basados en el uso máximo del ancho de banda. Para tener una idea sobre los distintos lenguajes de programación framework desarrolladas para SDN, se resumen en la siguiente tabla y se hace una breve descripción de cada uno de ellos. 36

44 TABLA 2. Lenguajes de programación SDN Framework Level of Query Runtime Implementation Programming Policies Type Frenetic] Abstraction high Language yes System yes Language Python Type FRP Active NetCore high yes yes Python FRP Active Nettle low No no Haskell FRP Active FML high No no Python/C++ LP Passive Procera high No no Haskell FRP Active Fuente :( ) A Survey and a Layered of Software-Defined Networking_1 Frenetic (N Foster, 2011) Lenguaje de programación de alto nivel constituido por dos niveles de abstracción: La primera es una de bajo-nivel que consiste en un sistema de ejecución trasladado a uno de alto nivel, donde se encuentran directivas y consultas de bajo nivel, como son los comandos que contienen las reglas de los dispositivos del switch. El segundo es alto-nivel abstracción que e se asemeja a las consulta SQL (lenguaje Estructurado) el lenguaje de consulta proporciona medios para leer el estado de la red, funciones diferentes de consultas y utiliza el nivel alto para clasificar, filtrar, transformar y agregar en los paquetes de cada flujo. FRENETIC, ofrece operaciones donde facilitan la construcción de nuevas herramientas reutilizables, así mismo ha venido usándose como implementación de varios servicios en la carga de balanceo de las diferentes topologías de redes, en la detección de fallas y la tolerancia de enrutamiento en el diseño, en cooperación con el controlador NOX. 37

45 2-NetCore (C. Monsanto, 2012) Es el sucesor de FRENETIC, esta enriquecido con librerías en las directivas administradas y propone algoritmos para compilación del monitoreo en la interacción del control de los switches donde se manipulan dos componentes que deben de coincidir con el sistema de paquetes y las directivas que especifican la ubicación de envío de estos. Netcore compila utilizando un usuario tipo comodín clasificando las reglas generadas en el switch (conjunto reglas envío paquetes) con el incremento en la eficiencia el proceso envió de paquetes del switches. 3-Nettle (Hudak, 2011) Es otro basado en FRP aprovecha la programación de redes de openflow integrado en Haskell, un lenguaje fuertemente estandarizado. Define las funciones de la señal que transforman los mensajes emitidos desde los switches por los comandos generados por el controlador. Nettle permite manipular cantidades continuas de flujos que reflejan las propiedades de una red, tal como es el volumen de los mensajes en un enlace de red; proporciona un mecanismo para describir los comportamientos respecto al tiempo y variables como el balanceo dinámico de carga. Se considera como un lenguaje de programación de bajo nivel, que lo hace más apropiado para programar controladores. 4-Procera (A. Voellmy, 2012): Es un FRP-basado en lenguaje de alto nivel integrado en Haskell. Este ofrece un marco referencial de framework compuesto por operadores que reaccionan a los cambios dinámicos de las condiciones de red. Estos cambios pueden originarse desde el switch openflow o desde eventos externos, tal como el retraso del tiempo en la autenticación de usuarios, en las medidas de banda ancha servidores, 38

46 cargas, etc. Por ejemplo, el acceso a la red puede estar denegado por el uso temporal del ancho de banda usando condiciones existentes. 5- Administración de flujo basado en programación (FML) (TL.Hinrichs, 2009) FML proporciona una abstracción de alto nivel, contrariamente a Procera, carece de expresividad para describir las directivas dinámicas, donde la toma de decisiones cambia con el tiempo, En FML las directivas consisten en archivos de estados declarativos y puede incluir adicionalmente referencias externas, para instancias SQL, Querys. Para cada nueva implementación FML es escrito en C++ y Python sobre NOX. Además, las políticas FML son pasivas, lo que significa que sólo puede observar el estado de la red sin modificarlo. De esta forma los sistemas externos de administración o servicios de redes pueden extraer información básica acerca de la red y las directivas. Adicionalmente los controladores pueden encontrar la manera de comunicarse con cada uno de ellos por diferentes razones. De tal manera que esta interfaz de comunicación permite la programación de los controladores de las redes, abstracción del modelo de datos y otras funcionalidades como son los controladores para el uso de aplicaciones del plano de aplicaciones Controladores (The New Norm for Networks, 2013) Los controladores son el núcleo de las SDN y la parte principal del NOS. Se encuentra entre los dispositivos de red en un extremo y las aplicaciones al otro extremo. Cada entrada de flujo que se encuentra instalada en los dispositivos debe ser establecida por el controlador. Estos se pueden distinguir dos modos de configuración de flujo: proactiva y reactiva. 39

47 En las configuraciones proactivas, las configuraciones producen antes de que llegue el primer paquete de flujos en el switch openflow ya que son preinstaladas en las tablas de flujo. Las principales ventajas de la configuración de flujo proactivo es un retraso en la configuración y reducción de la frecuencia en contacto con el controlador, si bien pueden desbordarse algunas tablas de flujo de los switches. Con respecto a una configuración de flujo reactiva, solo si hay entradas existentes en las tablas de flujo, estableciendo una regla en el switch, por lo tanto el primer paquete de flujos llega al switch y lo comunica con el controlador. Estas entradas de flujo caducan después de un tiempo de Inactividad y deben ser eliminadas. De esta forma el controlador compara el flujo con las directivas de la capa de aplicación y decide sobre las acciones a tomar, luego de esto se calcula una ruta para este flujo, de esta manera nuevas entradas son instaladas en cada switch que pertenezcan a esta ruta, incluyendo el que inicia la solicitud. De esta forma se tiene un patrón conocido como comodín que es aplicado al Macroflow, este puede ser reemplazado y permite obtener un control de tráfico en términos de escalabilidad y flexibilidad. Con el fin de obtener cálculos en la visión general del tráfico en los switches, que se comunican entre el controlador y los switches. Cuentan con dos formas para realizar dicho cálculo que son: push-based vs pull-based flow. Push-based Los cálculos son enviados por cada switch al controlador para informar sobre eventos específicos, como son configurar un nuevo flujo o quitar una entrada de la tabla de flujo debido a la velocidad por el límite de tiempo. Pero este mecanismo no informa al controlador sobre el comportamiento del flujo antes de entrar en tiempo de espera. 40

48 Pull-based El controlador aprovecha y recoge un conjunto de flujos específicos. Opcionalmente puede solicitar un reporte específico sobre todos los flujos y los comodines mientras que esto puede ahorrar ancho de banda controlador. del switch al Continuando con los controladores, a continuación se muestra una lista de los más representativos. Actualmente soportan versión 1.0 openflow, los switches están resumido en la tabla 3, comparado con la disponibilidad del lenguaje de programación. TABLA 3. Lenguajes de Programación para SDN Controller Open Source Language Multi-threaded GUI Origin NOX yes C++/Python no Yes Nicira Networks NOX-MT yes C++ yes No Nicira Networks and Big Switch POX yes Python - Yes Networks Nicira Networks Maestro yes Java yes No Rice University Beacon yes Java yes Yes Stanford University SNAC no C++/Python no Yes Nicira Networks RISE yes C and Ruby nonguaranteed No NEC Floodlight yes Java - Yes Big Switch Networks McNettle yes Nettle/Haskell no No Yale University MUL yes C yes Yes KulCloud RYU yes Python - - NTT OSRG and VA Linux OpenDaylight yes Java yes Yes Multiple contributors Fuente: ) A Survey and a Layered of Software-Defined Networking_1 41

49 Interfaz East/westbound: Esta interfaz provee interfaz de comunicación, que actualmente no está soportado por una norma aceptada. Lo anteriormente dicho correspondía a las interfaces de conexión de las SDN, ahora bien continuamos con la descripción de las tres capas que las conforman, iniciando con la capa de infraestructura, seguido con la capa de control y finalizamos con la capa de aplicaciones. 42

50 4.3 Capas Arquitectura SDN FIGURA 5. Capas arquitectura SDN Fuente: Capa de infraestructura Es la capa más baja de SDN donde se encuentran los dispositivos físicos o virtuales como (switch, routers) los cuales están conectados a través de una interfaz abierta que permite el switcheo y envío de paquetes en una conexión de red. Estas conexiones se hacen a través de medios de transmisión diferentes, incluyendo, cobre, redes inalámbricas, y fibra óptica. Si bien las preocupaciones básicas están asociadas a esta capa ya que dependen de estos dispositivos para el correcto funcionamiento de las SDN. En la gráfica a continuación se muestra la conexión de una topología general de red con los medios de transmisión y las interconexiones de los dispositivos. 43

51 FIGURA 6. Conexión de una topología red con los medio de transmisión Fuente: A-dispositivos de switcheo: El diseño de arquitectura para switches consta de dos componentes lógicos: El plano de datos y el plano de control como se muestra imagen a continuación. FIGURA 7. Dispositivo Switch Fuente:http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.htm 44

52 1-Plano de control: En el plano de control los dispositivos switch se comunican con el controlador de la capa de control, reciben unas reglas para el envío de paquetes y las ajustan al enlace de datos, almacenándolos en una memoria local. Como ejemplo de este tipo de memoria se tiene memoria TCAM, GCAM Y SRAM. Static Random Acces memory (SRAM), la cual puede llegar a ser mucho más flexible y escalable. Ternary Content Addressable Memory (TCAM) ofrece un rápido escaneo de velocidad para clasificación de paquetes. Pero se tiene una ventaja y es que ambas memorias tanto la SRAM como la TCAM puede usarse juntas para balancear en compensación entre rendimiento y flexibilidad. Presentando ventajas competitivas, a diferencia de los dispositivos convencionales. Tales como la ejecución y toma de decisiones de los protocolos de enrutamiento, así se deduce que los dispositivos SDN son sencillos de fabricar los cuales pueden conllevar a reducir la complejidad y los costos de su implementación, en donde esta nueva arquitectura debe requerir un nuevo diseño de hardware para los dispositivos de switcheo, clasificando las plataformas más para la ejecución de tareas, como el testeo que se utiliza para verificar el desempeño de estos dispositivos (H. Yin, 2012). Respecto a los dispositivos switches, uno de los principales cambios reside en la eficiencia de las tarjetas de memoria, estas son fundamentales ya que de ellas depende el alcance que pueda tener la red. Haciéndose necesario que estas tarjetas tengan un gran espacio para que puedan soportan las constantes actualizaciones de hardware y evitar insuficiencia del almacenamiento que puede causar pérdida de paquetes. 45

53 En los switch tradicionales se utilizan técnicas de administración de las memorias, las cuales se diseñan para optimizar el rendimiento, declarar reglas en el momento en que se encuentra en uso y el determinar el límite máximo que puede alcanzar. De la misma forma en que se utilizan reglas en los routers convencionales tales como la agregación y reemplazo de las directivas de la cache (E. Karpilovsky, 2012), en otras palabras puede reducir la memoria usada incorporando varios registros de enrutamiento como un simple prefijo o una nueva ruta de registro. De la misma manera aumenta la velocidad del envío de los paquetes y limita la memoria de una manera adecuada. Otra principal mejora es la combinación de diferentes tecnologías de almacenamiento logrando el tamaño de memoria deseado, velocidad de procesamiento, flexibilidad, costo y complejidad moderada y contar con el almacenamiento de hardware de diferentes características. 2- Plano de datos: El plano de datos del switch es el proceso en donde se lleva cabo el envío de paquetes que están basados en reglas impuestas por el plano de control. La principal función del plano de los datos es el envío de paquetes específicamente sobre el receptor. El proceso que se lleva a cabo inicia con la identificación de las reglas de envío basados en direcciones IP o MAC el cual debe coincidir con el próximo salto del paquete. En SDN los paquetes también pueden basarse en otros parámetros, como son las áreas de las redes virtuales y el acceso a los puertos del switch, resultando un intercambio fundamental entre costo y la eficiencia en el procesamiento de paquetes de SDN. Otro punto son las diferentes soluciones que infieren para el procesamiento rápido en la trayectoria de los datos. A continuación se explican las dos áreas y su respectivo propósito. 46

54 Primero los equipos basados en software usados para el procesamiento de paquetes pueden resultar con un desempeño poco productivo. Debido a esto requieren el uso de hardware calificado para incrementar el rendimiento (V. Tanyingyong, 2010), en este diseño los paquetes entrantes son direccionados en la interfaz de controlador de red (NIC). Como resultado el procesador queda libre para la consulta de procesos. Segundo los flujos se pueden extraer, aunque son numerosos pero a su vez cada uno de ellos tiene menos paquetes. Igualmente las páginas web recuperan el flujo. Por ejemplo Mice (G. Lu, 2012) en efecto contribuye primero a los eventos frecuentes que son manejados por los dispositivos switch, pero ellos tienen una pequeña influencia en el rendimiento general de la red. En este mismo orden de ideas, se tienen ejemplos de procesadores para red que incluyen familia procesadores XPL (MIPS64 arquitectura) de Boradcom, XScale (ARM Arq.) de INTEL, NPxNPUS, deezchip, powerquicc comunicaciones, procesadores (power), desde freescale NFP series procesadores (ARM architecture) de Netronome, Xelerated HX de Marvell, OCTEON series (MIPS64 architecture) de Cavium y CPU con propósito generales por Intel and AMD-62. Características referentes a la capa de infraestructura (S. Kandula, 2009): 1-Rendimiento y flexibilidad Se han introducido varias inquietudes respecto al rendimiento y la flexibilidad que proviene de aspectos como la implementación de openflow y el límite de soporte de los siguientes modelos: 47

55 -Tamaño Tabla de Flujo: El CAM es un tipo de memoria especial y mucho más rápido que la RAM, que permite hacer búsquedas en paralelo. Un TCAM es descendiente de la CAM, donde puede validar tres tipos de entradas 0, 1 y X esta última es utilizada como comodín, sin importar las condiciones, por lo tanto TCAM requiere mayor número de entradas que las almacenadas en la memoria CAM, con la aparición de SDN el volumen del flujo de entradas almacenadas esperado, crece respecto a una red tradicional. Si bien las memorias tipo TCAM son recursos relativamente costosos en términos de ASIC y son de gran consumo. -Método de consultas: Existen dos tipos de tablas de flujo, HASH y LINEAR (Banerjee, 2013), HASH se utiliza para el almacenamiento de los Microflow donde son usados para realizar consultas rápidas. Los hash están almacenados en la SRAM STATIC (SRAM) del switch. Pero uno de los inconvenientes de este tipo de memoria es de tipo electrónico ya que se despega debido altas latencias. Respecto a LINEAR TABLES se utilizan para almacenar macro-flow usualmente implementados en TCAM son más eficiente en las entradas de flujo y almacenamiento de los comodines, TCAM es un chip integrado localizado en la board del switch, el cual se encarga de disminuir el retraso en las consultas. En contrario a esto los switches normales las consultas no son un mecanismo de operación principal, son consideras otro tipo de operaciones, conllevando a mayor disipación en períodos largo de latencias en los switches regulares. -Rendimiento CPU: Todos los flujos están controlados por un sistema CPU en los switches basados en el protocolo Openflow, por lo tanto su desempeño será determinado por la potencia de la CPU. Además, del uso de la CPU que es necesario para 48

56 encapsular el paquete que se transmitirse a la controladora donde se hace la respectiva configuración por medio de un canal seguro.si bien es cierto que en las redes tradicionales la CPU de los switch no pretenden manejar la operación de flujos limitado así la tasa de las operaciones que son soportados en switch Openflow aparte de restringir el ancho de banda entre el switch y el controlador debido al el límite de funcionamiento de la CPU. -Ancho de banda entre la CPU y ASCI: El control de la ruta de datos entre el ASCI y la CPU generalmente es lento y no se usa con frecuencia en la operaciones de los switch tradicionales. -Tamaño paquetes de buffer: Los paquetes de búfer del switch están caracterizados por el tamaño limitado, esto puede causar perdida en los paquetes a causa de la degradación. 2-Correcta entrada de flujos: La mayoría de los errores en la configuración de la red se deben al software ya que en el envío de los bucles se presentan fallas en el contenido de la entrega afectado la seguridad y eficiencia de la red y así mismo no hay garantía en el aislamiento de las mismas, además de violación al acceso de control. SHOWYRA (R. W. Skowyra, 2013) propone un enfoque basado en métodos formales para diseñar y verificar una red con switches openflow respecto a las propiedades y mejora de las mismas, y propiedades relacionadas con la movilidad. (McGeer, 2012) habla de la complejidad de la verificación de las redes openflow. En esto una red de switches Openflow es considerado como una red a cíclica de gran tamaño con funciones booleanas, además la restricción de reglas de Openflow de verificación.flowchecker (Al-Haj, 2010) es otra herramienta para analizar, 49

57 validar y ejecución End-End, configuración y unión de infraestructuras openflow. Varios tipos de configuraciones son investigadas dentro simples tablas de flujos a través de las diferentes inconsistencias de la infraestructura openflow. 3-Medios de transmisión Como se ilustra en la figura 6, SDN debe abarcar todos los medios posibles de transmisión, incluyendo el cableado, las señales inalámbricas y los medios ópticos, con el fin de cumplir con una cobertura general donde estos medios de transmisión tienen sus propias características, en la configuración y administración que deberían integrarse en las SDN. Para comprender un poco más de los medios de transmisión a continuación se hace un breve resume de los radios inalámbricos y la conexiones de fibra óptica A-radio inalámbrico: Muchos avances en las tecnologías para maximizar el espectro se han venido desarrollando para ser utilizados en las transmisiones inalámbricas. Entre ellos, Software defined Radio (SDR) que permite una estrategia para el control de la transmisión inalámbrica vía software (Ulversoy, 2010). Dada su naturaleza similar, a la integrada en SDN. Un ejemplo es que casi todos los sistemas inalámbricos utilizan Fast Fourier Access. (FFT) probablemente con diversas longitudes FFT que propone radio abierto para separar el protocolo inalámbrico desde el hardware y usar protocolos con interfaz programable inalámbrica. De igual manera se tiene conocimiento de otro estudio en donde controlador NIC modifica los cálculos de colección de comandos APII (R. Murty, 2010). Otro sistema es el que se presentan en los Clientes y acceso a puntos(aps), pasivamente que reportan las características de la información que incluye el número total de paquetes, y la duración del tiempo 50

58 al aire utilizado por el controlador central, este se encarga de administra los link conexión de selección y modelado de clientes. B-fibra óptica 3 : Utilizan backbone por agregación de tráfico que ofrece bajo consumo. También puede ser adoptado en las redes ópticas para desarrollos y reconfiguración óptica (ROADMs) optical add/drop multiplexers, integra estas tecnologías ayudando a lograr un eficiente control del plano de datos por medio de la integración. Una red óptica puede controlarse por múltiples mecanismos dada su naturaleza, una ruta de datos End-to-End de origen a destino puede controlarse por varios actores, cada uno de los de ellos controla partes en la ruta de datos. Para este caso se tiene el ejemplo de Split-control. Donde "Controlador B" maneja un circuito dominio óptico de switch y "Controlador C" maneja la "switch de paquetes dominio B", pueden ser una opción y pueden volver a utilizar técnicas avanzadas en conmutación de circuito óptico. Por ejemplo, un GMPLS administra el plano control de la red óptica a lo largo de una línea lógica desacoplando el puente transporte del núcleo. 3 eeexplore.ieee.org/xpl/a Survey on Software-Defined Networking 51

59 4.3.2 Capa de Control FIGURA 8. Capa de control Fuente: ONF, Software-Defined Networking: The New Norm for Networks, Open Networking Foundation, Tech. Rep., April 2013, También es conocido como plano de control, consiste un conjunto de controladores SDN basados en software que proporciona, a través de APIS abiertas, supervisión del comportamiento del envío de paquetes de red a través de una interfaz abierta. FIGURA 9. Muestra el diseño lógico para lenguajes de programación de alto nivel para aplicaciones SDN. 52

60 Fuente:http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html - software defined networking De igual forma el controlador es el más importante componente de la arquitectura, donde se encuentra la complejidad, y donde está representado por dos componentes principales; los objetos y las interfaces. Objetos: El controlador SDN se ocupa de dos tipos de objetos. Uno se utiliza para controlar la red, donde se encuentran las directivas impuestas por la capa de aplicación y los paquetes protegidos en las reglas para la infraestructura. El otro se relaciona con el monitoreo en red. Interfaces: El controlador tiene dos interfaces que ya fueron explicadas al comienzo de este documento el Southbound y Northbound. Ahora bien el diseño lógico para controladores SDN se puede desacoplar entre la construcción de cuatro componentes. A Continuación se explica las investigaciones existentes en el diseño dentro de los componentes señalados. La capa de control es el puente entre la capa de aplicación y la capa de infraestructura, el cual está conformado por cuatro principales componentes como son: el lenguaje de alto nivel, las reglas para proceso de actualización, colección estado de la red y condiciones para proceso de sincronización de la red. 53

61 1-lenguaje de alto nivel: De hecho es una de las llaves principales es el controlador de funciones, este establece una comunicación por medio de un protocolo entre la capa de aplicación y la capa de control, en el proceso de envío de paquetes. No obstante, estos lenguajes comunes de configuración solo ofrecen abstracciones primitivas derivadas de las capacidades básicas del hardware dado que están diseñados a solo configuraciones de hardware que suelen ser limitados para redes dinámicas. Una estrategia es utilizar lenguajes de alto nivel existentes como por ejemplo, Python, C++ y Java para desarrollo de aplicaciones, los cuales están conformados con características tales como seguridad, garantía de ancho de banda y suministro de requerimientos de bajo nivel normalmente, este enfoque es ofrecido un Software Development Kit (SDK).otro ejemplo seria las plataforma de Kit (onepk) de Cisco (A. Giorgetti, 2012). La otra estrategia adopta un diseño proponiendo nuevos lenguajes de alto nivel con características especiales para lograr un control de comportamiento eficiente red de SDN. 2-reglas de actualización: Están instaladas apropiadamente en los dispositivos switch para las operaciones y son los responsables de generar los paquetes enviados por las reglas de las directivas descritas. Al mismo tiempo, estos dispositivos necesitan actualizarse debido a los cambios en la configuración y el control dinámico, como puede ser dirigir el tráfico desde una réplica a otro para el balanceo dinámico de carga, la migración de máquinas virtuales (VM) (Caesa, 2012), además la recuperación de la red tras fallas inesperadas conservando y garantizando las propiedades de red preferidas, tal como los bucles libres y seguridad. De igual forma las reglas establecidas pueden ser de diferentes formas, principalmente dos definiciones están incluidas: 54

62 Lógica exacta: Usando un conjunto de reglas actualizadas con seguridad se garantiza las reglas originales. Por nivel de paquete, donde cada paquete es procesado, por las actualizaciones de las reglas originales. Consistencias eventuales: Permite que los paquetes del mismo flujo sean usados en la regla original, antes o durante la actualización de los procedimientos, esto garantiza que los paquetes usados después de la actualización de las reglas eventualmente proceden a finalizar y ser enviados. 3-Colección estado de la red: Los controladores recolectan el estado de la red para construir una visión global de toda la red y provee a la capa de aplicación toda la información necesaria, como por ejemplo la topología gráfica de red para la toma de decisiones en las operaciones de red teniendo como un estado principal de la red el cálculo de tráfico de la red, además del tiempo de duración, el número de paquetes, tamaño y división del flujo de ancho de banda para finalizar se tienen diferentes modos y estrategias para las características respecto a la medición y precisión, de esta manera es fundamental encontrar sweet spot (punto óptimo) con suficiente exactitud, pero manteniendo baja sobrecarga. 4-Sincorización del estado de la red: Una de las causas que puede causar un controlador centralizado son los cuellos de botella, se tiene una solución común a este inconveniente y consisten en hacer replicas o copias de seguridad de los controladores (P. Fonseca, 21012), 55

63 asegurando las operaciones adecuadas de la red pero inconsistentemente puede resultar la toma de decisiones incorrectas en la capa de aplicación que luego llevan a inapropiadas operaciones de red. Existen sistemas que se usan para tener una sincronización global de la red, ejemplo Hyperflow, que permite mostrar toda la sincronización de la red entre múltiples controladores, este se usa para publicar y mantener constantemente una visión de la red a través de los controladores, así cuando se detecta un el controlador publica los eventos a través del sistema, de esta forma el nuevo estado es promovido a los controladores actualizados inmediatamente. Ahora bien el incremento de los procesos de los controladores utilizan las siguientes técnicas: incremento en la capacidad de procesamiento, reducción de frecuencias y referencias de desempeño requisitos de los procesos. para disminuir la frecuencia y los A- Incremento capacidad de procesamiento: Un controlador es esencialmente una pieza del software, que por medio de la ejecución de lotes pueden ser usados para mejorar el desempeño de los controladores o solicitar el procesamiento de la información, como tal existen técnicas como MAESTRO (Cai, 2011) NOXT-MT y NETTLE. Específicamente MAESTRO está basado en una implementación de java. Este aprovecha el rendimiento de las técnicas de optimización entrada y salida de Bach del núcleo. B-Solicitud en la reducción de frecuencia: El resultado de cargar el controlador puede ser pesado ya que se presentan retrasos a largo del tiempo en controladores SDN, como tal existes diferentes estrategia que puede ser adoptadas para disminuir la frecuencia de las solicitudes. Uno de ellos consiste en modificar los dispositivos de los switches con el fin de manejar las solicitudes en el plan de otra estrategia es mejorar la estructura en la cual se organizan los dispositivos de los switches como la 56

64 necesidad es acceder a las reglas propiamente. Todos los paquetes pueden ser manejados en el plano de datos sin solicitarlo a los controladores algunos paquetes pueden tener a lo largo de la trayectoria reglas apropiadas similares y presentes en DEVOFLOW Fonseca, 21012). aún Mice flujo en los dispositivos switches (P. El propósito de Devoflow es instalar pequeños segmentos en lo posible en las reglas de envío de los paquetes de los dispositivos switches de tal forma que genera un rápido enrutamiento después de asignar los puertos de salida sin requisito de los controladores, también usa disparadores después de alcanzar el límite de las condiciones que como resultado se reduce la cantidad de datos en la comunicación con los controladores. C-Referencia desempeño: El controlador de referencia se puede usar para identificar a la referencia de los cuellos de botella y es esencial para el incremento en el proceso apto del controlador, CEBENCH (controlador referencia) (Cai, 2011) y OFCBENCHMARK (P. Hudak, 2012) son dos herramientas diseñadas para el controlador de referencia, el primero hace un testeo generado por requisitos de las reglas de los paquetes enviados observando las respuestas desde el controlador. El segundo ofrece agregar a la estadística del controlador través del tiempo de respuesta de los dispositivos switches agregando las estadísticas que no puede ser suficiente para su funcionamiento. 57

65 Características de la capa de control: Rendimiento, escalabilidad y fiabilidad: Una serie de preocupaciones han sido consideras como importantes en las SDN desde sus inicios, donde los factores más determinantes que afectan el rendimiento y la escalabilidad en el plano de control es la cantidad de flujos por segundo y el retraso en la ejecución. BENCHMARKS en NOX demostró que se podía manejar al menos nuevos flujos instalados por segundo manteniendo un retraso de configuración flujo sub 10-ms, hay estudios que sugieren que esta cantidad es insuficiente para superar los problemas de escalabilidad actuales. Por ejemplo (A. Greenberg, 2009), se ha demostrado en que el caudal promedio de llegada en un clúster de 1500 servidores es aproximadamente 100,000 flujos por segundo. Este nivel de rendimiento, que llevan implicaciones a gran escala. Al incrementar el número de switches, da como resultado el aumento de mensajes Openflow, además de presentar un retardo en las configuraciones de flujo adicionales en las redes de gran tamaño, en donde va aumentando el número de controladores ubicados en la red y en el diseño para implementación del software, permitiendo elegir diferentes propuestas. Control partición: Surgen varias propuestas para solucionar el empleo de múltiples controladores de acuerdo a configuraciones específicas, una de ellas es HYPERFLOW este hace una distribución de eventos basados en el plano de control para Openflow. Donde se usan múltiples controladores físicos de distribución NOX para mantener el control lógico centralizado. Estos controladores comparten la misma visión y ejecución como él lo hace el controlador en toda la red. Para obtener buenos resultados. HYPERFLOW donde cada subconjunto de requisitos del plano de control es localizada en el servidor local y se implementa como una aplicación 58

66 sobre el NOX. HYPERFLOW es resistente a particiones de red y fallas en todos los componentes interconectados independientemente del administrador de redes de Openflow, mientras se reduce el control del tráfico de las regiones que atraviesa. 2-Seguridad: la seguridad es una de las características más importantes para el plano de datos del protocolo openflow, una de las propuestas es AVANT-GUARD (S. Shin, 2013)],que permiten al plano de control y la red sean más resistente a ataques de saturación,como por ejemplo TCP-SYN, el cual consta de dos módulos, el primero se encarga del a migraciones de las conexiones, mediante la prevención de ataques por saturación. El segundo hace llamado a unos disparadores que se activan cuando detectan una amenaza, este va colocado dentro el plano de datos, se realiza mediante el proceso de cálculos de las reglas de flujo bajo ciertas condiciones definidas, pese a la implementación de AVANT-GUARD, necesita una serie de especificaciones, además de nuevos comandos para poder manejar las operaciones en los módulos. 59

67 4.3.3 capa de aplicaciones: FIGURA 10. Capa de Aplicaciones Fuente: ONF, Software-Defined Networking: The New Norm for Networks, Open Networking Foundation, Tech. Rep., April 2013 Principalmente consisten en aplicaciones para el usuario final y el uso de las SDN en la comunicación y servicio de la red. Como se ilustra en la figura 10 la capa de aplicaciones se ubica sobre la capa de control, a través de esta capa, las aplicaciones SDN pueden tener una visión general del estado de la red, por medios de las interfaces de conexión, utilizando lenguajes de programación de alto nivel de esta forma se pueden implementar como estrategias físicas para las redes. SDN ofrece plataformas tal como servicio de modelo para redes, varias son las aplicaciones construidas en esta plataforma. A continuación describimos varias de ellas. 60

68 A-Adaptación de Enrutamiento: En una red las principales funciones son el switch y el enrutamiento, pero cuando el diseño de la distribución tiene varias falencias en donde se ve involucrado las implementaciones y le limita de su capacidad de adaptación; para este tipo de falencias SDN ofrece cerrar el bucle de control, la introducción nde aplicaciones oportunas del estado de información de la red y permitiendo así la adaptación al control de la red viendo esta oportunidad varias propuestas para hacer uso de las plataforma SDN para mejora de diseño de enrutamiento. A continuación se describe las aplicaciones para este dominio load balancing y croos-layer-design. 1-Load balancíng (R. Wang, 2011): El balanceo de cargas aprovecha las reglas de los paquetes de envío, además del cálculo del flujo para lograr balanceo de carga. Otra metodología es la migración de tráficos desde la carga pesada de los dispositivos Switch, además de la reducción de en los tiempos de respuesta. Diferentes servicios necesitan la implementación para diferente tipo de tráfico, por ejemplo la web y , en donde se necesitan algoritmos especialmente para el balanceo que depende carga de trabajo. 2-Cross layer design: se ofrece para para la integración de las diferentes capas de la infraestructura de las SDN, un ejemplo de ello es el conocido modelo OSI de las redes, el cual permite el intercambio de información de una capa a la otra, además SDN ofrece plataformas para aplicaciones de fácil acceso a la información de la red. 61

69 B-Boundless roaming: Se debe garantizar el acceso a internet de los dispositivos como los Smartphone y tables ya que estos dispositivos se mueven de un lugar a otro por medio de conexiones enviadas por una estación base, esto puede conllevar a la interrupción del servicio prestado, ya que se limita a un mismo operador con la misma tecnología en SDN redes de diferentes operadores con diferentes tecnologías pueden tener un plano de control común, esto permite la movilidad ilimitada conexiones inalámbricas entre diferentes tecnologías y transporte como se muestra fig.6. C-Network maintenace: Los errores más comunes en las redes son las configuraciones por parte humana donde se ha reportado que un 60% de la inactividad de la red es por causa de este inconveniente (Kerravala, 2004), para que esto no suceda existen herramientas que permiten dar un diagnóstico individual tal como: ping, tracarute, tcpdump y Netflow. Que proporcionan una solución automática del mantenimiento de la red, ofreciendo oportunidades de diseño en el diagnóstico y mecanismo para automatización de la red. D-Network security (S. A. Mehdi, 2011) La implementación de framework y servidores proxy para proteger al red física es notable para la seguridad, pero debido a la heterogeneidad y asegurar el uso exclusivo de aplicaciones, implica llevar a implementar una directiva en toda la red con cierto nivel de complejidad en la configuración de las aplicaciones. SDN ofrece plataformas centralizadas y chequeo de directivas, además de configuraciones para asegurar la implementación eficiente de requisitos protección para la seguridad. 62

70 E-Network virtualización: Técnica popular que permite múltiples arquitecturas de redes heterogéneas que se encuentran en una infraestructura red compartida (Boutaba, 2009), el uso de métodos convencionales de virtualización usan túneles VLAN,MPLS que requieren configuraciones complejas de todos los dispositivos involucrados, en comparación SDN ofrece plataforma que permite la configuración de todos los dispositivos de switcheo de red desde el controlador, ejemplo LIBNETVIRT (D. Turull, 2011) con esta plataforma se pueden desarrollar varias estrategias en la capa de aplicación para seleccionar automáticamente la red. F-Green networking (A. Bianzino, 2012): Se ha convertido en un importante elemento para el diseño de las redes y la implementación de beneficios económicos y ambientales. Se ha considerado en diferentes enfoques, incluyendo energy-aware adaptación, tráfico, infraestructura y aplicación. Así mismo los dispositivos switch SDN ofrece beneficios de reducción de energía en las operaciones de red, minimizando así el consumo de energía. G-SDN for cloud computing (T. Benson, 2011): La disposición de recursos informáticos y almacenamiento con el uso de virtualización de servidores de red Cloud. SDN brinda oportunidades para ampliar el servicio de aprovisionamiento modelo de (IAAS) más allá de la computación y almacenamiento recursos para incluir un conjunto para el acompañamiento de los servicios de red siendo más flexible y eficiente para la Cloud. De otro lado los Datacenter redes para el uso de Cloud tienen unos requisitos claves, incluyendo escalabilidad para el despliegue a gran escala independiente de la ubicación de los recursos dinámicos. 63

71 4.3.4 Protocolo Openflow Existe una serie de normas de protocolo en el uso de SDN en aplicaciones reales. Uno de los más populares estándares de protocolo conocido como OpenFlow. Este protocolo permite la implementación del concepto de las SDN tanto en hardware como en software, una de sus características es que puede utilizarse el hardware existente para analizar y desarrollar nuevos protocolos, el uso de código es de tipo abierto implementado comercialmente en los dispositivos de conexión de redes. Con respecto a un switch en este caso el OpenVSwitch (OVS) es uno de los más popular, impulsado por el software de OpenFlow switch. Su núcleo está escrito en su firmware incluyendo Pica8 y Linux 3.3 (Helios by nec, 2011) e Índigo (Passarella, 2012) también ya disponibles. Además se utiliza para la orientación del flujo y la configuración d para esta acción se hace por medio de los puertos del switch, allí existe un controlador que se encarga de administrar el control de flujo por medio del protocolo openflow, este contiene varias tablas de flujos y se conectan con los otros dispositivos por medio de los puertos openflow En la siguiente figura se muestra el modelo openflow y se describe su procedimiento de aplicación. FIGURA 11. Modelo Openflow Fuente: OpenFlow switch specification, version 1.0.0, online 64

72 Procedimiento aplicación de protocolo openflow: Inicialmente la ruta de datos de los dispositivos de enrutamiento OpenFlow tiene una tabla de enrutamiento vacía con algunos campos (tales como dirección IP de origen, tipo de QoS, etc.). Esta tabla contiene varios campos de los paquetes como son el destino de los diferentes puertos (recepción o transmisión), así como un campo de acción que contiene el código para diversas Acciones, tales como él envió de paquetes o recepción, esta tabla se llena basándose en los paquetes entrantes, así cuando un nuevo paquete no tiene ninguna coincidencia en la tabla del flujo de datos, es enviada al controlador para que la procese. Ya sea una pérdida de paquetes o se agregue una nueva entrada en la tabla de flujos. También se pueden programar múltiples switch simultánea pero todavía es un sistema distribuido causando pérdida de paquetes y retraso en el control del mismo, ya sea una pérdida de paquetes o se agregue una nueva entrada en la tabla de flujos, aparte de esto se pueden programar múltiples switch simultáneamente. Las plataformas actuales de SDN, tales como NOX y Faro, permiten programación pero es todavía difícil programarlos en un nivel bajo. Con los nuevos protocolos (como OpenFlow) cada vez son más estándares en la industria y la SDN es cada vez más fácil de implementar. Por otra parte el plano de control del protocolo Openflow genera la tabla de enrutamiento mientras el plano de datos utiliza la tabla para determinar donde se deben enviar los paquetes. OpenFlow y SDN permiten administrar y gestionar las redes robustas. La arquitectura típica openflow incluye 3 importantes componentes (The New Norm for Networks, 2013). 65

73 (1) switches: openflow define recursos protocolo abierto para monitorear o cambiar las tablas de flujo en los diferentes dispositivos, estos están conformados por tres componentes importantes FIGURA 12. Muestra los componentes principales de un switch basado tecnología openflow Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible En https://www.opennetworking.org a) Flujo tablas: cada una con un campo de acción asociado Cada entrada de flujo. Entradas de flujo: FIGURA 13.Cabeceras de los flujos de datos Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org 66

74 Cada entrada contiene los siguientes campos: Match Field: para detectar los paquetes. Compuesto por el puerto de entrada y cabecera de los paquetes. Counters: Para la actualización de los paquetes Instructions: Para la modificación o conjunto de acciones en el procesamiento. A continuación se detalla gráficamente en envió de paquetes FIGURA 14. Envió de paquetes Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org Este proceso se lleva a cabo por un paquete dentro de una tabla, como se observa en la figura

75 FIGURA15. Proceso de los paquetes en un flujo Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org 1 En primer lugar el paquete entrénate coincide con la mayor prioridad 2 Una vez detectado se aplican distintas acciones 3 Envía el dato coincidente a la siguiente tabla, junto con el conjunto de acciones b) Un canal de comunicación: Proporciona el enlace para la transmisión de comandos y Paquetes entre un controlador y el switch. c) El protocolo: OpenFlow, que permite a un controlador de OpenFlow capaz de comunicarse con cualquier Routers/Switch y definir las tablas de flujo. De igual forma la estandarización existente de openflow asume la centralización del control, esto es que un simple punto del controlador pueda administrar la tabla de flujos en diferentes switch. Estos switch se pueden clasificar en dos grupos: Dedicados: No soportan Cap. 2 ni 3, se puede definir como un elemento sencillo que envían paquetes entre los puertos establecido por un proceso de control remoto. Los 68

76 flujos están definidos, pero limitados por la capacidades implementación de la tabla de flujos, por ejemplo un flujo puede ser una conexión TCP, los paquetes de una dirección MAC o IP, o todos los paquetes dentro de una red pertenecientes al mismo puerto del switch. Cada flujo consta de tres acciones básicas: Envió paquetes: envío de paquetes en determinado puerto. Encapsulamiento: el paquete se entrega al canal seguro donde se encapsula y se envía al controlador. Descartar paquetes flujo: como mecanismo de seguridad. Tenemos por otro lado que Una entrada en la tabla de flujo tiene 3 campos: 1) encabezado 2) acciones 3) cálculos: realizan seguimiento de los paquetes en el número de bytes y paquetes de cada flujo y el tiempo de ejecución. FIGURA 16. Entrada en la tabla de flujos Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org 69

77 Cada encabezado contiene 10 tuplas, cada una actúa como comodín, permitiendo agregación de flujos. En ejemplo un flujo TCP podría ser especificado por los diez campos, mientras switch nivel 2 puede insertar flujo que incluye el campo MAC. FIGURA 17. Cabecera de los mensajes Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org Por ejemplo en los primeros switches el encabezado del flujo sería como la figura 18. FIGURA 18. Encabezado de flujos en un switch. Fuente: Pag oficial open networking foundation (onf) disponible en ttps://www.opennetworking.org 70

78 Switch habilitados con openflow: Este tipo de dispositivos añaden a la tabla de flujos, un canal de seguridad y protocolo Openflow, donde las tablas de flujo son administradas por el mismo controlador, permitiendo al switch ser controlado por dos o más controladores, con el objetivo de incrementar el rendimiento robusto del sistema, y con uno de los aspectos más importante que es la capacidad de aislar el tráfico, que son procesadas en las capas 2 y 3 del switch, de la siguiente manera: Envío de paquetes Definición conjuntos separados vlans para tráfico experimental, donde ambos enfoques permiten que el tráfico se efectúe de forma normal, procesada por el switch. FIGURA 19. Ejemplo de una red dispositivos habilitado para OpenFlow. Fuente: Pag oficial open networking foundation (onf) disponible en https://www.opennetworking.org 71

79 2) Controladores: Un controlador Puede actualizar (modificar, añadir o eliminar) flujo las entradas de la tabla de flujo. Un controlador puede ejecutar una simple unidad de un programa en un computador estáticamente y establece la ruta de paquetes entre un grupo de equipos de prueba durante experimentos científicos. 3) Entrada de flujo: Incluye rápidas acciones simples de operación (operaciones de red) la mayoría switches OpenFlow soportan las siguientes tres acciones: (a) envío de paquetes de este flujo a un puerto, (b) Encapsulando esto donde fluyen los paquetes y envían a un controlador(c) perdida paquetes del flujo. OpenFlow ha pasado por muchas interacciones de estándares y actualmente está en versión 1.4; aunque solamente versión 1.0 está disponible para el diseño práctico de software y hardware. La segunda y posteriores versiones de OpenFlow cambiaron la elementos, que coinciden con las estructuras que podría especificarse en el conteo del número y tiempo de cada campo de encabezado. Así nuevos protocolos serían más fáciles de implementar (M.Casado, 2007). Se habla del uso de un controlador especial se utiliza para separar los bits de datos, bits de control que permite para que la infraestructura de red comparta más fácilmente, y un servidor es utilizado a menudo para controlar una parte de la arquitectura openflow. Otras de las características de Openflow es su gran flexibilidad permitiendo incorporar varios escenarios para el diseño. 1- Control centralizado vs control distribuido Las siguientes imágenes muestran las opciones de control, en la primera se observa un esquema centralizado con un único controlador mientras en la otra imagen se observa un control distribuido, donde se puede observar cada switch conectado a un controlador. 72

80 FIGURA 20. Control centralizado y control distribuido Fuente: Pag oficial open networking foundation (ONF) disponible en https://www.opennetworking.org (2)- enrutamiento flujo vs agregación: Flujo: -Cada flujo se genera en el controlador -Coincidencia en las entradas de flujo -La tabla de flujo contiene una entra por flujo Agregado: -Una entrada abarca un grupo de flujo -Entrada flujo o comodín -La tabla de flujo contiene una entrada por cada categoría de flujo (3)-reactivo vs proactivo Reactivo: -El primer paquete del flujo causa que el flujo se cree en el controlador -Uso eficiente tabla de flujo -Tiempo adicional en la configuración 73

81 Proactivo: El controlador llena tabla de flujo No se presenta pérdida de tiempo Pérdida conexión no interrumpe el tráfico Requiere reglas esenciales agregadas (comodín) 4.4. Implementación SDN Mediante el uso de SDN, (Indigo Open Source OpenFlow Switches online, 2011) los administradores tienen la capacidad de controlar el flujo de datos, así como alterar las características de los dispositivos de switch (o dispositivos de enrutamiento) en la red desde una ubicación central, con aplicación de control Implementados como módulo de software sin la necesidad de lidiar con cada dispositivo individual (Open Networking Foundation, 2011)]. En primer lugar, es proveedor de la nube donde es más más fácil implementar dispositivos de diferentes fabricantes. Tradicionalmente los proveedores gran nube (como Google, Amazon, etc.), debe adquirir routers de alto rendimiento desde el mismo proveedor con el fin de volver a configurar fácilmente los parámetros de enrutamiento (como la Tabla de enrutamiento actualizar período). Enrutadores de diferentes proveedores tienen sus propias ventajas y desventajas haciéndose un poco complejo personalizar cada router, ya que cada proveedor puede tener su propia sintaxis de lenguaje. Ahora SDN permite a un proveedor de la nube generar una política el enrutamiento o problemas de distribución de recursos mientras que cada proveedor de dispositivos de enrutamiento hacen más eficiente uso nube o llevarla a cabo. 74

82 FIGURA 21. Comparación de una red tradicional y una red con SDN Fuente. S. Li and W. Liao, Software Defined Networks, Editorial, IEEE Comm. Mag., Feb De igual forma la implementación de SDN, cuenta con la capacidad de adquirir un control centralizado en tiempo real de una red y definidos por políticas para el usuario, además esto conduce a beneficios en la optimización de las configuraciones de red y mejorar el rendimiento de la red. Mejora en la configuración: La configuración es una de las funciones más importantes. (N. Handigol, 2010), en la administración de redes, cuando se agregan nuevos equipos en una red existente, se requieren configuraciones adecuadas para alcanzar operación coherentes de la red. Sin embargo, debido a la heterogeneidad entre los fabricantes de dispositivos de red y la configuración de red actual implica normalmente un cierto nivel de procesamiento manual, este procedimiento de configuración manual es tedioso y propenso a errores. Dispositivos (A. Gember, 2012), incluyendo switches, routers, traductores de direcciones de red (NAT), firewalls y balanceadores de carga, hace que sea 75

83 posible configurar los dispositivos de red desde un único punto automáticamente controlado por software, toda una red puede basarse en programación, configuración y optimización dinámica. Mejorar el rendimiento: El objetivo es maximizar la utilización de la inversión en las operaciones de la red, uno de ellos es la infraestructura de red, luego debido a la existencia de diferentes tecnologías y las partes interesadas en una sola red. (K. Jeong, 2012) aumenta el rendimiento de la red, así los enfoques actuales a menudo enfocan en el desempeño optimización y caracterización de un subconjunto de redes. Obviamente, estos enfoques, están basados en información local con la introducción de SDN se está generando una oportunidad para mejorar el rendimiento de la red. Apoyar la innovación: Continuando con la evolución de las aplicaciones de red futuras, debe existir un valor agregado la innovación que cumplen requisitos de estas aplicaciones (T. Koponen, 2011). NEC-tunately, o cualquier nueva idea de diseño inmediatamente enfrenta desafíos en la implementación, la experimentación y despliegue en las redes de existentes, donde el principal obstáculo surge del propietario del hardware ya que ampliamente es utilizado en los componentes de red convencional. La idea detrás de los esfuerzos de la comunidad como PlanetLab ( PlanetLab., 2007) y GENI (Global Environment for Network Innovations, 2014) que son experimentos habilitados a gran escala, donde no se puede resolver el problema completamente. SDN fomenta la Innovación proporcionando una plataforma de red programable para implementar nuevas Ideas, nuevas aplicaciones y nuevos ingresos ganando servicios convenientemente y flexible. 76

84 Hoy en día existen muchos proyectos relacionados con las SDN y entre ellas hay una que es la más utilizada que es el controlador NOX (A. CovingtonR. Sherwood, 2010)y la herramienta para simulación de red Mininet (Pica8 Open Network Fabric, 2011).NOX permite que la implementación de aplicaciones basados en una visión general de la red centralizada utilizando niveles altos de algoritmos que se encuentran distribuidos como base en los lenguajes de bajo nivel, el lenguaje de programación que utiliza es C++, Python. Por otro lado Mininet es un simulador que se utiliza para el prototipo de redes con OpenFlow, basados en un prototipo de red grande, según enlaces específicos y por medio de la virtualización de redes donde involucra los dispositivos de conexión y los controladores. Otra característica de Mininet es que posee Una CLI (interfaz de línea de comandos) que proporciona la interacción con la red virtual, un ejemplo seria, verificar la conexión de dos hosts por medio de un ping, desde Mininet proporciona de un entorno real de una manera sencilla y el uso de la herramienta OS-level que proporciona rápidas características de virtualización de nivel de sistema operativo, incluyendo procesos en los diferentes nombres de la red, Mininet permite crear redes virtuales escalar a cientos de nodos desde un sola computadora. 77

85 4.5 Futuras investigaciones Desde el aspecto de las investigaciones futuras se pretende fomentar una serie de investigaciones para las SDN, desde la estandarización, la implementación y el desarrollo. Como se resumen en la tabla a continuación: TABLA 4. Resumen Futuras Investigaciones Fuente: http. Nadeau and P. Pan, Framework for Software Defined Networks, Internet draft, Oct [Online]. Estandarización: Siendo un hecho a implementación del concepto de SDN, como complemento de SDN, respecto a la estandarización se tiene a IETF (internet Engineering task force) ha lanzado un framework para SDN (Pan, 2011).la ETSI industria, grupo de especificación (ISG) para funciones de virtualización de redes (NFV), han sido recientemente promovidas por NFV. (Network Functions Virtualisation, An Introduction,Benefits, Enablers,Challenges & Call for Action, White Paper, ETSI Industry Specification Group for Network Functions Virtualization, 2012). De esta forma se tiene un progreso respecto a la madurez de SDN, en donde se hace una comparación de todo el potencial de su implementación hasta donde pueda llegar 78

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