Titulo Estágio
Flexible management and optimization framework for SDN
Áreas de especialidade
Engenharia de Software
Comunicações, Serviços e Infraestruturas
Local do Estágio
DEI
Enquadramento
A gestão de redes está simplificada graças à evolução da tecnologia como as redes definidas por software (Software Defined Networking - SDN). Este tipo de tecnologia permite uma gestão mais flexível das redes, potenciando cenários com veículos de condução autónoma, cenários de missões críticas (e.g., salvamento recorrendo a drones ou análise inteligente dos dados de múltiplos sensores e dispositivos). A tecnologia SDN tem sido utilizada em diversos contextos (cloud computing), e por diferentes atores (operadores de telecomunicações) para programar as redes de clientes de forma automática, controlando assim o tráfego e balanceando a carga entre os diferentes nós.
O funcionamento das redes SDN assenta na separação do tráfego de controlo (e.g., para configuração da rede) e do tráfego de dados associado às aplicações e serviços. Assim, tem de haver cuidado de forma a assegurar que o overhead do SDN entre o plano de controlo e o plano de dados, não interfere com o modo de operação dos serviços, devido ao aumento da latência, da largura de banda ou de outros parâmetros que podem afetar a performance dos serviços ou aplicações [1].
Os desafios de gestão dos elementos das redes SDN aumentam, quando são considerados cenários com redes sem fios (redes 5G) ligadas a redes com fio (wired) que servem de backhaul (ligação ao core da rede). Neste contexto, levantam-se desafios como a coordenação de serviços, a gestão de serviços em redes heterogéneas. Questões simples, como a localização dos elementos de controlo da rede requerem investigação, dado que diferentes abordagens existem, desde o controlador SDN gerir toda a rede (wireless e wired), ou em que existe um controlador SDN para cada tipo de rede [2]. Independentemente da abordagem adotada é necessário garantir que os algoritmos de gestão de redes SDN considerem diversos aspetos como os requisitos dos utilizadores e serviços, a dinamismo associado ao backhaul (detetar falhas em ligações), o impacto e a performance das funções de gestão, entre outros.
A gestão de redes tem recorrido ao protocolo OpenFlow, para a instalação de fluxos, atualização de tabelas de encaminhamento. Contudo a evolução das redes sem fios e das tecnologias leva a que nós, objetos, veículos possuam múltiplas interfaces de tecnologias distintas. Em cenários de mobilidade e de multihoming, o OpenFlow apresenta limitações (inflexibilidade de configurar estatísticas, fraco suporte para mecanismos de encaminhamento com suporte para mobilidade – segment routing, entre outros). Neste contexto o protocolo P4 Programming Protocol-independent Packet Processors, aparece como um meio de programar dispositivos para funções de rede [4]. Dispositivos como os switches podem ser programados com recurso a P4 possibilitando funcionalidades avançadas como inspeção de tráfego (DPDK) de forma escalável [5].
Neste contexto, pretende-se especificar, implementar e validar algoritmos para uma Framework de gestão para redes SDN, em cenários 5G com múltiplas ligações e para suporte de cenários com redes veiculares. Estes algoritmos visam garantir uma utilização mais eficiente dos diversos componentes das redes SDN (wireless e wired). A Framework a desenvolver enquadra-se nas atividades dos projetos SNOB5G e MH-SDVANET.
[1] Bonfim, M. S., Dias, K. L., & Fernandes, S. F. L. (2018). Integrated NFV/SDN Architectures: A Systematic Literature Review.
[2] R. Santos, “5G Backhauling with Software-defined Wireless Mesh Networks 5G Backhauling with Software-defined Wireless Mesh Networks,” Karlstad University Studies, 2018.
[3] R. Amin, M. Reisslein, and N. Shah, “Hybrid SDN networks: A survey of existing approaches,” IEEE Commun. Surv. Tutorials, vol. 20, no. 4, pp. 3259–3306, 2018.
[4] F. Hauser et al., “A Survey on Data Plane Programming with P4: Fundamentals, Advances, and Applied Research,” Jan. 2021.
[5] M. Saquetti, G. Bueno, W. Cordeiro, and J. R. Azambuja, “P4VBox: Enabling P4-Based Switch Virtualization,” IEEE Commun. Lett., vol. 24, no. 1, pp. 146–149, Jan. 2020.
Objetivo
Os objetivos do estágio são:
Obj. 1 - Desenhar uma Framework de gestão de redes SDN. Este objetivo compreende:
i) a identificação de requisitos de aplicações/serviços em redes 5G e redes heterogéneas e métricas de qualidade da rede;
ii) a identificação de mecanismos de gestão de redes SDN e suas principais finalidades (deteção de falha de ligações, sincronização de funções de gestão entre controladores);
iii) a definição de algoritmos de gestão para redes SDN em cenários 5G e redes heterogéneas (mmWave).
iv) a identificação de métricas do estado da rede que podem ser recolhidas através de programas P4, e outros protocolos como o OpenFlow.
vi) identificação do suporte necessário para IPv6 em redes SDN.
vii) a identificação de mecanismos de switches/routers virtuais geridos através de P4 e controladores SDN.
Obj. 2 – Implementar funcionalidades da Framework de gestão para redes SDN. Este objetivo inclui:
i) implementação de mecanismos para a deteção de falhas das ligações e mapeamento dos requisitos de serviços e aplicações.
ii) implementação na forma de aplicações de gestão para o controladores SDN como o ONOS, OpenDayLight, recorrendo à emulação de redes via Mininet e com suporte para P4.
iii) integração com plataformas de gestão de infraestruturas como o OpenStack.
iv) implementação de métricas nos programas P4 e streaming das mesmas para o(s) controladores SDN.
v) implementação de aplicações que permitem gestão de mobilidade e multihoming de forma eficiente (componentes switches/routers virtuais)
Obj. 3 - Avaliar a Framework de gestão de redes SDN em cenários 5G e redes heterogéneas.
i) Avaliação em topologias simples de um só domínio e com nós de múltiplas interfaces;
ii) Avaliação em topologias multi-domínio com nós multihoming e com múltiplas tecnologias
Obj. 4 – Documentação dos resultados para efeitos de dissertação e para publicação científica.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
As tarefas do primeiro semestre são:
T1.1 – Análise do estado da arte relativamente a mecanismos de gestão para SDN e P4.
T1.2 – Análise do estado da arte relativamente a aplicações e serviços em redes 5G e redes heterogéneas, incluindo a gestão de mobilidade e multihoming através de P4.
T1.3 – Desenho preliminar da Framework de gestão (algoritmos de gestão).
T1.4 – Instalação de controlador para testes (docker) e implementação de topologias em IPv6 (testes preliminares) e P4.
T1.5 – Escrita do relatório intermédio.
Plano de Trabalhos - Semestre 2
As tarefas do segundo semestre são:
T2.1 – Implementação da Framework de gestão de redes SDN nomeadamente as aplicações de gestão com mecanismos de deteção de falhas das ligações e de mapeamento dos requisitos das aplicações/serviços, recorrendo a topologias baseadas em IPv4 e IPv6.
T2.2 – Avaliação da Framework de gestão tendo em conta os objetivos definidos. A avaliação será maioritariamente feita recorrendo a topologias reais e baseadas em IPv4, em topologias IPv6 e com suporte para P4 emuladas com o Mininet.
T2.3 – Elaboração da documentação para efeitos de dissertação e de publicação científica.
Condições
O aluno terá acesso a recursos computacionais. A avaliação através de simulação poderá ser feita recorrendo a recursos computacionais disponíveis no departamento.
Observações
As atividades propostas nesta dissertação enquadram-se nos projetos SNOB5G e MH-SDVANET.
Este estágio será orientado pelos docentes Bruno Sousa e Marilia Curado.
Porque é que este estágio é interessante?
- Participação num projeto nacional;
- Possibilidade de contribuir as redes de próxima geração (5G e outras);
- Possibilidade de contribuir para projetos open source como o ONOS, atomix.
- Possibilidade de contribuir para uma Internet mais ubíqua e em cenários de redes veiculares;
- Possibilidade de trabalhar com tecnologia do estado da arte (P4, mmWave, 802.11p).
Orientador
Bruno Sousa
bmsousa@dei.uc.pt 📩