OpenFlow

Resumo

The current scenario of the Internet shows a wide range of types of network access, but these are still severely limited by old protocols and proprietary softwares. Therefore, the trend is to develop an open structure capable to change the foundations of current network and extend it in several respects. To this comes a proposal to separate the physical infrastructure of the network service, developing solutions that create a vision of the network and a routing control, allow the user to move freely between available networks comprising mobile, wireless and wired.

To this comes the OpenFlow, which is nothing more than a proposal that includes a solution added to the network elements, since routers, switches, to access points.This open source solution allows the creation of a standardized API that monitors and creates an external view of all these elements, in other words, brings the physical infrastructure and the possible ways of data into the software.Importantly, this proposal uses the existing flow tables own devices in the network. Tests for the implementation of this solution are already in place and use a plataform for wireless mobile network research, the OpenRoads.

Currently there is no connection and external representation that is common to switches and routers, that means, with the implementation of this API you can connect this equipments to an intelligence, a control capable to determine, with better results, the datapaths and allow a user to move between network connections which would bring a considerable increase bandwidth and decrease access limits. For this, a remote controller is used, which in the case of the OpenRoads is NOX, what is open source, but that does not mean this is the only one that can be tested, other options are possible. The controller uses aforementioned flow table to determine the datapath, this means that the goal of separating the datapath of the control is achieved from that perspective, besides enabling a definition of a granularity of the data flow.

Another factor that can be highlighted in the structure of OpenFlow is the ability to run multiple services on the same network, of all kinds and objectives. For this is used a strategy to subdivide the network, literally cut it into slices, dividing it into multiple controllers. This is a task of the FlowVisor, that delegates control of different streams for different controllers, acting as a proxy for OpenFlow. The subdivision of the network, an organization in flow-spaces is made in accordance with different characteristics of each flow as a predefined pattern, those with common features are grouped, which for example, delegate allows different functionalities or hierarchies for each user.

Tópicos

• Artigo:
  • Blueprint for Introducing Innovation into the Wireless Networks we use every day
  • Kok-Kiong Yap, Rob Sherwood, Masayoshi Kobayashi, Nikhil Handigol, Te-Yuan Huang, Michael Chan, Nick McKeown, and Guru Parulkar

• Ecosistemas abertos são um caminho sem volta
• Infraestrutura de rede sem fio continua fechada e cada vez mais proprietária
• O usuário está envolvido por um grande número de redes sem fio (WiFi e celular) mas ainda limitadas
• Parece que a indústria dá pouco incentivo às mudanças e prefere agarrar-se a um sistema ineficiente e tradicional
• Este artigo é uma "Convite às Armas" para que a comunidade cientifica se movimente para uma abertura das futuras redes
• Uma perspectiva é o usuário poder mover-se livremente entre as redes disponíveis e ter condição de bancar sua própria estrutura

• Um bom caminho para isso é manter o serviço de rede separado da infraestrutura física
• Dessa forma, pesquisadores, provedores de serviço e operadoras, fornecedores e desenvolvedores poderão colaborar para a criação de serviços de rede inovadores

• A proposta é construir e implantar uma infraestrutura de rede wireless aberta - mas compatível - que possa ser facilmente implantada e disponibilizada em universidades pelo mundo
• Os pesquisadores poderão experimentar novos serviços de rede diretamente em suas próprias infraestruturas.

Introdução

• Atualmente, usuários tem a disposição um enorme conjunto de aparelhos podendo optar entre várias operadoras comerciais
• Um contingente cada vez maior de desenvolvedores estáo criando aplicações, jogos e conteúdo para dispositivos móveis
• O SO Android clama para ser a "primeira plataforma realmente aberta e abrangente para dispositivos móveis; todo o

software para rodar um aparelho móvel, mas sem os entraves proprietários que tem dificultado a inovação móvel".

• Existe uma crença forte na possibilidade de termos um mercado que traga eficiência, inovação e serviço de alta qualidade para o usuário
• A indústria também pode se beneficiar porque as opções aumentarão e atrairão novas empresas que poderão competir com as incumbents
• Existem barreiras para a abertura que não serão quebradas pela indũstria e o governo e que exigem inovação técnica
• Surge a força das pesquisas nas universidades
• A seguir, duas propostas para quebrar estas barreiras tecnológicas:

• 1. A fechada e inacessível capacidade sem fio a nossa volta:
  • Apesar de existirem fisicamente muitas redes celulares e WiFi na maioria das vezes estão inacessíveis para o uso
  • Operadoras móveis restringem o uso das redes e as redes WiFi privadas requerem autenticação
  • Capacidade abundante mas não disponível para o usuário
  • O cenário esperado é onde o usuário possa usufruir de um vasto conjunto de redes sem fio com acesso a toda a infraestrutura deles
  • Abertura não quer dizer que seja livre mas sim a possibilidade de acesso a baixo custo e ampla cobertura
  • Numa linha mais radical, sem as atuais barreiras, usuários poderiam se conectar a múltiplas redes, ao mesmo tempo gerando enorme capacidade e cobertura

• 2. Uma infraestrutura de rede que é fechada para inovação
  • Redes celulares intensificam o uso do protocolo IP e este tem sido um grande motivador para as escolhas e inovações para o usuário final
  • Provavelmente seu maior feito é permitir inovação nas bordas
  • IP é simples, padronizado e fornece conectividade universal
  • Acredita-se que tal como está, o IP não é a escolha certa para a Internet móvel do futuro
  • É inadequado para suportar mobilidade e segurança e também difícil de gerenciar
  • Sua arquitetura é fixa destinando pequeno espaço para adicionar novas funcionalidades
  • Operadoras celulares sentem as dificuldades de tratar mobilidade, segurança e inovações em geral
  • Se o IP continuar a ser usado para estas demandas trará sérias limitações
  • Requer uma rede que permita inovação continuada para serviços que sequer foram imaginados
  • E ainda assim as aplicações atuais deverão continuar funcionando.

• A visão do futuro idealiza uma rede que permitirá a um computador móvel conectar-se em qualquer rede e mover-se livremente e sem dificuldades de uma rede a outra
• A lógica do próximo passo é fazer um computador de mão conectar-se a qualquer rede, independentemente de quem é a rede e qual é a tecnologia de rádio
• Questões regulatórias, técnicas e econômicas deverão ser quebradas.

• Nesta nova arquitetura, haverão muitos provedores de serviço, muitos rádios, muitos tipos de rádios, todos amarrados juntos em muitas redes fixas
• Existirá diversidade em todos os níveis: redes (muitas redes para escolher), canais (mais espectro estará disponível), antenas (mais MIMOs), rádios (um aparelho irá conter muitos rádios)
• Atualmente um aparelho contém 3 ou 4 tecnologias (GSM, WiFi, Bluetooth, etc) e no futuro haverão muito mais
• A crescente compactação e projetos de circuito com eficiência de energia produzirão aparelhos com 10 tecnologias ou mais com vários do mesmo tipo
• Um aparelho portátil poderá se conectar a várias redes pela robustez e reforço da qualidade do sinal
• Se os usuário se moverão livremente entre as redes, os provedores de serviço precisarão estar separados de suas próprias redes
• Estes deverão prover autenticação, mobilidade e faturamento independentemente da rede que estiverem conectados
• Algumas companhias celulares permitirão MVNOs para fornecer serviços sobre suas redes
• Nas redes WiFi, de hotéis ou aeroportos, um terceiro poderá assumir o papel de autenticar e bilhetar os serviços

• Como os provedores celulares criam transição para o IP seria interessante habilitá-los a inovar em sua própria rede
• Possibilitar pesquisas e experimentos com novos modelos de segurança (controles de acesso, autenticação de usuário, ...) e mais alternaticas escaláveis para o IP móvel
• A indústria se beneficiaria e a comunidade open-source poderia crescer trazendo contribuição a todos os usuários

• Existem muitas pedras no meio de caminho e a comunidade de pesquisadores no mundo pode ajudar
• Serviços de usuário finais, por exemplo, precisa-se descobrir como decompor o serviço de rede para a infraestrutura de rede subjacente
• Uma separação limpa de "serviço da infraestrutura" através de diferentes redes (provedores celulares, redes locais, redes corporativas, shoppings, ...) e através de tipos diferentes de redes sem fio (GSM, WiFi, WiMAX, LTE, ...) pode dar condições de acesso a maior capacidade e levando a maior competição entre provedores
• Outra pesquisa poderia incluir o gerenciamento personalizado de mobilidade alocado na nuvem em serviços de um ou mais usuários
• Um gerenciador de mobilidade pessoal poderia implementar as preferências do usuário para roteamento, seleção de rede e precificação
• Experimentos poderiam ser ampliados a ponto de atender uma população de bilhões de serviços e usuários móveis
• Finalmente, pesquisar maneiras de aperfeiçoar medições e instrumentação de redes que permitirá comparar qualidade de serviço de diferentes provedores em diferentes redes

• Para suportar esta visão é apresentado:
  • Cap 2: o OpenRoads, um projeto para esta arquitetura de rede aberta
  • Cap 3: Descrição da implementação do OpenRoad atual no nosso campus
  • Cap 4: Ação para a comunidade se juntar a este esforço.

OpenRoads: Projeto para uma rede sem fio aberta

• OpenRoads: plataforma de rede móvel sem fio para pesquisa experimental e implantação realistica de redes e serviços
• Usa:flow-table acl
  • OpenFlow (desacopla mobilidade da rede física) para separar controle do caminho de dados através de:
  • FlowVisor (permite múltiplos provedores de serviço para controlar concorrentemente), uma API para criar fatias de rede e prover isolamento entre elas e daí permitindo vários experimentos simultâneos e
  • SNMPVisor (configura a infraestrutura subjacente) para mediar acesso à configuração dos dispositivos entre os experimentos

OpenFlow

• É um aspecto adicionado a switches, roteadores, pontos de acesso (APs) e estações radiobase
• Permite que os caminhos de dados dos dispositivos possam ser controlados através de uma API externa e padronizada
• Explora o fato de que quase todos os caminhos de dados dos dispositivos já contém uma tabela de fluxo (flow-table)
• Originalmente colocada para manter ACLs - Access Control List dos firewalls
• Switches e roteadores atuais não possuem uma interface externa comum
• No OpenRoads adicionamos OpenFlow para APs WiFi e estações WiMAX modificando seu software
• A mesma coisa pode ser feita para LTE e outras tecnologias móveis

• Em OpenFlow e portanto no OpenRoads o caminho de dados da rede é controlado por um ou mais controladores remotos que rodam num PC
• Em nossa rede, usamos controlador open-source NOX, disponivel livremente da Nicira
• A principio, qualquer controlador é possível se ser utilizado desde que converse no protocolo OpenFlow
• O controlador gerencia a tabela de fluxo em todos os elementos no caminho de dados e decide sobre os pacotes que serão roteados na rede
• Dessa forma, o caminho de dados e seu controle são separados e o controlador tem completo controle sobre a operação do caminho de dados
• O controlador pode definir a granularidade de um fluxo
• Por exemplo, um fluxo pode consistir de uma simples sessão TCP ou qualquer combinação ou qualquer combinação de pacote de cabeçalhos (Camada 1-4) permitindo agregação

• Como um exemplo de separação de controle e caminho de dados, um gerenciador de mobilidade em OpenRoads pode ser implementado como uma aplicação NOX
• NOX fornece uma visibilidade de ampla-rede da topologia atual, estados dos enlaces e do fluxo e todos os outros eventos da rede
• O gerenciador de mobilidade pode escolher para ser feito ciente de cada novo fluxo da aplicação na rede e pode dividir a rota que ele toma
• Quando o usuário se move, o gerenciador de mobilidade é notificado e pode decidir para re-rotear o fluxo
• Como o OpenFlow é independente da camada física (isto é, o ponto de terminação sem fio está processando WiFI ou WiMAX), o handoff vertical entre redes de tecnologias diferentes é transparente e simples

• A abertura do controlador torna mais fácil adicionar ou alterar a funcionalidade da rede
• Por exemplo, um pesquisador pode criar um novo gerenciador de mobilidade (um que faz mais rápido ou com menos perda no handoff) simplesmente modificando um existente
• Uma aplicação pode ser escrita para implementar AAA, bilhetagem, roteamento, serviço de diretórios e por aí vai ... todos processando como um programa em um controlador OpenFlow
• E já que o controlador é simplesmente um programa processando em um servidor, ele pode ser colocado em qualquer lugar na rede - até num centro de dados remoto.

2.2 - Alex

• Levando em consideração como um serviço experimental pode ser executado no OpenRoads, ainda existe a questão de como executar vários serviços numa mesma rede.
• A estratégia é cortar a rede, subdividi-la em múltiplos controladores, que permitiriam inclusive a movimentação de usuários entre redes físicas. Para isso é utilizado o FlowVisor.
• FlowVisor é uma ferramenta aberta que delega o controle de diferentes fluxos para cada controlador. É basicamente um proxy transparente para o OpenFlow. A estratégia da divisão de fluxos é agrupá-los de acordo com uma política definida por um gerenciador da rede, criando um "flow-space", um conjunto de fluxos de características similares, o que coordena o corte, a subdivisão da rede.
• A subdivisão da rede permite a execução de testes experimentais com mais segurança.
• O FlowVisor aloca o "flow-space" de acordo com um padrão, e encaminha-o para uma rede de produção de acordo com um protocolo. Cada teste, ou experimento realizado na rede é atribuído à fatia, ou subdivisão na qual atua, de acordo com o "flow-space" e uma topologia, criada pelo FlowVisor.
• O fatiamento da rede é como um versionamento da rede de produção, onde cada fatia pode ser dedicada a versões e testes diferentes, possibilitando um incorporamento gradual na fatia de produção.
• Subdividir a rede também permite delegar diferentes fluxos para cada usuário, ou até administrador, permitindo uma hierarquia de controle na delegação das fatias para a execução de testes.

2.3 - Alex

• O OpenFlow permite o controle do datapath no OpenRoads, mas não permite configurar este datapath. Para realizar estas configurações são usadas interfaces de linhas de comando, como SNMP ou NetConf.
• Apesar do princípio ser simples, configurar cada fatia de forma independente é complicado, visto que uma interface pode ser compartilhada por várias fatias, o que dificulta desativá-la para uma em específico.
• Assim, são fatiados os datapaths usando o SNMPVisor, que age em conjunto com o FlowVisor, permitindo o experimentador configurar sua fatia da rede. O SNMPVisor utiliza as mensagens de controle provindas do SNMP, modificando-as e enviando-as para o elemento correto do datapath.
• O SNMPVisor atua como o FlowVisor, como um proxy transparente entre os controladores e o datapath, provendo as mesmas características de versionamento e delegação.
• As vezes é impossível subdividir certas configurações que podem por exemplo compartilhar um canal. Assim é subdividido ao máximo possível, expondo os parâmetros não divididos para o usuário via feedback e por mensagens de erro.

3 - Caio

• OpenRoads foi implementado sobre um controlador NOX, possibilitando controlar switches, APs e basestations, e ainda dividiram a rede em grupos utilizando o FlowVisor
• Assim como foi feito com o OpenRoads, o SNMP foi extendido ao NOX possibilitando assim controlar detalhes como SSID, energia, frequência, e frequência de dados, e capturar informações da wireless.
• Todas as ferramentas utilizadas são open-source, possibilitanto a qualquer interessado utiliza-las e melhora-las.

3.1 -Caio

• O trabalho incial constitui de uma rede composta por 30 WiFi APs, 2 basestations WIMAXe swithces ethernet de 5 GBs.
• As WiFi APs são circuitos embarcados conendo Linux.
• O protocolo OpenFlow foi adicionado a basestations NEC WiMAX adicionada a rede sobre um spectro de pesquisa FCC, atuando como uma AP WiMAX pouco inteligente rodando sobre o protocolo OpenFlow
• Foram usados switches que possuíam firmware que suportam o protocolo OpenFlow
• Para trabalhos futuros, há planos de testar hardwares mais exóticos, como por exemplo rádios programáveis, como o GNU-Radio e WARP, adicionando a interface OpenFlow a ambos, e então explorar a sua característica programável atrás do SNMP ou NetConf.

3.2 - Gabriel

• Os resultados são precisos e repetitivos, sendo implementando um componente de medição abrangente no desenvolvimento, chamado OpenRoads.
• Com os logs de eventos NOx, são registrados todos os eventos da rede, incluindo as mudanças na topologia, link-state, ow-state, entre outros.
• Foram criados uma série de ferramentas de visualização, monitoramento e GUIs running em cima da NOX para auxiliar os usuários e instrumentos no estado de sua fatia, e também gerar correlações temporais nos eventos de rede.
• Isso facilitará na inovação em redes sem fio abertas, mostrando importantes problemas, tendências e interações na rede.

3.3 - Gabriel

• Primeiro passo foi a criação de uma experiência em OpenRoads, no qual os alunos em 12 semanas criaram um projeto baseado em projetar e implementar seu próprio gestor de mobilidade, e em seguida implantá-lo na rede.
• Um grupo criou um gerente de mobilidade para executar um desempenho com uma menor perda “hando” ´por movimentos rápidos de usuários.
• Outro grupo criou um serviço de alta confiabilidade por “n-casting-pack-ets “ na rede, usando OpenFlow, de modo que cada cliente recebeu várias cópias em diferentes caminhos e rádios.
• O último grupo usou uma rede estadual de informação NOX para prever quais canais eles deveriam usar durante a transmissão, para minimizar o tempo de procura.
• Em cada projeto, os alunos demostraram o gerenciador do trabalho na atual rede gerada. Rodando simultaneamente em sua própria fatia
• Devido ao OpenRoads , todos os gerenciadores de mobilidade foram capazes de fazer a transferência entre o WiFi e WiMAX, além de trabalhar sem modificar o software host ou suas aplicações.
• O importante não é que os gestores eram radicalmente novos, mas que foram escrito por não especialistas em menos de 4 semanas, construindo em cima de uma crescente base de código open-source e uma constante melhora na plataforma.
• Ainda existem muita coisa a melhorar. Isso foi apenas o primeiro protótipo.
• Outra surpresa que um gerenciador de mobilidade pode ser escrito em 200 linhas de C++.
• Isso serve de validação preliminar para um sistema OpenRoads, útil para a comunidade de pesquisas, o que facilita o processo de inovação na rede sem fio.

4. - Conclusão

• A arquitetura das redes sem fio está por ser alterada significantemente nos próximos anos com a convergência das redes celulares e WiFI
• Sem nossa participação, a indústria permanecerá fechada e baseada em equipamentos proprietários
• Nossa regra, como comunidade de pesquisa, é ajudar a abrir a infraestrutura - para permitir que múltiplas idéias coexistam na mesma rede física - e portanto permitir que a inovação aconteça, mais livremente e mais rapidamente
• Abrir uma infraestrutura fechada soa como um sonho impossível mas invoca as mudanças que o Linux trouxe para a indústria de computadores pela dedicação da comunidade de desenvolvedores open-source
• Acreditamos que o melhor lugar para iniciar a abertura da infraestrutura das redes sem fio é nas nossas universidades com uma alternativa mais aberta (e inversamente compatível).
• Chamamos esta nova rede de "OpenRoads"

• OpenRoads está sendo construída no topo do OpenFlow
• As principais adições técnicas são a habilidade de fatiar a rede usando o FlowVisor e SNMPVisor e a habilidade para os usuários terem acesso aos experimentos
• No conjunto, OpenRoads forma uma completa produção de rede que pode ser fatiada - função do administrador de rede - para criar partes isoladas para novos experimentos ou novas versões de funcionalidade

• A expectativa é que a comunidade de pesquisadores adote, construa, implante e use a arquitetura de rede sem fio móvel desenvolvendo o sistema usando pontos de acesso existentes despojado das estações radio-base celulares, switches convencionais colocado sob o controle de um sistema aberto que permite múltiplos experimentos isolados para processamento concorrente na rede