3. Arquitectura SDN. PHILOSOPHIӔ N A T U R A L I S P R I N C I P I A TECHNOLOGICA. Investigación de Redes Definidas por Software Página 15 de 106

Transcripción

1 3. Arquitectura SDN. Cm hems vist hasta ahra, la arquitectura SDN se basa en un desacplamient entre el plan de dats y cntrl de la red. Para lgrarl, se crea una Capa de Infraestructura en la que se encuentran tds ls dispsitivs de red y una Capa de Cntrl, dnde se ubicará el Cntrladr SDN. L primer que se hace necesari para cmunicar ambas capas es un prtcl. Un prtcl n es tra csa que un cnjunt de nrmas estándares que especifican el métd que ds más equips utilizan para enviar y recibir dats entre sí. Cm hems intrducid anterirmente, existe un pryect en el que empresas cm Ggle, Micrsft, Facebk y Yah se han asciad cn Verizn y Deutsche Telekm para frmar la Open Netwrking Fundatin (ONF), que está desarrlland, cm principal bjetiv, un nuev prtcl de red Open Surce llamad OpenFlw. Cabe decir, antes de presentar la arquitectura SDN, que SDN y OpenFlw n sn inseparables. OpenFlw es un prtcl, un mecanism que permite a un servidr (cncid en la argt de SDN cm un cntrladr) gestinar e interactuar cn las tablas de fluj en ls switches. Per pdría implementarse tr prtcl para esta función, de hech hay tras iniciativas SDN n OpenFlw, cm Cisc ONE. Entre tras alternativas al us de OpenFlw para el cntrl de red están Extensible Messaging and Presence Prtcl (XMPP), Netwrk Cnfiguratin Prtcl (Netcnf) y OpenStack de Rackspace y la NASA. Sin embarg, a día de hy, el hech de que OpenFlw sea un estándar abiert, resultad del trabaj clabrativ de las imprtantes empresas integrantes de la ONF, hace de OpenFlw el prtcl más ampliamente aceptad en SDN. Cn esta terminlgía, la arquitectura SDN quedaría cm sigue: Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 15 de 106

2 Figura 1. Arquitectura SDN. La ptencia de SDN reside en prgramar la Capa de Cntrl a través de una Capa de Aplicacines, es decir, la psibilidad de crear aplicacines a través de una API (applicatin prgramming interface). Estas sn las aplicacines que gbiernan ls servicis de red y pr tant, tienen delegada tda la inteligencia de la red. Esta filsfía hace realidad las redes prgramables gracias al efectiv desacplamient entre las Capas de Infraestructura y Cntrl de red. Si actualmente las cnfiguracines de red se hacen sbre del sftware integrad en ls ruters switches, la filsfía que subyace en SDN es que tant la cnfiguración cm la prgramación de ests nds se haga fuera ells, básicamente en sftware de servidr y n en el hardware subyacente Switch OpenFlw La idea básica es simple: OpenFlw explta el hech de que la mayría de ls switches y ruters Ethernet mderns cntienen tablas de flujs (flw-tables) típicamente cnstruidas cn TCAMs (Ternary cntent-addressable memry). A pesar de que cada flw-table es diferente para cada fabricante, se han identificad un cnjunt de funcines cmunes entre ells, que funcinan en muchs prducts. OpenFlw se encarga de expltar este cnjunt genéric de funcines. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 16 de 106

3 Ofrece para ell un prtcl abiert para prgramar el flw-table en diferentes switches y ruters. Un administradr de red puede dividir el tráfic en diferentes grups de flujs. Ls investigadres desarrlladres pueden cntrlar su prpi fluj en la red, seleccinand las rutas que ls paquetes deben seguir y el tratamient que recibirán. Est permite que ls investigadres puedan prbar nuevs prtcls de encaminamient, mdels de seguridad, esquemas de direccinamient e inclus alternativas al prtcl IP. Así, sbre la misma red, el tráfic de prducción es aislad y prcesad tal y cm se gestina en un dispsitiv actual. El camin de dats (datapath) de un switch OpenFlw cnsiste en una flwtable y una acción asciada a cada entrada. El cnjunt de accines sprtadas es extensible, per existe un cnjunt de requerimients mínim para tds ls switches. Para btener un alt rendimient y un baj cste, el datapath debe presentar un grad de flexibilidad cuidadsamente establecid. Est supne renunciar a la psibilidad de especificar una gestión arbitraria de cada paquete, y la búsqueda de una gama de accines más limitada, per útil. Un switch OpenFlw trabaja cn l que se denminan tablas de flujs. Las tabla de flujs (flw-table) tienen una serie de entradas cn una acción asciada a cada una, para indicar al switch la manera de gestinar el fluj de entrada (flw-entry). Llamams flw-entry al fluj de entrada en el switch Openflw, mientras que a cada una de las entradas de las tablas de fluj la llamarems simplemente entrada. Una flw-table se cmpne de distintas entradas. Cada entrada en la flw-table cntiene ls siguientes camps: Match Fields: para detectar ls paquetes. Cmpuest pr el puert de entrada y las cabeceras de ls paquetes. Pririty: rden de preferencia de matching del fluj de entrada. Cunters: para actualizar ls paquetes cincidentes. Instructins: para mdificar el cnjunt de accines el prcesamient del pipeline. Timeut: tiemp para que expire el fluj de entrada en el switch. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 17 de 106

4 Ckie: es un valr pac que usa el cntrladr SDN. N se emplea para prcesar flujs. Cada fluj de entrada (flw-entry) es analizad en la tabla: 1. En primer lugar se busca el paquete entrante cincidente cn la mayr priridad. 2. Una vez detectad se aplican las distintas instruccines. a. Mdificación del paquete y actualización de ls camps cincidentes. b. Actualización del cnjunt de accines. c. Actualización del metadata 3. Pr últim, se envía el dat cincidente a la siguiente tabla (flw-table) junt cn el cnjunt de accines. Cada flw-entry n pasa pr una única tabla, sin pr varias a través del pipeline: Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 18 de 106

5 El switch OpenFlw requiere un canal segur para la cmunicación cn el cntrladr SDN. Es a través de este canal que ambs dispsitivs hablan el prtcl OpenFlw: El análisis de ests flujs de entrada puede ser tan fin cm se quiera. Es aquí dnde reside la versatilidad y la capacidad de prgramación de SDN. En la siguiente figura vems el frmat de las reglas y accines OpenFlw: Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 19 de 106

6 Ls flujs están ampliamente definids y sól están limitads pr las capacidades de la implementación de la flw-table en particular. Pr ejempl, un fluj puede ser una cnexión TCP, tds ls paquetes de una dirección MAC IP en particular, tds ls paquetes cn la misma arquitectura dentr de una VLAN, tds ls paquetes pertenecientes al mism puert del switch. Para ls experiments que n incluyan paquetes IPv4, un fluj puede ser definid cm tds ls paquetes que cincidan cn una cabecera específica (per n estándar). Cada fluj de entrada tiene una acción simple asciada. Las tres más básicas (que tds ls switches OpenFlw) sn las siguientes: Reenví de ls paquetes de un fluj particular a un determinad puert ( cnjunt de puerts). Est permite que ls paquetes sean enrutads a través de la red. Encapsular y reenviar ls paquetes de un fluj a un cntrladr. El paquete se entrega al canal segur, dnde se encapsula y se envía a un cntrladr. Nrmalmente se utiliza para el primer paquete en un fluj nuev, para que el cntrladr pueda decidir si el fluj debe ser añadid a la tabla de flujs. Alternativamente, se pdría utilizar cm sniffer para transmitir tds ls paquetes a un cntrladr para su prcesad. Descartar ls paquetes de ese fluj. Puede ser utilizad cm mecanism de seguridad. Distints ejempls de cnfiguración de las entradas de la tabla de flujs sn: Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 20 de 106

7 3.2. Cntrladr SDN Existen múltiples cntrladres SDN OpenSurce, alguns que se han desarrllad pr la cmunidad, y trs que han sid desarrllads pr empresas que han liberad el códig. Ests cntrladres se diferencian fundamentalmente en cuant al lenguaje de prgramación y la platafrma, per en esencia realizan las mismas funcines: hablar el prtcl OpenFlw para cmunicarse cn ls dispsitivs de red. Sabems que OpenFlw n es la única alternativa a SDN, per sí es la más fácil de expltar y acerca de la que más infrmación dispnible hay en este mment para abrdar las redes SDN. Pr es, ls cntrladres que se verán a cntinuación sn OpenFlw NOX NOX fue fabricad pr Niciara Netwrks y desarrllad a la par que el prtcl OpenFlw. Se trata del primer cntrladr SDN OpenSurce. A cntinuación presentams las principales características de NOX: Incluye una API en C++. Psee una entrada y salida rápida y asincrónica, es decir que al sftware cntrladr puede ingresar y salir un gran fluj de dats en cualquier instante de tiemp. Está diseñad para ser instalad y cnfigurad sbre sistemas perativs Linux, sbre td Ubuntu en sus versines 11.0 y 12.04, aunque también puede implementarse fácilmente sbre Debian, Red Hat CentOS. Actualmente se encuentran dispnibles ds versines de NOX: NOX Classic: es una versión antigua que frece sprte para Pythn y C++. Sin embarg, la versión fue descntinuada y ya n existe desarrll en esta línea. N se recmienda implementar esta versión, aunque cuenta cn un rang de móduls más ampli que la nueva versión. La versión activa de NOX se llama verity. NOX: es la nueva versión de este sftware. Ofrece sprte exclusivamente para C++. Sin embarg, frece un rang de aplicacines reducid en cmparación a la versión clásica. Su funcinamient es más rápid y cuenta cn un códig más depurad. Esta versión se encuentra en cntinu desarrll. Las versines de NOX classic sn destiny y zaku. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 21 de 106

8 POX es una herramienta muy similar a NOX, per sól usa el lenguaje Pythn para prgramar las reglas que le indican al cntrladr qué accines llevar a cab, mientras que NOX puede usar tant Pythn cm C++. Esta herramienta fue creada cn el fin de permitir un desarrll más rápid y dinámic de las reglas de fluj para un cntrladr de una SDN. Otra iniciativa de cntrladr SDN basad en NOX de la Universidad Tsukuba es Jaxn. El bjet de este cntrladr es servir de puente entre aplicacines desarrlladas en Java y el cntrladr NOX POX POX presenta las siguientes características: Psee una interfaz OpenFlw denminada Pythnic pr encntrarse en el ambiente de desarrll de Pythn. Puede crrer en cualquier platafrma: Linux, Windws, Mac OS cualquier tra, ya que se puede cmbinar cn PyPy, que es un entrn de ejecución de prgramas escrits en Pythn. Este entrn de ejecución tiene implementacines básicas de cmands de baj nivel, per también puede ejecutar cmands de alt nivel. Sprta la misma GUI (Interfaz Gráfica de Usuari) que NOX y tiene la misma visualización. Tiene un mejr rendimient que ls prgramas NOX escrits en Pythn, pr l que ha reemplazad a la versión descntinuada NOX Classic. Si se desea prgramar el cntrladr en Pythn, la herramienta más efectiva y de mayr rendimient es POX. Psee cierts cmpnentes que pueden ser reutilizables para la selección del mejr camin, descubrimient de tplgías, etc. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 22 de 106

9 Beacn. Beacn es un sftware para la prgramación de reglas de fluj en cntrladres SDN escrit en Java, multiplatafrma y mdular. Psee las siguientes características: Estable: este sftware se cnsidera estable ya que ha sid prbad en varis pryects de investigación y en Data Centers sin sufrir ninguna interrupción en sus servicis pr largs perids de tiemp. Multiplatafrma: gracias a las características de Java de pder crrer sbre cualquier dispsitiv debid a que se ejecuta sbre una máquina virtual prpia de Java denminada JVM (Java Virtual Machine). Códig Abiert: el sftware se encuentra en el mercad baj la licencia GPLv2 y la licencia de la Universidad de Stanfrd FOSS2 v1.0. Rápid funcinamient: debid a la utilización de múltiples hils de ejecución Fldlight Fldlight es un sftware cntrladr SDN también escrit en Java, que crre sbre una máquina virtual de Java JVM. El sftware se caracteriza pr: Trabajar cn OpenFlw tant en cnmutadres físics cm virtuales. Es un cntrladr basad en móduls que permiten btener ciertas funcinalidades cm rute, cnmutación, etc. El módul de cnmutación se denmina Learning Switch. Se puede instalar en Ubuntu superir MacOS 10.6 superir. Para su funcinamient se requiere la Java Develpement Kit (JDK) y ANT de Apache, que es una herramienta usada en prgramación para realizar tareas repetitivas en Java. Permite tener una isla OpenFlw, es decir una agrupación de dispsitivs que entienden este prtcl, cnectad a una red tradicinal que n entiende OpenFlw. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 23 de 106

10 FlwER FlwER es un cntrladr SDN OpenFlw escrit en lenguaje de prgramación Erlang. Es un cntrladr mens cncid que nació en 2012 basad en un lenguaje de prgramación cncurrente y un sistema de ejecución que incluye una máquina virtual y bibliteca NdeFlw NdeFlw es el cntrladr SDN escrit en JavaScript cread inicialmente pr Cisc. Este cntrladr prveía una librería asíncrna sbre JavaScript para prgramar las redes SDN. La idea de usar JavaScritp era descargar de CPU al cntrladr. Este cntrladr ha quedad discntinuad pr la decisión de Cisc de abrdar las redes SDN desde un punt de vista n OpenFlw Maestr Maestr se define cm un sistema perativ de rquestación de aplicacines de cntrl de red. En realidad, es una platafrma de cntrladr SDN OpenFlw. Ha sid diseñad en Java aunque requiere ANT. Es multi-thread, es decir explta la capacidad de CPU de ls prcesadres multi-cre y se distribuye baj licencia GNU Trema Trema es un framewrk para prgramar un cntrladr SDN, a gust del prgramadr, en ls lenguajes Ruby y C. Este entrn de prgramación genera un ficher de cnfiguración que después puede ser ejecutad pr Trema para cmprtarse cm un cntrladr SDN Cmparación de Cntrladres SDN. Ls estudis de rendimient de cntrladres SDN se basan en el thrghput (tráfic que sn capaces de cursar) y latencia (retard intrducid en la red). En base a ls estudis más recientes, ls cntrladres más eficientes sn Beacn y NOX: Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 24 de 106

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12 3.3. Clasificación de Redes SDN En este apartad vams a analizar las distintas frmas de abrdar las redes SDN desde un punt de vista funcinal. Es decir, las decisines a tmar a la hra de implantar las redes SDN Centralizad vs. distribuid Las redes SDN pueden desplegarse de manera centralizada distribuida: Enrutamient de fluj vs. Agregación de flujs Enrutamient de fluj: Cada fluj individual se genera en el cntrladr. Cincidencia exacta de las entradas de fluj La tabla de fluj cntiene una entrada pr fluj Buen para un cntrl fin, pr ejempl, las redes de campus. Agregación de fluj: Una entrada abarca un gran grup de flujs. Entrada de fluj cmdín. La tabla de fluj cntiene una entrada pr cada categría de flujs. Buen para una gran cantidad de flujs, pr ejempl, una red drsal. Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 26 de 106

13 Reactiv vs. Practiv Reactiv: El primer paquete del fluj causa que el fluj se cree en el cntrladr. Us eficiente de la tabla de fluj. Cada fluj incurre en tiemp adicinal de cnfiguración. Si pierde la cnexión de cntrl, el cnmutadr tiene una utilidad limitada. Practiv: El cntrladr rellena previamente la tabla de fluj. N hay pérdida de tiemp para cnfiguración de la tabla. Pérdida de la cnexión de cntrl n interrumpe el tráfic. Requiere reglas esencialmente agregadas (cmdín). Investigación de Redes Definidas pr Sftware Página 27 de 106