implementare il paradigma software-defined networking utilizzando openflow switch protocol
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Implementare il paradigma
Software-Defined Networking
utilizzando OpenFlow switch protocol Elaborato Finale
Studente:
Francesco Ciclosi
Scuola di Scienze e Tecnologie
Corso di Laurea in Informatica L-31
Relatore:
Prof. Leonardo Mostarda
ANNO ACCADEMICO 2013/2014
Implementare il paradigma Software-Defined Networking utilizzando OpenFlow switch protocol – Camerino, 8/4/2015
Quest'opera di Francesco Ciclosi è distribuita con Licenza CC BY-SA 3.0 Italia [Commons Deed] [Legal Code]
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Il paradigma SDN
Virtualizzazione
di rete
Ristrutturare l’architettura di networking garantendo l’interazione
tra applicazioni e rete
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Filosofia di OpenFlow
Interfaccia di basso livello che espone un modello astratto del
piano di forwarding del nodo
Consente la comunicazione tra HAL e controller SDN
Svincola il piano di
forwarding dal vendor
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La rete secondo il paradigma SDN
È un’unica entità governata da un unico piano
di controllo centralizzato
Le applicazioni si rivolgono ad essa pensando
esclusivamente alle proprie logiche di servizio
La sua complessità fisica è mascherata dal piano
logico esposto dai controller
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Il livello del controller SDN
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SDN: lo strato di controllo
È centralizzato e opera come un sistema
operativo di rete (NOS)
È composto da molteplici moduli software che
hanno come nucleo centrale il controller
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SDN: i controller
Svolgono le funzioni fondamentali:
• espongono le northbound API verso le applicazioni
• gestiscono le comunicazioni tra i vari moduli
• gestiscono l’aggiunta di nuovi componenti
La loro implementazione fisica differisce da quella
logica (che è centralizzata)
Il modello fisico è separato, distribuito e replicato
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SDN: la virtualizzazione di rete (1)
Tale approccio prevede il partizionamento
virtuale (slice) dell’infrastruttura di rete fisica
Più istanze di controllo possono utilizzare la slice
assegnata come se fosse un’infrastruttura fisica
dedicata
Diversi soggetti possono implementare schemi
di indirizzamento e protocolli completamente
indipendenti
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SDN: la virtualizzazione di rete (2)
Consentire configurazioni oggi impossibili:
• effettuare il rinnovo della piattaforma hardware
senza impatto sull’erogazione dei servizi
• rendere disponibili nuove funzionalità in real time
• Implementare qualsiasi livello di ridondanza,
indipendente dalla topologia fisica sottostante
Al momento tale paradigma non è ancora
maturo per l’adozione in uno scenario reale
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SDN: standardizzazione
Interessante l’attività del consorzio industriale
non-profit ONF (Open Networking Foundation)
ONF presiede le attività finalizzate allo sviluppo
di un modello per SDN
ONF guida dei gruppi di lavoro per definire:
• il protocollo standard di comunicazione OpenFlow
• il modello dell’hardware di rete OpenFlow
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Lo switch logico OpenFlow
Op
enF
low
S
wit
ch S
pec
ific
atio
n 1
.5.0
(p
roto
col
0x06
)
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OpenFlow: funzionamento delle porte (1)
Le porte sono le interfacce di rete utilizzate per lo
scambio tra i processi elaborativi di OpenFlow e
la rete
Non è assicurata la corrispondenza tra numero di
porte OpenFlow e numero di interfacce fisiche
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OpenFlow: funzionamento delle porte (2)
I pacchetti:
• sono ricevuti su di una porta di ingresso
• sono processati dalla pipeline OpenFlow
• sono inoltrati tramite una porta di uscita
Uno switch OpenFlow compliant deve supportare:
• physical port
• logical port
• reserved port
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OpenFlow: physical port e logical port
Physical port
• corrispondono alle interfacce fisiche dello switch
• possono corrispondere a porzione di interfaccia fisica
Logical port
• non esiste corrispondenza con interfacce fisiche
• possono includere l’incapsulamento dei pacchetti
• possono essere mappate su più physical port
• Possono utilizzare il campo di corrispondenza Tunnel-ID
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OpenFlow: reserved port (1)
Sono utilizzate per specificare delle azioni generiche
di inoltro
Si dividono in:
• ALL, CONTROLLER, TABLE, IN_PORT, ANY e
UNSET la cui implementazione è obbligatoria
• LOCAL, NORMAL e FLOOD la cui implementazione
è facoltativa
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OpenFlow: reserved port (2)
ALL rappresenta ogni porta che lo switch può
usare per inoltrare un pacchetto
CONTROLLER rappresenta il canale di
comunicazione con i controller OpenFlow
TABLE rappresenta l’inizio della pipeline
OpenFlow
IN_PORT rappresenta la porta di ingresso
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OpenFlow: reserved port (3)
ANY indica al protocollo che la speciale
richiesta è applicabile anche a ogni altra porta
UNSET indica che nell’action-set non è stata
specificata nessuna porta di uscita
LOCAL rappresenta sia lo stack di rete locale
che lo stack di gestione dello switch
NORMAL rappresenta l’inoltro tramite la
normale pipeline non OpenFlow
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OpenFlow: reserved port (4)
FLOOD rappresenta il flooding dei pacchetti
effettuato utilizzando la tradizionale pipeline dello
switch non basata su OpenFlow
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OpenFlow: standard port
Sono un particolare raggruppamento composto da:
• ogni physical port
• ogni logical port
• la reserved port LOCAL (se esistente)
Possono essere utilizzate all’interno di gruppi
Possono avere contatori, stato e configurazione
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OpenFlow: modifica delle porte
Qualsiasi modifica a stato o configurazione delle
porte va subito comunicata al controller OpenFlow
Le variazioni effettuate sulle porte non vengono
propagate alle flow table e alle group table
I pacchetti inoltrati a delle porte che non esistono
saranno scartati
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OpenFlow: l’elaborazione nella pipeline
La pipeline è l’insieme delle flow table connesse
tra loro
In uno switch OpenFlow queste flow table
forniscono i meccanismi di:
• corrispondenza del pacchetto;
• inoltro del pacchetto;
• modifica del pacchetto.
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Flusso dei processi nella pipeline
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La pipeline OpenFlow (1)
La pipeline contiene uno o più flow table
Ogni flow table è composta da più flow entry
Il processo di elaborazione della pipeline definisce
come avviene l’interazione tra i pacchetti e le flow
table
Le flow table sono numerate sequenzialmente da 0
Esiste un’elaborazione in ingresso e una in uscita
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La pipeline OpenFlow (2)
Le flow table in ingresso successive alla prima sono
utilizzate o meno a seconda dei risultati delle
corrispondenze nella prima tabella
L’elaborazione di uscita è opzionale
Se non ci sono flow table di uscita il pacchetto sarà
elaborato dalla porta di uscita
Entrambe le elaborazioni hanno le stesse regole
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Le tipologie di switch OpenFlow
OpenFlow only
• supportano esclusivamente le operazioni OpenFlow
• elaborano i pacchetti secondo la pipeline OpenFlow
OpenFlow hybrid
• supportano sia le operazione OpenFlow che le
normali operazioni di commutazione Ethernet
• Sono dotati di un meccanismo di classificazione per
gestire le due pipeline (OpenFlow e normale)
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Elaborazione in una flow table
Il pacchetto viene confrontato in sequenza con
ogni flow entry finché non si trova una
corrispondenza, quindi si eseguono le sue istruzioni
Se non viene trovata una corrispondenza con le
flow entry il pacchetto è elaborato secondo le
istruzioni della table-miss
Se non è presente una table-miss il pacchetto viene
scartato
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Composizione di una flow entry
Match fields usato per verificare la
corrispondenza con i pacchetti
Priority definisce l’ordine di precedenza
Instructions usato per modificare l’action-set o
il processo di elaborazione della pipeline
Timeouts definisce la soglia temporale o di
inattività per la rimozione
Altri campi sono: counters, cookie e flags
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Il processo di corrispondenza (1)
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Il processo di corrispondenza (2)
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La flow entry table-miss
Verifica la corrispondenza dei pacchetti senza
corrispondenza con le altre flow entry
È una flow entry senza valori e con il campo
priority uguale a zero (è una wildcard)
Svolge almeno due funzioni:
• Invia il pacchetto al controller utilizzando la
reserved port CONTROLLER
• scarta il pacchetto con l’istruzione Clear-Actions
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Flow entry: le istruzioni obbligatorie
Write-Actions action(s)
• Unisce l’azione o l’insieme di azioni specificate
nell’attuale action-set
• Se l’azione esiste già sarà sovrascritta, altrimenti aggiunta
Goto-Table next-table-id
• Indica la tabella successiva nel processo di elaborazione
della pipeline di OpenFlow
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Flow entry: le istruzioni facoltative
Apply-Actions action(s)
• Applica immediatamente l’azione o l’insieme di azioni
specificate senza modificare l’action-set
Clear-Actions
• Cancella ogni azione presente nell’action-set
Write-Metadata metadata/mask
• Scrive il valore dei metadati di mascheramento
Stat-Trigger stat thresholds
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Flow table: verifica ed esecuzione
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OpenFlow: l’action-set
È associato a ogni pacchetto e inizialmente vuoto
Può essere modificato da una flow entry
• Con le istruzioni Write-Action e Clear-Action
Può contenere al massimo un’azione per tipologia
Ha un ordine predefinito di esecuzione delle azioni
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Tipologie di azioni in un action-set
group applica al pacchetto le azioni
contenute nel bucket del gruppo
output inoltra il pacchetto tramite la porta ivi
specificata
set applica al pacchetto ogni azione set-field
altre azioni sono: copy TTL inwards, pop, push-
MPLS, push-PBB, push-VLAN, copy TTL
outwards, decrement TTL, qos
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Action-set: alcune regole generali
L’output action è sempre l’ultima azione ad
essere eseguita
Se vengono specificate sia un output action che
una group action, la group action verrà eseguita e
l’output action scartata
Se non sono specificate ne un output action che
una group action, il pacchetto sarà scartato
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OpenFlow: la group table
È costituita da un gruppo di voci
Consente la rappresentazione di metodi di invio
alternativi (tipo SELECT e ALL)
È composta da group entry, ciascuna contenente:
• group identifier identifica univocamente il gruppo;
• group type determina la semantica del gruppo;
• counters conta le elaborazioni effettuate dal gruppo;
• action buckets è una lista ordinata di bucket di azione.
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I group type obbligatori
indirect
• È un tipo di gruppo che contiene un unico bucket
• Consente a flow entry o group entry multipli di
puntare a un identificatore di gruppo comune
all
• Esegue tutti i bucket contenuti nel gruppo
• È usato per l’inoltro in broadcast o in multicast
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I group type opzionali
select
• Esegue un bucket tra quelli definiti nel gruppo
• Un algoritmo di selezione determina il bucket che
elaborerà i pacchetti
fast failover
• Esegue il primo bucket del gruppo che è disponibile
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La struttura di OpenFlow switch protocol
Il protocollo è implementato utilizzando messaggi
OpenFlow trasmessi sul canale OpenFlow
Il file openflow.h definisce ogni struttura che descrive
i vari tipi di messaggio
Ogni messaggio inizia con un’intestazione comune
La struttura del messaggio può includere altre
strutture
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L’intestazione OpenFlow
struct ofp_header {
uint8_t version; /* OFP_VERSION. */
uint8_t type; /* One of the OFPT_ constants. */
uint16_t length; /* Length including this ofp_header. */
uint32_t xid; /* Transaction id associated with this packet.
Replies use the same id as was in the request
to facilitate pairing. */
};
OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_header) == 8);
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Principali tipi di messaggio OpenFlow (1)
OFPT_HELLO
• Viene inviato tra switch e controller per negoziare la
versione del protocollo da utilizzare e per
inizializzare la sessione
OFPT_ECHO_REQUEST/REPLY
• Vengono inviati tra switch e controller per verificare
la latenza, misurare la larghezza di banda oppure
solo per verificare il perdurare della connessione
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Principali tipi di messaggio OpenFlow (2)
OFPT_FEATURES_REQUEST
• È utilizzato dal controller per identificare lo switch e
scoprire le sue funzionalità di base
OFPT_FEATURES_REPLY
• È utilizzato dallo switch in risposta a un messaggio
di tipo OFPT_FEATURES_REQUEST ricevuto
precedentemente dal controller
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Principali tipi di messaggio OpenFlow (3)
OFPT_BARRIER_REQUEST
• Viene utilizzato dal controller per governare il processo di
elaborazione dei messaggi
• Ha tre funzioni
o Garantisce l’ordinamento dei messaggi
o Notifica al controller il completamento delle operazioni
o Assicura che lo stato inviato dal controller sia applicato al datapath
OFPT_BARRIER_REPLY
• Utilizzato dallo switch in risposta al messaggio di richiesta
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Principali tipi di messaggio OpenFlow (4)
OFPT_SET_CONFIG
• Viene utilizzato dal controller per impostare i parametri di
configurazione dello switch
• Lo switch esegue la richiesta senza inviare una risposta
OFPT_PORT_STATUS
• Viene utilizzato dallo switch per comunicare al controller
l’aggiunta, la modifica o la rimozione di una porta dal
datapath
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Principali tipi di messaggio OpenFlow (5)
OFPT_PACKET_IN
• Viene utilizzato dallo switch per incapsulare e quindi
inviare al controller un pacchetto
OFPT_PACKET_OUT
• Viene utilizzato dal controller per far trasmettere un
pacchetto al di fuori del datapath
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Configurazione di OpenFlow su switch
CISCO serie Nexus 3100 Supporto solo per le versioni 1.0 e 1.3 di OpenFlow
Supporto solo per pochi controller
• POX, IXIA, OpenDayLight e XNC 1.0
È richiesto il Cisco Plug-in for OpenFlow 1.1.5
• Distribuito come file .OVA (Open Virtual Application)
• Eseguito in un Virtual Service for Application (VSA)
• Trasforma il device in uno switch ibrido
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Mininet: una piattaforma di prototipazione
Mininet utilizza la virtualizzazione leggera offerta da
Linux ed è composta da 4 elementi:
• link una connessione cablata virtuale tra due interfacce
• host un processo della shell trasferito all’interno del
proprio spazio dei nomi di rete
• switch uno switch software basato su OpenFlow e
realizzato di default in kernel-space
• controller possono essere collocati ovunque nella rete
purché raggiungibili via IP dalla VM Mininet
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Schema interno di una rete Mininet
Ove
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1 M
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Strumenti di lavoro: Putty
È un client (anche) SSH che viene collegato con
un emulatore di terminale per la gestione
remota dei sistemi informatici
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Strumenti di lavoro: PSFTP
Utilizza il
protocollo PSFTP
disponibile in
SSHv2
Consente il
trasferimento
sicuro dei file tra
due sistemi
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Strumenti di lavoro: WinSCP
Client grafico che utilizza i protocolli SFTP e
SCP per il trasferimento sicuro dei file
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Strumenti di lavoro: xterm
È l’emulatore standard di
terminale in ambiente Linux
Supporta più sessioni simultanee
su uno o più display
Si appoggia al gestore grafico X
Windows (X11) che fornisce
ambiente e componenti base per
realizzare l’interfaccia grafica
VM
Mininet
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Strumenti di lavoro: xming
Software in grado
di fornire il
supporto per l’X
forwarding in
ambiente Windows
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Gestione di più nodi con xterm
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Mininet: la topologia minimale
sudo mn crea la topologia
sudo mn - c resetta l’ambiente virtuale
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sudo mn –topo single, 6
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Tipologie di switch disponibili in Mininet
Kernel switch
o sono implementati di default da Mininet
Switch eseguiti in user space o sono implementati con: $ sudo mn –switch user+
o basse performance per operato dello scheduler della CPU
Open vSwitch (OVS) o sono implementati con: $ sudo mn –switch ovsk
o vengono eseguiti in kernel space
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Caso di test: una semplice topologia
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Caso di test: creazione della topologia
Eseguire il comando dalla console della VM:
• $ sudo mn --topo single,3 --mac
--switch ovsk –controller remote
Avviare un controller sulla VM Mininet (in
ascolto su IP 127.0.0.1 porta TCP6633)
digitando da console:
• $ controller pcpt:
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Test di connettività
Nel caso in cui il
controller non è stato
avviato
Nel caso in cui il
controller è stato
avviato
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Test di bitrate
Calcola il massimo bitrate teoricamente
raggiungibile dalla rete
Dipende dall’implementazione dello switch in
kernel space oppure in user space
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Analisi delle tabelle di flusso (1)
Inizialmente sono vuote e vengono via via popolate
in base alle istruzioni ricevute dal controller
• $ dpctl dump-flows tcp:127.0.0.1:6634
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Analisi delle tabelle di flusso (2)
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Pacchetti
OpenFlow
scambiati
nell’utilizzo
di un ping
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Creare una topologia con le API Python
È possibile definire una
topologia personalizzata
usando degli script
Python
• $ sudo mn -x --custom
/home/test.py --topo
TopoTest
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Caso di studio
In questa fase si verificherà il comportamento di
un device programmabile con OpenFlow
Si testeranno 4 implementazioni di switch
Il controller utilizzato sarà remoto e basato su
POX
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Caso di studio: 4 comportamenti testati • dumb hub ogni pacchetto viene inviato al controller
e poi trasmesso su tutte le porte del device. Non
vengono installate flow entry
• lazy hub nel device è installata una sola flow entry
che consente il broadcast su ogni porta
• pair switch nel device sono istallate delle flow entry
(per la coppia di MAC) che consentono il traffico. Il
device invia i pacchetti sulla giusta porta
• ideal pair switch il device si comporta come un pair
switch, ma utilizza due flow entry per coppia di MAC
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Il controller POX
Non garantisce le migliori
performance
È semplice e flessibile
Ottimo per i test di
funzionalità
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Avviare POX
Eliminare eventuali istanze orfane in esecuzione
• $ ps -A | grep controller
• $ sudo killall controller
Avviare il controller (dalla cartella di POX)
• $ ./pox.py log.level --DEBUG misc.of_component
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Avviare Wireshark Dalla console di Mininet con X11 forwarding abilitato
• $ sudo wireshark &
Impostare of nella casella filter per filtrare OpenFlow
Impostare la cattura sull’interfaccia lo e click su start
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Inizializzare l’ambiente (1)
Dalla console di Mininet avviare l’ambiente
• $ sudo mn --topo single, 3 --mac --switch ovsk --
controller remote
Dalla CLI di Mininet avviare le connessioni
xterm verso i 3 host
• CLI> xterm h1 h2 h3
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Inizializzare l’ambiente (2)
Dalla console xterm del processo host h2
• # tcpdump -XX -n -i h2-eth0
Dalla console xterm del processo host 3
• # tcpdump -XX -n -i h3-eth0
Dalla console xterm del processo host h1
• # ping -c1 10.0.0.2
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Caso di studio: dumb hub (1)
La comunicazione ICMP ha avuto esito positivo
Il lasso temporale è ampio e dovuto alla
comunicazione tra switch s1 e controller POX
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Caso di studio: dumb hub (2)
Ogni processo host rileva il medesimo traffico
sulle sue interfacce
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Caso di studio: dumb hub (3)
Alto scambio di messaggi OpenFlow tra switch e
controller dovuto al non utilizzo delle flow entry
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Caso di studio: dumb hub (4)
Inviando 10 richieste ICMP di tipo 8 il tempo di
esecuzione (in millisecondi) è alto e costante
Coerente con il non utilizzo delle flow entry
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Caso di studio: lazy hub (1)
La comunicazione ICMP ha avuto esito positivo
Il lasso temporale è enorme e dovuto
all’installazione preliminare della flow entry
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Caso di studio: lazy hub (2)
Ogni processo host rileva il medesimo traffico
sulle sue interfacce
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Caso di studio: lazy hub (3)
Due differenti scambi di messaggi OpenFlow
All’avvio delle connessione tra controller POX e
switch s1 per installare la flow entry che consente il
traffico broadcast su ogni porta
Al momento del ping tra il processo host h1 e il
processo host h2 per consentirne il traffico
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Caso di studio: lazy hub (4)
Inviando nuovamente 4 richieste ICMP di tipo 8
dall’host h1 all’host h2 il tempo di esecuzione (in
millisecondi) è basso e costante
Lo switch ha già una flow entry per questo traffico
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Caso di studio: lazy hub (5) Inviando ora 5 richieste ICMP di tipo 8 dall’host h1
all’host h3 il tempo di esecuzione (in millisecondi) è
alto per il primo ping e basso per i restanti
Lo switch deve inizialmente contattare il controller
per ottenere una flow entry
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Caso di studio: pair switch (1)
Inviando più pacchetti la comunicazione ICMP
ha globalmente esito positivo ma i primi si
perdono a causa dell’overhead necessario
all’installazione delle flow entry
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Caso di studio: pair switch (2)
Ogni processo host
rileva un differente
traffico sulle sue
interfacce perché lo
switch inoltra a tutti
solo il traffico
broadcast
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Caso di studio: pair switch (3)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione della
connessione controller/switch
Installazione della flow entry per il traffico broadcast
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Caso di studio: pair switch (4)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione del
ping tra l’host h1 e l’host h2 finalizzato a consentire
il traffico medesimo
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Caso di studio: pair switch (5)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione della
ripetizione del ping tra l’host h1 e l’host h2
Essendo trascorsi alcuni minuti le flow entry
contattare nel device non erano più valide
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Caso di studio: pair switch (6) Inviando ora 5 richieste ICMP di tipo 8 dall’host h1
all’host h2 (attendendo almeno 60 secondi dal
precedente ping)
Le flow entry saranno scadute e lo switch dovrà
nuovamente contattare il controller
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Caso di studio: ideal pair switch (1)
La comunicazione ICMP ha avuto esito positivo
L’invio del primo pacchetto ha richiesto più
tempo per l’installazione della nuova flow entry
nel device e per la comunicazione con il controller
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Caso di studio: ideal pair switch (2)
Ogni processo host rileva un
differente traffico sulle sue
interfacce perché lo switch
inoltra a tutti solo il traffico
broadcast
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Caso di studio: ideal pair switch (3)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione della
connessione controller/switch
Installazione della flow entry per il traffico broadcast
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Caso di studio: ideal pair switch (4)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione del
ping tra l’host h1 e l’host h2 finalizzato a consentire
il traffico medesimo
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Caso di studio: ideal pair switch (5)
Eseguendo in rapida sequenza due ping tra gli
host h1 e h3, l’idle timeout non sarà raggiunto
A seguito del primo
scambio ICMP
verranno installate
delle flow entry ancora
valide al momento del
secondo scambio
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Caso di studio: ideal pair switch (6)
Scambio di messaggi OpenFlow in occasione della
ripetizione del ping tra l’host h1 e l’host 3
Essendo ancora valide le flow entry, il device non
dovrà contattare nuovamente il controller
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Conclusioni (1)
La vera novità del paradigma SDN consiste
nella possibilità di svicolare la topologia logica
del piano di controllo da quella fisica dei nodi di
rete che effettuano il forwarding del traffico
Le soluzioni SDN dovrebbero essere indirizzate
verso l’implementazione della cosiddetta
virtualizzazione di rete
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Conclusioni (2)
Il protocollo OpenFlow può essere considerato
un fattore abilitante di una rete flessibile e
programmabile
Urge che il suo processo di definizione subisca
un’accelerazione per renderlo standardizzato e
maturo
Occorre garantire più device che supportino
OpenFlow specie nelle ultime versioni
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Conclusione finale
Il paradigma SDN potrà farci assistere nei
prossimi anni a una rivoluzione epocale nel
mondo del networking se:
• saprà dimostrare la sua fattibilità tecnologica anche
in un contesto reale di produzione
• il processo di standardizzazione sarà terminato e
consolidato
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