Redes Definidas por Software (SDN) - Preguntas

Tema 7: Orquestadores en redes SDN de contenidos

• Módulo III: Transporte de señal
• Asignatura 3.1: Transporte de señal audiovisual en producción
• Profesor: José María Lalueza Mayordomo
• Correo electrónico: [email protected]

Redes en la actualidad (Parte 2: Introducción SDN)

• Las infraestructuras de red actuales se componen de muchos Elementos de Red (NEs) diferentes.
• Incluyen nodos de transporte (enrutadores, conmutadores) y nodos de servicio (cajas intermedias).
• La experimentación con nuevas ideas de redes es difícil.
• Los elementos de red (NEs) necesitan tiempo para estandarizarse, diseñarse, adquirirse y aprender a operar.
• Los NEs son complejos y caros de mantener.

Impacto de equipos tradicionales

• La integración vertical en el equipo existente integra ambos planos (control y datos) en un solo dispositivo.
• La flexibilidad es reducida, y la evolución difícil.
• Las actualizaciones simples pueden ser un reto.
• Un solo dispositivo mal configurado puede impactar el comportamiento global de la red.
• La gestión de red suele apoyarse en soluciones propietarias especializadas, sin tareas de gestión comunes.
• Las interfaces propietarias dificultan la integración.

¿Cómo se podría mejorar?

• Separación de responsabilidades: Definición, implementación y configuración del reenvío de tráfico.
• Dividir el control de la red en piezas manejables, separando los planos de control y datos.
• Simplificar la aplicación de políticas y la configuración/evolución de la red mediante interfaces de programación bien definidas (APIs).
• Control directo de los elementos del plano de datos a través de APIs.
• Comportamientos diferentes se pueden inducir desde el elemento de control (enrutador, conmutador, caja intermedia).

¿Qué propone SDN?

• Equipos de red como "cajas negras" con interfaces abiertas para indicar las acciones.
• SDN permite a los dispositivos un comportamiento autónomo, donde las decisiones se toman fuera del dispositivo.
• Redes Definidas por Software (SDN): El estado de reenvío del plano de datos pasa a ser gestionado y definido por un plano de control remoto, abstrae la infraestructura de red subyacente.

Breve historia

• 1990s: Active Networks: Intentaron crear redes flexibles y programables, permitiendo a usuarios/aplicaciones ejecutar código en routers/switches mediante una "virtualización de red" temprana, pero fracasaron por seguridad, capacidad de procesamiento y falta de estándares.
• 2001-2007: Separación de planos: Investigadores exploraron la idea de separar los planos de control y datos, permitiendo decisiones de enrutamiento y administración centralizadas para obtener mayor agilidad y flexibilidad.
• 2008: OpenFlow: Primera implementación práctica de SDN. Un grupo de investigadores de Stanford desarrolló OpenFlow, un protocolo para separar los planos de control y datos.
• 2010 en adelante: SDN y el mercado de redes empresariales. El concepto de SDN se amplió para incluir otras tecnologías y protocolos de control centralizado. Se desarrollaron nuevos controladores (OpenDaylight, ONOS...). SDN se volvió popular en centros de datos y redes empresariales para mayor flexibilidad, automatización y administración de la red.

Introducción SDN (Software Defined Network) (Parte 2: Introducción SDN)

• SDN = Software Defined Networking (Redes Definidas por Software).
• Cuatro pilares principales de SDN: desacoplamiento de planos de control y datos, las decisiones de reenvío se basan en flujos, la lógica de control se traslada a una entidad externa y la red se vuelve programable.
• El control de la red se separa del hardware y se realiza mediante software.
• Facilita la administración y la configuración de la red como conjunto global y permite mayor flexibilidad, automatización y eficiencia.

Componentes de SDN

• Plano de Control: El "cerebro" de la red SDN que toma las decisiones sobre el tráfico.
• Plano de Datos: El "músculo" de la red que se encarga del reenvío de datos.
• Controlador SDN: El elemento central que gestiona la red desde un solo punto de control, comunicando instrucciones de enrutamiento y políticas de seguridad a los dispositivos del plano de datos. Varios controladores populares existen (OpenDaylight, ONOS y Ryu).

Estado de la red y algoritmo de grafos

• Mejores decisiones con un conocimiento completo de la topología y restricciones.
• Conocimiento completo de la topología/restricciones permite resolver el enrutamiento de flujos mediante algoritmos de grafo.
• SDN promueve el reemplazo de protocolos de enrutamiento distribuidos por algoritmos de grafos centralizados.

¿Qué puede ofrecer SDN?

• SDN, a diferencia de los protocolos de enrutamiento distribuidos (limitados a minimizar el número de saltos para conectividad simple), puede realizar operaciones más sofisticadas como optimizar rutas bajo restricciones, configurar rutas de respaldo, integrar funcionalidades de red (Ej: NAT, firewall) en las rutas.
• Un controlador SDN permite calcular optimizaciones globales de la red y configurar directamente acciones de reenvío.

Reenvío basado en flujos

• SDN basa las decisiones de reenvío en flujos (en lugar de destinos).
• Todos los paquetes de un flujo reciben políticas de servicio idénticas.
• El comportamiento de los diferentes tipos de dispositivos en la red (routers, conmutadores, dispositivos intermedios) se unifica.
• Las funciones de procesamiento se dividen entre reglas por paquete (en el conmutador) y decisiones de alto nivel (en el controlador).

Diferentes tipos de dispositivos, diferentes comportamientos

• Router: Coincidencia en el prefijo IP de destino más largo, reenviando a un enlace.
• Conmutador: Coincidencia en la dirección MAC de destino, reenviando por puerto o por todos los puertos.
• Firewall: Coincidencia en direcciones IP y números de puertos TCP/UDP, permitiendo o denegando el tráfico.
• NAT: Coincidencia en la dirección IP y puerto, reescribiendo la dirección y puerto.

Flujos en SDN

• Un flujo se define como una secuencia de paquetes que comparten valores de encabezado comunes. Ejemplo: 5-tuple (dirección IP/puerto de origen, dirección IP/puerto de destino y protocolo).
• La definición de un flujo se centra en los paquetes, no en la ruta.
• Una combinación de entradas de flujo en múltiples switches define el flujo vinculado a una ruta específica. 

Gestión centralizada vs distribuida

• Protocolos distribuidos: escalan sin límites, pero tardan en converger completamente.
• Resuelven problemas complejos de optimización de red rápidamente
• Protocolos centralizados: la sobrecarga aumenta al aumentar el número de elementos de red.
• Dividir el elemento centralizado en función de la agrupación de elementos de red es un paso hacia un sistema distribuido (como BGP).

Abstracciones

• Una abstracción revela la semántica necesaria a un nivel dado, ocultando detalles de implementación.
• Permite al programador centrarse en conceptos, sin involucrarse en detalles de la red.
• Las abstracciones facilitan el diseño de aplicaciones de red, al revelar conceptos de alto nivel (Ej: pedir conectividad entre A y B ocultando los detalles de conmutadores).

Abstracciones de reenvío, topología y especificación

• Abstracción de reenvío: permite cualquier comportamiento.
• Abstracción de topología: representa nodos y conexiones según la aplicación, con el detalle necesario.
• Abstracción de especificación: expresa el comportamiento de red deseado sin necesidad del conocimiento de implementación.

Control In-Band o Out-Of-Band

• Out-of-band: Seguro, canal aislado del tráfico normal, pero costoso y poco flexible.
• In-band: Mejor escalabilidad, menos costoso, pero riesgoso, comparte el canal de datos.

Dominios SDN

• Escalabilidad: El número de dispositivos que un controlador SDN puede gestionar es limitado. Una red grande puede necesitar más controladores.
• Privacidad: Una operadora puede usar diferentes políticas de privacidad en dominios SDN diferentes.
• Despliegue incremental: Dividir la red en dominios SDN manejables permite un despliegue flexible.

Programabilidad de la Red

• Las aplicaciones de software pueden interactuar con la red a través de la parte superior del Controlador SDN (aunque la división a veces es difusa).
• Los controladores programan la red, ignorando los protocolos tradicionales.
• El reenvío de paquetes en SDN es un problema computacional más que de protocolos de enrutamiento clásicos.
• Se busca una interfaz abierta entre los planos de control y datos para una verdadera programabilidad de la red.

APIs

• Las APIs facilitan la implementación de servicios de red comunes.
• Las APIs deben ser abiertas y estándar para una independencia de la capa inferior.
• Incluyen APIs para enrutamiento, seguridad e ingeniería de tráfico, QoS...
• El hardware de reenvío utiliza una tabla de flujos.
• Se comunica con el controlador por medio de un protocolo de capa de transporte para reglas dinámicas.
• La seguridad es crítica en los entornos de SDN.

OpenDayLight (ODL)

• Es un controlador SDN centralizado que gestiona distintos dispositivos de red a través de interfaces abiertas.
• Soporta protocolos de red (como OpenFlow, NETCONF, BGP, PCEP).
• Es una plataforma de código abierto desarrollada por el proyecto de Linux Foundation.
• Una API abierta permite la creación de aplicaciones para controlar, gestionar y monitorizar la red.
• Ofrece un amplio conjunto de funcionalidades, pero su implementación puede ser compleja y presentar problemas de escalabilidad y rendimiento. Algunas empresas (Google, Amazon) desarrollan sus propias soluciones de SDN internas.

OpenFlow

• Protocolo de comunicación SDN que facilita la comunicación entre controladores y dispositivos de red (switches, routers).
• Fue uno de los primeros protocolos para SDN y es aún conocido y utilizado.

¿Cómo funciona OpenFlow?

• OpenFlow permite al controlador SDN dictar las reglas de reenvío para los switches.
• Un switch OpenFlow utiliza una tabla de flujo que contiene reglas sobre cómo manejar los paquetes. Cada entrada describe lo que el switch debe hacer con el paquete (Ej: reenviar a un puerto específico).

Limitaciones de las redes tradicionales

• Complejidad (si funciona no lo toques).
• Aplicación lenta de políticas en la red.
• Dependencia del fabricante.

Limitaciones de OpenFlow

• Escalabilidad.
• Complejidad de implementación (configurar y gestionar redes).
• Compatibilidad de hardware (no todos los switches son compatibles).

OpenFlow 5C

• Una extensión mejor para OpenFlow.
• Agrega cinco "Capabilities" para mejorar la flexibilidad, control y manejo de los flujos.
• Facilita una gestión mejor de las redes SDN.

Las cinco capacidades (5C) de OpenFlow

• Clasificación (Clasificación): Clasifica el tráfico de red de manera detallada.
• Conteo (Conteo): Monitoreo al contar y registrar estadísticas de tráfico específicas en tiempo real.
• Control (Control): Mayor control sobre los flujos de red y la implementación de políticas de red más complejas.
• Configuración (Configuración): Configuración más fácil y rápida de políticas y reglas en los dispositivos de red, sin interrumpir la operación de la red.
• Cambio (Cambio): Nuevas políticas y ajustes sin interrumpir la operación de la red.

Programabilidad de la red

• Capacidad de interactuar con la red con aplicaciones de software, posicionando las aplicaciones sobre el controlador SDN.
• Programabilidad de la red como un problema computacional, con protocolos de enrutamiento como algo no estrictamente necesario.
• Implementar interfaces abiertas entre los planos de control y datos para una verdadera programabilidad de la red.

Partiendo de redes tradicionales

• Los problemas de las redes tradicionales incluyen la gran variedad de equipos, soluciones cerradas por proveedor, falta de automatización y procedimientos complejos para la escalabilidad de servicios.
• La programabilidad de red en tiempo real permite instalar y eliminar comportamientos de red dinámicamente.
• Es necesario una abstracción de la red de extremo a extremo para la integración de tecnologías y proveedores (programar en lugar de reestructurar).
• Aprovechar las capacidades de red existentes (plano de control) y crear un modelo de servicios y redes a través de interfaces estándar (GMPLS, NetworkConf, Yang, OpenFlow).

Provisionamiento de red: Lento

• Describe un procedimiento manual y lento para el provisioning de servicios de red.

Provisionamiento automático

• Automatiza los procesos (que antes duraban horas) en segundos.

Slicing en SDN

• La base del slicing (en SDN y 5G) es el aislamiento lógico de cada slice, independiente del resto..
• La personalización permite diseñar slices para satisfacer requisitos específicos (Ej: Alta capacidad para streaming de video, Baja latencia para aplicaciones...).
• La eficiencia en el uso de recursos optimiza el coste y la infraestructura.
• Permite una escalabilidad y flexibilidad para ajustarse a la demanda.

Northbound y Southbound (y East/Westbound)

• Northbound Interface: Interfaz que interconecta el plano de control con las aplicaciones o servicios de nivel superior, permitiendo solicitar servicios de red (Ej: configurar rutas, ancho de banda o políticas de seguridad).
• Southbound Interface: Interfaz que conecta el plano de control con el plano de datos (elementos de la red), permitiendo configurar dispositivos, instalar flujos y recopilar métricas. Los protocolos usados son (Ej: OpenFlow, NETCONF, BGP-LS, PCEP, SNMP).
• East/Westbound Interface: Facilita la comunicación y coherencia entre controladores SDN o dominios de red en grandes redes distribuidas. Se asegura la coherencia en la configuración de rutas, políticas de red y el uso de recursos. Usan protocolos como BGP, XMPP, y mensajes de sincronización específicos del fabricante. 

Detalles de OpenFlow

• OpenFlow dictan reglas de reenvío en la red.
• Los switches OpenFlow cuentan con una tabla de flujo(flow table) que define reglas para manejar los paquetes.

Hacia el plano de datos

• El controlador SDN administra el plano de control.
• El plano de datos los switch OpenFlow ejecutando las instrucciones del controlador usando las Tablas de Flujo.
• El canal de comunicación será el Protocolo OpenFlow, un protocolo seguro.

Funcionamiento de OpenFlow

• Cuando llega un paquete switch, busca una coincidencia en su tabla de flujo.
• Si encuentra una coincidencia, ejecuta la acción. Caso contrario consulta al controlador.
• El controlador define como gestionar ese paquete, lo que puede ser reenviar, descartar o modificar el paquete.
• El controlador puede administrar reglas en los switch según la necesidad.

Flow tables

• Las Flow Tables consisten de 3 partes: Ingress Processing, Group Table y Egress Processing. Destaca la identificación del paquete, coincidencia y acciones iniciales, la coordinación de operaciones complejas (como balanceo o redirecciones) y las modificaciones y selección final del puerto de salida.

Estadísticas de switches OpenFlow

• Estadísticas de puertos: tráficos transmitidos y recibidos, errores y estado del puerto.
• Estadísticas de flujos: número total de paquetes/bytes, duración de la regla de flujo.
• Estadísticas de tablas: capacidad de la tabla, estado (entradas activas, instaladas y eliminadas), paquetes coincidentes y no coincidentes.
• Estadísticas de colas: tráfico por cola, paquetes descartados.

Para qué se usan las estadísticas

• Monitoreo en tiempo real: identificar rendimiento, congestión o errores en la red.
• Optimización de tráfico: ajustar reglas y políticas para mejorar la eficiencia.
• Detección de anomalías: identificar problemas de configuración o ataques.
• Control de Calidad de Servicio (QoS): garantizar que los flujos prioritarios reciban el ancho de banda asignado.

NFV (Network Functions Virtualization)

• Virtualiza funciones de red (Firewalls, balanceadores de carga, routers) en servidores estándar.
• Reduce costes y facilita la implementación rápida de servicios de red.

SDN vs NFV

• Complementariedad: SDN centraliza el control y NFV virtualiza funciones, complementándose para una orquestación dinámica y flexible de las funciones virtuales en la red.
• Programabilidad y orquestación: SDN proporciona una base para la orquestación y configuración dinámica de las funciones virtualizadas por NFV.
• Creación de redes ágiles: SDN crea redes ágiles y flexibles adaptables a los cambios, lo que NFV usa para una rápida implementación, escalado y eliminación de servicios..
• Optimización del uso de los recursos: SDN y NFV optimizan el tráfico y conectan las funciones virtualizadas usando servidores genéricos para reducir la dependencia de hardware especializado.

Overview de arquitectura NFV (ETSI)

• Estructura para la virtualización de funciones de red.
• Describe la interacción de diversos componentes (OSS/BSS, NFV Orchestrator, VNF Managers, NFVI...).
• Las diversas áreas de operaciones, como la virtualización, gestión y ejecución de funciones, se encuentran en esta arquitectura.

SDN + NFV

• SDN y NFV funcionan conjuntamente para una orquestación más eficiente.

OpenFlow switch

• Resumen del protocolo OpenFlow, que permite a los controladores SDN establecer reglas de reenvío a los switches para manejar los paquetes.
• Incluye el concepto de tabla de flujo, la regla de coincidencia de paquetes, acción a ejecutar y un contador de paquetes.

Este cuestionario se centra en conceptos clave relacionados con las Redes Definidas por Software (SDN) y su integración con la Virtualización de Funciones de Red (NFV). A través de preguntas, podrás evaluar tu comprensión sobre temas como OpenFlow, controladores SDN y SFC. Ideal para estudiantes y profesionales que buscan profundizar en estas tecnologías modernas de red.