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XIII CEEL - Deploying SDN/NFV upon a telecom carrier

Abstract



Introdução



Trabalhos relacionados


  • Baseado no recente crescimento dos serviços em nuvem, onde o tráfego de dados tem mudado rapidamente do fluxo P2P para a era Cloud e alavancado ainda pela explosão no uso de dispositivos móveis, surge a preocupação para provedores de serviços de telecomunicações quanto às consequências desta migração. Fukuda and Sato [xx], introduzem então, exemplos de tecnologias OpenFlow aplicadas a serviços de nuvem comerciais. Com este objetivo, apontam que em um Data Center (DC) existem vários building block que provem serviços em nuvem tais como Infrastructure-as- a-Service (IaaS), email, web e Voice-over-IP (VoIP).
  • Num ambiente como esse, a rede do Data Center precisará de redes internas, flexíveis e escaláveis para interconectar numerosos equipamentos em resposta à expansão dos serviços na nuvem. Existe também a necessidade de conexão com uma rede backbone e a comunicação externa ao Data Center. Essa tendência vem crescendo porque a evolução das redes comerciais sem fio se baseou fortemente em hardware com projetos arquiteturais inflexíveis. Agora com o volume crescente na utilização de acesso móvel surgem desafios que exigem a maximização da capacidade da rede e da cobertura e o suporte a serviços altamente diferenciados. É fato de que estes desafios não poderão ser resolvidos sem mudanças radicais no paradigma dos projetos de redes sem fio e com essa visão as tecnologias como SDN e NFV passam a compor o projeto denominado SoftAir.
  • A arquitetura SoftAir consiste de um plano de controle que implementa um gerenciamento da rede e ferramentas de otimização e o plano de dados consistindo de estações radio base definidas em software (SD-BSs) na Radio Access Network - RAN e comiutadores definidos por software (SD-Switches) no núcleo da rede móvel.
  • Algumas iniciativas já enveredam para as redes móveis. No recente artigo [yy], é introduzida a proposta de uma nova arquitetura para a próxima geração de sistemas sem fio, 5G usando tecnologias como virtualização de funções de rede e a virtualização da própria rede de forma que permita uma arquitetura de rede resiliente, flexível e ecalável.
  1. [xx] - Fukuda, Ichiro, and Tomonori Fujita. "Deployment of OpenFlow/SDN technologies to carrier services." IEICE Transactions on Communications 96.12 (2013): 2946-2952.
  2. [yy] - Akyildiz, Ian F., Pu Wang, and Shih-Chun Lin. "SoftAir: A Software Defined Networking Architecture for 5G Wireless Systems." Computer Networks (2015).


Operadores de Telecomunicações


  • A Internet se tornou essencial para o cotidiano, principalmente com a popularidade dos notebooks, tablets e smartphones. É perceptível a maior utilização da rede, porém é de se destacar que a arquitetura que usa-se hoje tem 30 anos e não foi estruturada para suportar tanto fluxo de informações. Para contornar tal fato, diversos protocolos e tecnologias foram adicionadas ao longo do tempo para suprir a necessidade dos usuários. Essa seção tem como objetivo explicar atual arquitetura de rede.
  • A atual infraestrutura das redes é composta por diversos equipamentos proprietários, fechados e de alto custo responsáveis por garantir todo processamento de dados. A partir desse fato, é evidente que melhorias, correções e até mesmo uma configuração avançada nesses equipamentos só são possíveis através do fabricante, quando esses são passíveis de implementação. Todo esses esforços gera um oneroso custo financeiro por parte das companhias de telecomunicações quando necessitam de algum serviço desse tipo. [4A]
  • Cada equipamento é composto por um software e um hardware proprietário, ou seja, uma camada de controle, responsável pelo controle de fluxo e tomada de decisões e, a camada de hardware, responsável pelo encaminhamento dos pacotes em si. A camada de controle possui diversos requisitos difíceis de serem atendidos à medida que a Internet foi evoluindo, dentre eles podemos destacar a impossibilidade de escolha mais adequada do roteamento. É coerente pensar que ao separar a camada de hardware da camada de controle, essa terá maior flexibilidade e autonomia de todos os hardwares e não somente do que ela antes era implementada. Essa proposta pode ser implementada através do conceito de Software Defined Networking (SDN), tema abordado na seção (Seção SDN).
  • Basicamente, a Internet é formada por roteadores e switches responsáveis por tornar possível a comunicação entre a fonte (uma página web, por exemplo) com o destino (um servidor http, também como exemplo), como é possível visualizar na Figura 4.1. [4C] A seguir serão descritos alguns conceitos dos equipamentos necessários para tal comunicação:
    • Roteadores: Os roteadores são equipamentos que definem a melhor rota para os pacotes e os roteiam a um segmento de rede (dois ou mais dispositivos que se comunicam através da camada 2 do modelo OSI) para o outro, baseado na camada 3 do modelo OSI.[4D]
    • Switches: São responsáveis por mover os pacotes de um dispositivo à outro através da camada 2 do modelo OSI. A partir do MAC Address dos pacotes, os Switches determinam para que porta esses pacotes devem ser direcionados.[4D]
  • A partir dos conceitos apresentado acima, é possível entender que os pacotes são transportados ponto a ponto, de um roteador à outro, de um switch à outro, até que se consiga encontrar o destino desse.
  • Visto como funciona o transporte dos pacotes de dados, é possível entender o funcionamento das Redes Metro Ethernet. A partir dessas é que os usuários podem ter acesso à Internet e também são responsáveis por interconectar Redes Locais (LANs) corporativas geometricamente separadas e conectá-las com a Internet. A Figura 4.2 abaixo ilustra o modelo básico de uma arquitetura de rede Metro Ethernet que, é composta por equipamentos de clientes que são conectada às respectivas User Network Interface (UNI), interface que interliga a rede do cliente com a rede do provedor de serviços.
  • Um conceito importante para essa arquitetura é o conceito de Conexão Ethernet Virtual (EVC), definido pelo Metro Ethernet Fórum (MEF) como sendo a associação de duas ou mais UNIs, com dois objetivos principais: transportar um fluxo de dados entre duas ou mais UNIs e, prevenir a transferência de dados entre sites que não fazem parte da mesma EVC, oferecendo privacidade e segurança. Existem duas regras básicas ao transportar pacotes através de uma EVC: Primeiro, um frame nunca será entregue para a UNI que o criou e, os frames devem ser entregues com o endereço MAC e o conteúdo inalterado.


  • Percebe-se que todos equipamentos presentes na rede são cruciais para o funcionamento dessa e, por serem proprietários fazem com que a arquitetura seja engessada, totalmente dependente de fornecedores. Esse artigo tem o propósito de quebrar essas barreiras com a implementação de SDN e NFV, conceitos apresentados nas próximas seções, na arquitetura de rede fazendo com que essa seja dinâmica, escalável, robusta e independente de equipamentos proprietários, ou seja, um cenário ideal para as empresas de telecomunicações.


[4A] - http://www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol7_N1_jul2010_jun2011/pdf/artigo6.pdf

[4B] - Caraguay, Ángel Leonardo Valdivieso, Lorena Isabel Barona López, and Luis Javier García Villalba. "An Overview of Integration of Mobile Infrastructure with SDN/NFV Networks."

[4C] - http://www.ittrainingday.com/2013/01/networking-fundamentals-tutorial_9.html

[4D] - http://www.uml-diagrams.org/network-architecture-diagrams.html#router

SDN


  • Diante do contexto atual da Internet, e as limitações da arquitetura TCP/IP, é natural que surjam algumas propostas de alteração ou criação de novos paradigmas. O modelo comercial que englobou a Internet é um dos grandes responsáveis pelas limitações da mesma, além dos próprios protocolos antigos e sem flexibilidade, o que trouxe o resultado do engessamento da tecnologia. É neste cenário que são desenvolvidas novas ideias que rompem completamente com o antigo modelo, conhecidas como clean-slate. Dentre estas surge o SDN (Software-Defined Networking), que tem como ponto principal a separação dos planos de controle e encaminhamento da rede [5A].
  • SDN em suma é uma maneira de mudar toda a forma com que desenhamos e gerenciamos as redes. Com a separação dos planos (controle e encaminhamento), temos uma estrutura responsável pelo comportamento de todos os elementos, de forma que os mesmos possam ser programados e orientados a exercer funções e encaminhamentos específicos, conforme as regras estabelecidas, o que traz a flexibilidade inexistente no modelo atual, e uma grande gama de novas possibilidades [5D].
  • Para tal propósito, os elementos foram repensados, para que pudessem interagir e aplicar as regras definidas no plano de controle. Além disso, esta comunicação entre os planos também demanda novas formas de interação, e para isto, surge o protocolo OpenFlow que é responsável por esta conversação além de apresentar grande flexibilidade com os protocolos existentes e até futuros, atendendo as expectativas conceituais do SDN [5C].
  • Objetivamente, a estrutura funciona da seguinte forma: existe um controlador, ou conjunto de controladores, responsáveis pelo mapeamento de toda a rede, pela comunicação entre os elementos, definição de caminhos, virtualização da estrutura, e qualquer outro tipo de inteligência ou regras que possam reger a rede, assim o controlador possui toda a visão estrutural de switches, roteadores, hospedeiros, entre outros, para que todo o funcionamento possa ser gerenciado conforme quaisquer regras de comunicação. Estas regras podem ser definidas dinamicamente ou até manualmente através de aplicações, e o restante dos elementos, principalmente os responsáveis pelo encaminhamento, devem ser capazes de atender as solicitações do controlador, o que sugere também uma evolução dos mesmos. A figura X mostra a interação entre estes planos, e o papel do OpenFlow de comunicar o controlador com os elementos de rede [5A][5D].

Figura X: Estrutura básica do SDN [5B]

  • Para aplicar estes conceitos em uma estrutura TCP/IP, são necessárias adaptações à estrutura física, como a introdução de controladores (servidores) que sejam capazes de estabelecer as regras de encaminhamento de fluxos, além de substituição, introdução ou atualização de equipamentos responsáveis pelo encaminhamento, e por fim aplicações que sejam capazes de explorar estes recursos, influenciando diretamente em parâmetros da rede, sejam eles para compartilhamento, segurança, ou até largura de banda, priorização de fluxos, delay, etc.
  • [5A] http://www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol7_N1_jul2010_jun2011/pdf/artigo6.pdf
  • [5B] https://www.sdxcentral.com/resources/sdn/what-the-definition-of-software-defined-networking-sdn/
  • [5C] N. McKeown et al., “Openflow: enabling innovation in campus networks,” ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 38, no. 2, 2008, pp. 69–74.
  • [5D] N. Feamster, J. Rexford, and E. Zegura, “The road to SDN: An intellectual history of programmable networks,” SIGCOMM Comput. Commun. Rev., vol. 44, no. 2, Apr. 2014, p. 87–98.
  • [5E] D. Erickson, “The beacon openflow controller.” In Proceedings of ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software-defined Networking (HotSDN)., 2008, p. 24.
  • [5F] F. Schneider, T. Egawa, S. Schaller, S.-i. Hayano, M. Sch oller, and F. Zdarsky, “Standardizations of SDN and its practical implementation,” vol. 8, no. 2, Apr. 2014, p. 6.

NFV


  • Dentre as tecnologias que surgiram nos últimos anos, paralelamente ao SDN, se destaca o NFV (Network Functions Virtualization). O NFV permite uma nova visão do desenvolvimento e gerenciamento dos serviços (funções) da rede, com a abstração de elementos como DNS (Domain Name Service), firewall, NAT (Network Address Translation), VPN (Virtual Private Network), entre outros, para assim virtualizá-los e separar estas tecnologias dos hardwares proprietários que comumente são desenvolvidos com proposito especifico sem flexibilidade de suas funções e capacidades. O NFV foi projetado para unificar e disponibilizar os serviços da rede em uma estrutura completamente virtualizada, de forma que, todos os dados provenientes do planos de controle e encaminhamento, independente do meio físico (ar ou cabo), possam ser gerenciados e manipulados, reduzir custos, e reduzir o tempo necessário para implantação [6A][6B].
  • No conceito do NFV, as tecnologias de computação em núvem são importantíssimas, e representam uma peça fundamental da NFVI (Network Functions Virtualization Infrastructure), onde cada função da rede é implementada em software e pode executar em hardwares comuns de data centers existentes, em nós da rede e até em usuários finais. [6B]
  • Alguns benefícios claros desta abordagem são: a alta flexibilidade e escabilidade de acordo com as requisições e necessidades das aplicações pela utilização de recursos de hardwares comuns com fácil atualização de versões de software e modificação de capacidade. Redução de custos com equipamentos proprietários e economia de espaço físico, pela melhor utilização de recursos através do compartilhamento de hardware. [6C]
  • Contudo, ainda existem vários desafios técnicos. Uma questão frequentemente levantada sobre funções de rede virtualizada (VNFs) é seu desempenho de rede. Logo garantir que o desempenho seja ao menos tão boa como a de implementações de hardware construídos para o mesmo propósito, será um dos principais desafios [6D]. Alem disso, a confiabilidade dos softwares deve ser garantida e certificada, visto que hardwares podem ser substituídos em caso de falhas [6B].
  • [6A] https://www.sdxcentral.com/resources/nfv/whats-network-functions-virtualization-nfv/
  • [6B] http://www.researchgate.net/profile/Luigi_De_Simone/publication/267980557_Network_Function_Virtualization_Challenges_and_Directions_for_Reliability_Assurance/links/54f05b840cf2432ba65a74a8.pdf
  • [6C] http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1406/1406.0309.pdf
  • [6D] http://www.research.att.com/techdocs/TD_101400.pdf


Conclusão


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