OpenFlow

• 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

26/07