SOFTWARE DEFINED NETWORKS Ana Milena Rojas Calero (1), Álvaro Pachón (2). amrojas@admon.uniajc.edu.co, alvaro@icesi.edu.co. (1) Dirección de Tecnología. Institución Universitaria Antonio José Camacho (2) Dpto. de Tecnologías de Información y Comunicaciones. Universidad Icesi. Abstract- This article presents OpenFlow as a standard interface for software-defined networks, the advantages of using programmable networks and design of a prototype network using simulation software MiniNet Key words: Software Define Networks, Network Architecture, Learning, OpenFlow Protocol, programmable networks, SDN. Introducción Las arquitecturas de las redes actuales, fueron pensadas para que el control, enrutamiento y la señalización de la red, fuesen parte de una estructura de gestión estática, jerárquica y dependientes de la infraestructura de red. Una de sus grandes dificultades sigue siendo la imposibilidad de realizar cambios de modo dinámico, en función de requerimientos de tráfico o servicios. Tales como: control de cambios en la red para implementar rutinas, cambiar enrutamientos o implementar un nuevo servicio. Esto implica programar rutinas para intervenir en cada uno de los dispositivos que intervienen en el servicio. La Open Networking Foundation (ONF), una organización multiempresarial sin fines de lucro, que ha tratado de desarrollar un modelo de red flexible que se adapte a las realidades del tráfico de datos. La arquitectura de red SDN (Software Defined Networking, por sus siglas en inglés) o redes definidas por software, con la cual se espera cambiar la arquitectura de las redes actuales y la cual se considera será el futuro de las redes. El desarrollo de redes programables, utilizando el protocolo OpenFlow, hace posible que utilizando la virtualización en switch y routers, se puedan procesar paquetes para múltiples redes simultáneamente en las redes de acceso. Con OpenFlow instalado en routers y en los interruptores, los investigadores pueden utilizar el software de sus ordenadores para acceder a las tablas de flujo y controlar esencialmente la disposición y la cantidad de tráfico. Este acceso basado en el software permite a los científicos probar protocolos nuevos para los interruptores y la asignación de rutas [1]. Las redes programables pueden superar las limitaciones, impuestas por las redes actuales, para el desarrollo de nuevos protocolos y proyectos de investigación e innovación en la infraestructura de redes, puesto que los investigadores podrían llevar a cabo experimentos, sobre dispositivos heterogéneos, sin que los vendedores expongan el funcionamiento interno de los dispositivos y sin interrumpir el tráfico de producción. OpenFlow es un protocolo abierto, nace como una propuesta académica para hacer investigación en las redes académicas, sin embargo su aplicación, podría llegar a las redes comerciales en un futuro, puesto que existe un alto compromiso de los fabricantes de dispositivos de red como Cisco, Juniper, HP y NEC, así como de proveedores de telefonía móvil como T-Mobile, Ericsson y NTT DoCoMo. Las ideas probadas en interruptores que ejecutan OpenFlow podrían integrarse en el firmware de los nuevos routers, o podrían añadirse a los equipos existentes a través de actualizaciones del firmware. La estructura del artículo es la siguiente: En la Sección I, se presenta la infraestructura típica de una red definida en software; en la Sección II se presenta las ventajas de implementar una red definida en software, utilizando software de simulación. En la sección III, se presenta un prototipo de red, como una primera aproximación a una red SDN, en la sección IV, se presentan las pruebas de validación de la red y finalmente en el capítulo VI las conclusiones. I. REDES DEFINIDAS EN SOFTWARE A. Protocolo OpenFlow En las redes actuales los fabricantes de dispositivos de conectividad, proporcionan solo implementaciones propietarias, cada proveedor tiene su propia API (Aplicación Programming Interface, Interfaz de Programación de Aplicación) y software. Esto limita la capacidad de diseñar y gestionar el tráfico en equipos heterogéneos. Al punto que los investigadores se encuentran limitados para hacer sus experimentaciones en ambientes de producción, viéndose enfrentados a restricciones de políticas de seguridad, a la hora de probar nuevos diseños y protocolos. Esto ha hecho que el desarrollo de las redes y proyectos de innovación se encuentren con obstáculos y que las redes no hayan tenido un desarrollo significativo en los últimos años. [2] OpenFlow [3], es un proyecto de código abierto, que permite a los investigadores ejecutar protocolos experimentales en las redes de campus. OpenFlow se agrega a un switch Ethernet comercial, a un enrutador y puntos de acceso inalámbrico, permitiendo definir los flujo de datos mediante software, Al instalar un componente de firmware (software alojado en el hardware) de OpenFlow, los ingenieros tienen acceso a tablas de flujo, reglas que le indican a los routers y a los interruptores cómo direccionar el tráfico de la red, protegiendo las instrucciones de asignación de ruta patentadas
que diferencian el hardware de cada fabricante de dispositivos. El protocolo OpenFlow. Fue diseñado por investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de Berkeley en California. Estas dos universidades empezaron a trabajar redes definidas en software en el año 2008. Hoy en día, el protocolo OpenFlow ha salido de la academia y está impulsado por la Open Networking Foundation, una organización sin fines de lucro cuyos miembros incluyen a muchos proveedores de redes y proveedores de tecnología de chips, y tiene un consejo que reúne a los mayores operadores de red en el mundo como: Cisco, Google, Microsoft, Yahoo, Facebook, Deutsche Telekom y Verizon. En la infraestructura de redes existente, las tareas complejas que conforman el total de la funcionalidad de la red, tales como: enrutamiento o las decisiones de acceso a la red, se delegan en la red a dispositivos de diversos proveedores, cada uno con firmware de configuración diferente. Todos los paquetes que van al mismo lugar se encaminan por la misma ruta y se tratan del mismo modo. OpenFlow, es un buen ejemplo de las redes definidas en software, separa las funciones de control y de datos, adoptando un controlador único de forma centralizada, eliminando de plano la funcionalidad de la red de los dispositivos. Permitiendo al controlador añadir y eliminar entradas de reenvío en los switch OpenFlow. La ruta de datos aun reside en el equipo, mientras que las decisiones que son de alto nivel como el enrutamiento se traslada a un controlador independiente, por lo general en un servidor estándar. Un Switch OpenFlow: [4]consta de al menos tres componentes: (1) Una tabla de flujo, con una acción asociada, (2) Un Canal seguro que conecta el switch con un proceso de mando a distancia (denominado controlador), permitiendo que comandos y paquetes para ser enviados entre un controlador y (3) el switch usado Ver figura 1. Figura 1. OpenFlow Switch Fuente: OpenFlow: Enabling innovation in college Network Cuando un switch OpenFlow recibe un paquete OpenFlow nuevo, este no tiene entradas en la tabla de flujo, envía el paquete al controlador, este puede tomar decisiones sobre cómo manejar los paquetes, se puede agregar un paquete a la tabla de entrada de flujos o dirigir el cambio sobre como enviar un paquete en el futuro. La versión básica de un switch OpenFlow Tipo-0, clasifica los paquetes en los flujos sobre la base de un una tupla de 10, que se puede coincidir exactamente con el uso de comodines en los campos. Ver figura 2. Los siguientes campos constituyen la tupla: Puerto de entrada del Switch Dirección MAC fuente Dirección Mac destino Tipo Ethernet VLAN ID Dirección IP fuente Dirección IP destino Protocolo IP Puerto Fuente TCP/UDP Puerto destino TCP/UDP Figura 2. Entrada de una tabla de flujos Fuente: http://www.openflow.org/wp/documents/openflow.ppt B. Herramientas de Software. Existen muchas herramientas disponibles que pueden ser usadas para la experimentación de Redes Definidas en Software. En la Tabla 1, se muestran las principales características de las herramientas utilizadas en la simulación del prototipo de red. Herramientas Plataforma Licencia OpenFlow Linux GPL Controlador NOX GPL OpenFlow Sistema Operativo Linux Ubuntu Versión 11.10 GPL Wireshark Linux GPL Mininet Linux GPL Virtual Box Linux GPL Tabla 1. Software utilizado para la validación de la topología.
II. Ventajas de una red definida en software Entre las ventajas que se pueden encontrar, es que un administrador de red podría segmentar el tráfico de la red para tener entornos de producción y experimentación, sin ningún problema. En este entorno los investigadores podrán programar los flujos de datos, mediante la elección de rutas de paquetes y ser libres de decidir cómo estos se procesan, esto daría a los administradores de red un control más preciso sobre los flujos de datos. La centralización de la complejidad le permite al administrador de red mantener estrecha vigilancia sobre el comportamiento de la red. En razón que se tiene un control estricto y directo sobre la transmisión de flujos, en los switches se pueden gestionar los recursos de red y el tráfico de la producción separado del tráfico experimental. Así como la forma de enrutar los paquetes, realizar balanceo de carga, y manejar el control de flujo de datos. El controlador central, puede ser programado para comportarse como un multiplexor que divide el tráfico perteneciente a diferentes usuarios de la red, así todos los controladores OpenFlow estarían bajo el control del administrador de la red. Esta forma de virtualización permite a los investigadores dirigir sus propios protocolos sobre la red física El desarrollo de este protocolo, también permitirá la interconexión de las redes de universidades a través de túneles y redes superpuestas. También proporciona una interfaz de programación de aplicaciones común que permite a los administradores de los programas decidir que sucede en la red. III. SIMULACIÓN DE UNA RED DEFINIDA EN SOFTWARE Para dar una idea de cómo funcionan las redes programables se diseña una topología de red. La validación del prototipo se realizó usando el software Mininet, diseñado para ejecutar prototipos de redes definidas en software, utilizando como lenguaje de programación phyton versión 2.7.3. MiniNet, desarrollado por Brandon Heller 1, Este software apoya la investigación, aprendizaje, desarrollo de prototipos, pruebas, depuración. El mayor beneficio es tener una red experimental completa en un ordenador portátil o cualquier otro PC. MiniNet 2 : Ofrece un banco de pruebas de red sencillo y barato para el desarrollo de aplicaciones OpenFlow. Permite que varios desarrolladores puedan trabajar de forma concurrente e independiente en la misma topología Apoya a nivel de sistema pruebas de regresión, que son repetibles y de fácil empaquetado. Permite el ensayo de topología compleja, sin la necesidad de cable hasta una red física Incluye un Interfaz de Línea de Comando (CLI ) para depurar o ejecutar las pruebas en toda la red Compatible con cualquier tipo de topología personalizada, e incluye un conjunto básico de una topología parametrizada. También proporciona una API de Python sencillo y extensible para la creación de redes y experimentación. MiniNet proporciona una manera fácil de obtener un comportamiento correcto del sistema y experimentar con topologías, que pueden escalar hasta cientos de nodos. El software utilizado para la creación de la red se relaciona en la tabla No.1 #!/usr/bin/python Este prototipo, crea una topología de red con dos switch OpenFlow y tres equipos conectados en cada switch from mininet.net import Mininet from mininet.node import Controller from mininet.cli import CLI from mininet.log import SetlogLevel, info def emptynet ( ), Figura 3. Topología de la red prototipo. Objetivos: Programar el prototipo de la red en phyton Realizar pruebas de conectividad entre los dispositivos Listar la tabla ARP del switch Utilizar la interfaz de línea de comando, para validar información del prototipo creado. 1 Crea la red y adiciona nodos. net=mininet ( controller = Controller ) investigador del Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Stanford, California E.E.U.U 2 Tomado del sitio web http://yuba.stanford.edu/foswiki/bin/view/openflow/mininet Documentation/
info( *** Adiciona el controlador\n ) net.addcontroller ( c0 ) Pruebas de conectividad desde el host h3 al host h1. info( *** Adicionando hosts\n ) h1 = net.addhost ( h1, ip = 10.0.0.1 ) h2 = net.addhost ( h2, ip = 10.0.0.2 ) h3 = net.addhost ( h3, ip = 10.0.0.3 ) h4 = net.addhost ( h4, ip = 10.0.0.4 ) h5 = net.addhost ( h5, ip = 10.0.0.5 ) h6 = net.addhost ( h6, ip = 10.0.0.6 ) info( *** Adicionando Switch \n ) s3 = net.addswitch( s3 ) s4 = net.addswitch( s4 ) info( *** Creando enlaces \n ) h1.linkto( s3 ) h2.linkto( s3 ) h3.linkto( s3 ) h4.linkto( s4 ) h5.linkto( s4 ) h6.linkto( s4 ) s3.linkto( s5 ) info( *** Inicializando la red \n ) net.start( ) info( *** Ejecutando CLI \n ) CLI( net ) info( *** Deteniendo la red \n ) net.stop( ) if name = = main : SetlogLevel ( info ) emptynet ( ) Figura 5. Resultado de las pruebas de conectividad entre el host h3 y h1 Así mismo se realizan pruebas de conectividad entre los dispositivos que están enlazados en switch diferentes, como por ejemplo h2 y h6. Figura 6. Resultado de la prueba de conectividad entre los host h2 y h6. Prueba 2: Visualización de la tabla de routing del switch S3 y tabla ARP. IV. Validación de la topología de red A. Pruebas. Se realizaron dos tipos de pruebas: pruebas de conectividad utilizando el protocolo ICMP para el envío de mensajes entre equipos conectados a la red B. Resultados obtenidos. Figura 7. Visualización de la tabla de routing de switch 3 Figura 8. Visualización de la tabla ARP. Para ver la configuración de la topología de la red, podemos utilizar desde línea de comando dump Prueba 1: Pruebas de conectividad: Se realiza pruebas de conectividad en los equipos que están conectados al switch 3 así Desde el host h1 al host h3. V. CONCLUSIONES Figura 4. Resultado de la prueba de conectividad entre h1 y h3. El futuro de las redes se basará cada vez más en software. SDN promete transformar las redes estáticas de hoy en plataformas flexibles y programables con la inteligencia para asignar recursos de forma dinámica, virtualizar servicios y optimizar las capacidades de cómputo IT y de infraestructura
de red. Está en camino de convertirse en la nueva arquitectura para las redes. REFERENCIAS [1] B. Pfa y e. al., «openflow,» Universidad de Stanford, [En línea]. Available: http://www.openflow.org/documents/openflow-specv1.1.0.pdf. [Último acceso: 18 02 2012]. [2] N. a. McKeown, «OpenFlow: Enabling Innovation in Campus,» ACM SIGCOMM COMPUTER COMMUNICATION REVIEW, vol. 38, p. 6, 2008. [3] «OpenFlow,» OpeFlow Networrk Foundation, 14 03 2008. [En línea]. Available: http://www.openflow.org. [Último acceso: 01 07 2012]. [4] J. e. a. Naous, «Implementing and OpenFlow switch on the NETFPGA platform,» de Symposium on Architectures for networking and communications systems, San José, California, 2008. [5] R. E. W. Nick, Software System Architecture, Boston: Pearson Education, inc, 2005, p. 19.