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Software-Defined Networking, Network Function Virtualization et Network Slicing Loïc Desgeorges - Thomas Begin Université Claude Bernard Lyon 1 / Laboratoire LIP [email protected]  Sources de ce cours Ces trans...

Software-Defined Networking, Network Function Virtualization et Network Slicing Loïc Desgeorges - Thomas Begin Université Claude Bernard Lyon 1 / Laboratoire LIP [email protected]  Sources de ce cours Ces transparents sont basés sur : - Des supports de cours de Jennifer Rexford (Professor at Princeton) http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/spr12/cos461/ - De la présentation “Making SDN Work” de Nick McKeown au sommet Open Networking en Avril 2012 - SDN & NFV. OpenFlow and ForCES. IETF-93, de Yaakov Stein, Evangelos Haleplidis. - D. Lopez Telefonica I+D, NFV - Tutorial 2 :: Network Functions Virtualization NFV - Perspectives, Reality and Challenges de Cesar Marcondes et Christian Esteve Rothenberg, 2015 - Des supports de cours de Francesco Bronzino (Ass. Prof. at ENS Lyon) Pour en savoir plus : - OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks. McKeown et al., 2008. - The Road to SDN: An Intellectual History of Programmable Networks. Feamster, Rexford and Zegura, 2014. - Network Functions Virtualization for Dummies, de Balamurali Thekkedath, Willey Brand. https://h20195.www2.hpe.com/V2/getpdf.aspx/4AA6- 6386ENW.pdf - Specification OpenFlow : https://opennetworking.org/wp- content/uploads/2014/10/openflow-spec-v1.3.0.pdf 2  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 3  Internet : un énorme succès Initialement une plateforme expérimentale - Projet ARPANET (1967-1972) - Entre 4 sites aux US Devenu une infrastructure de communication - multi-usage Web, P2P, VoIP, réseaux sociaux, jeux en-ligne, e- commerce, impôt… Convergence des réseaux - dimension planétaire 3.6 milliards d’utilisateurs (2017) 20 à 50 milliards de noeuds (2017) 4 Des fortes innovations en périphérie Terminaux - Plus hétérogènes (sans fil, mobiles, capteurs…), nombreux, puissants, petits … Applications - Web (forums, presse, wiki, e-commerce, e-learning…), courrier électronique, VoIP, streaming, VoD, réseaux sociaux, e-gaming,… Cloud computing - Synchronisation des données depuis partout - Accès à des ressources depuis partout (datacenters) Internet of Things (IoT) - Capteurs, objets connectés (télé, enceinte, thermostat…) - Industrie du futur, domotique, télémétrie, surveillance… - Technologies réseaux d’accès : LoRa, Sigfox, BLE, Li-Fi… Ces innovations concernent la périphérie de réseaux 5 … mais peu dans les coeurs de réseau Des progrès quantitatifs - Ex : Capacité des réseaux optiques Mbps → Tbps Une complexification des architectures - Proxy,… Mais assez peu d’innovations de ruptures - Encore en commutation de paquets Même si MPLS (~2000) - Encore des algorithmes de routage dynamique (OSPF, BGP) Pas de routage QoS - Toujours pas (ou très peu) d’ingénierie de traffic Pas d’optimisation d’un réseau en analysant son trafic 6  Gestion complexe des réseaux Dimension gigantesque - En taille et nombre de noeuds Hétérogénéité des équipements - Inter-opérabilité entre équipementiers différents - Bugs/incompatibilités dans les logiciels Jusqu’à 20 millions de lignes de code pour certains routeurs - Interfaces de contrôles propriétaires et donc différentes Algorithmes/protocoles distribués - Difficile d’anticiper ou de forcer des décisions (Ingénierie de trafic) Middleboxes - Boîtes noires (fermés et propriétaires) Erreurs commises par les opérateurs - Configuration des équipements 7  Coût élevé de déploiement et d’exploitation Un marché trop étroit - Nombre limité d’équipementiers - Environ une dizaine d’acteurs Equipements peu modulaires et évolutifs - Fermés - Logiciels livrés avec le hardware - Code source fermé et propriétaire 8  3 défis pour les coeurs de réseau Au début des années 2000, des chercheurs jugent urgent de - Lever les freins à l’innovation - Simplifier la gestion des réseaux - Baisser leurs coûts Et proposent comme réponse à ces 3 défis - Le SDN, le NFV et le network slicing Feamster, N., Rexford, J., & Zegura, E. (2014). The road to SDN: an intellectual history of programmable networks. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 44(2), 87-98. 9  3 défis pour les coeurs de réseau Feamster, N., Rexford, J., & Zegura, E. (2014). The road to SDN: an intellectual history of programmable networks. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 44(2), 87-98. 1  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 11  Plan de données & plan de contrôle Paquets de données - Transporte les données des applications Paquets de contrôle - Pour le fonctionnement du réseau Paquets de gestion - Généré par l’administrateur Plan de données - Achemine, filtre et modifie les paquets Plan de contrôle - Décide comment acheminer les paquets (calcul des routes, surveillance de la topologie, configuration automatique des équipements réseaux) Le plan de données achemine les paquets selon les règles du plan de contrôle 12  Plan de gestion Plan de gestion - Décide de politiques (QoS, ACL) Analyse les mesures Configure manuellement les équipements réseaux Fixe le poids des liens Ingénierie de trafic Le plan de gestion agit sur le plan de contrôle par l’intervention de l’admin Plan de données Plan de contrôle Plan de gestion 13  Réseaux traditionnels Plan de données Plan de gestion - Distribué ou Centralisé sur les - Distribué ou Centralisé sur les noeuds ? noeuds ? Plan de contrôle À quel plan appartiennent les routeurs ? Et les commutateurs ? - Distribué ou Centralisé sur les Les routeurs appartiennent au plan de contrôle et au plan de noeuds ? - Au plan de données et de données. contrôle Les commutateurs sont principalement impliqués dans le plan de données 16 Plan de données & plan de contrôle 17  Le plan de contrôle Souvent mis en oeuvre par des algorithmes distribués Avantage - Robustesse et tolérance aux pannes Inconvénients - Nécessite un niveau élevé d’inter-opérabilité entre les équipements réseaux - Complexe de “forcer” des opérations du plan de contrôle 18  Exemple d’ingénierie de trafic (1) 1 1 1 1 3 1 Action de l’administrateur sur le plan de contrôle - pour forcer un changement Scénario - Le lien Nord-Est sature - Comment re-router le trafic pour éviter la congestion ? 19  Exemple d’ingénierie de trafic (2) 11→5 1 1 1 3 1 L’administrateur augmente “manuellement” le poids du lien Nord-Est - Ce qui agira sur le routage dynamique - Et re-routera le trafic par le sud Ça fonctionne mais … 20  Exemple d’ingénierie de trafic (3) 1→5 1 1 1 3 1 Inconvénients - Non-automatique → lent et propice aux erreurs humaines - Complexe (pas sur cet exemple très simple) - Incohérence (temporaire) entre les noeuds → boucle de routage Peut on penser des réseaux sans plan de contrôle distribué ? - Avec un contrôle centralisé dans un contrôleur ?  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 22  Software-Defined Networking Propriétés - Un plan de contrôle centralisé dans un ou plusieurs contrôleurs - Une interface ouverte et universelle pour programmer le plan de données - Des commutateurs plus simples remplacent les routeurs complexes Fin de l’algorithmie distribuée dans les réseaux mais - Réseaux agiles et programmables - Interface de contrôle simplifiée et universelle - Développement de chaînes de traitement des paquets - Vérification formelle de la politique d’un réseau (absence de boucles, conformité à un SLA, chemin sûrs…) - Intention déclarative : déclaration de politiques (exemple : accès à des services) et mise en oeuvre automatique (et non plus configuration individuelle des équipements) Source : https://www.juniper.net/us/en/research-topics/what-is-intent-based-networking.html  Software-Defined Networking Contrôleur SDN Fin des routeursCommutateurs (de niveau 3) Contrôleur (et du routage - Simples et rapides - Intelligent dynamique) - Plan de données seulement - Vue globale - Ne sont plus des routeurs - Décide de tout 24  Routeurs et commutateurs Les routeurs des réseaux IP traditionnels ont 2 fonctions - Commutation Lire l’en-tête des paquets Plan de Consulter la table d’acheminement (routage) données Commuter le paquet - Routage Echanger avec les autres routeurs Plan de Exécuter un protocole de routage contrôle Remplir les tables d’acheminement Les commutateurs des réseaux SDN ont 1 seule fonction - Commutation Plan de données - Mais ils sont programmables 25 Comment instruire les commutateurs SDN ? Mode Réactif - 1er paquet d’un flot : le comm. interroge le contrôleur - Le contrôleur décide et en informe les commutateurs concernés Ajoute d’une nouvelle règle dans les tables d’acheminement - Réduit la taille des tables mais surcoût additionnel Mode Pro-actif - Le contrôleur pré-remplit les tables d’acheminement dans les commutateurs - Suppose des règles agrégées pour traiter tous les cas possibles - Mise à jour fréquente Souvent les 2 modes co-habitent - Ensemble de règles pré-établies + exceptions 26  Contrôleur SDN Application Applic Applic Applic monolithique Contrôleur ation 1 ation 2 ation 3 remplacée par SDN des modules OS spécialisés Entrées Sorties - Topologie du réseau (changements) - Instructions/Règles à - Statistiques sur le trafic instaurer/révoquer pour - 1er paquets des flots (mode l’acheminement des données réactif) destinées aux commutateurs 27  La pile SDN Simple Switch CloudNaaS Stratos … Applications Pas normalisée Interface Nord Open Beaco Flood NOX n Dayligh Light Onos Ryu … Contrôleur t OpenFlow Interface Sud Commutateurs commerciaux académiques OpenVSwitch Commutateurs HP, NEC, Pronto, Juniper… NetFPGA OpenFlow … 28  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 29  Format des règles pour le traitement des paquets (plan de données) - correspondance : selon les en-têtes des paquets - action : supprimer, expédier, modifier ou transmettre au contrôleur - priorité : arbitrer si plusieurs correspondances possibles - compteur : #octets and #paquets pour chaque règle 1. src=1.2.*.*, dest=3.4.5.* → drop 2. src=*.*.*.*, dest=3.4.*.* → forward(2) 3. src=10.1.2.3, dest=*.*.*.* → send to controller 3  2 langages de programmation - **OpenFlow** gère le contrôle et l'acheminement des flux. - **P4** permet de personnaliser le traitement des paquets dans les équipements Résumé : OpenFlow = simple mais limité ; P4 = programmable et très flexible.. OpenFlow : programmation du plan de contrôle P4 : programmation du plan de données 31 Unifie différents types d’équipements Routeur Pare Feu (“Firewall”) - correspondance: - correspondance: plus long préfixe IP adresses IP et partagé (BPM) #ports (TCP/UDP) - action: réexpédier - action: autoriser ou sur un lien refuser Commutateur NAT (“Switch”) - correspondance: - correspondance: adresse IP et #port adresse MAC destination - action: réécritr les adresses et ports - action: réexpédier ou innonder Equilibreur de charges - …  SDN en pratique : construction de la table des flux des switchs c1 Packet In - Correspondance : Destination depuis - Requête du switch Flow Mod ℎ1 𝑠1 𝑠2 ℎ2 - Correspondance : Destination depuis Src Srch Dst Action - Action : transmettre à H1 H2 S2 - Direction du contrôleur H2 H1 H1 Partie Action pour dire Partie Correspondance pour identifier lequoi fluxfaire avec ce flux En réalité, l’action correspond au port relié au switch  SDN en pratique : utilisation de la table des flux des switchs c1 Le contrôleur avait écrit la règle - Application de la règle et pas besoin de passer par une requête - En réalité, les règles ne sont pas éternelles (temps de vie ou suppression manuelle par le contrôleur) ℎ1 𝑠1 𝑠2 ℎ2 - Paramètre supplémentaire : Idle time Src Dst Action H1 H2 S2 H2 H1 H1  Format d’une règle OpenFlow Correspondance Action Compteur unités : paquets et octets traités 1. Expédier le paquet sur le(s) port(s) pour assurer la rétro- 2. Encapsuler and expédier le paquet au contrôleur comptabilité dans un 3. Supprimer le paquet réseau non OpenFlow 4. Envoyer au “pipeline” de traitement habituel avec Type 1 5. Modifier certains champs de l’en-tête 6. Chiffrer certaines données MAC MAC #port #port Eth type IP src IP dst IP prot Port src dst src dst VLAN commut ID ateur Couche 2 Couche 3 Couche 4  Exemple de règles OpenFlow Port VLAN Eth IP #port #port Fonction MAC src MAC dst IP src IP dst Action entrée ID type prot src dst Routeur * * * * * * 5.6.*.* * * * Port6 Proactives Comm. * * * 00:1f.. * * * * * * Port 6 (paquet) Comm. Port6, Port 7, * Vlan1 * 00:1f.. * * * * * * VLAN Port 8 Pare-feu * * * * * * * * * 22 Drop Comm. 1726 Port 3 Vlan1 00:20.. 00:1f.. 0800 1.2.3.4 5.6.*.* * 4 Port 6 flux 4 1 Réactives Send to ??? * * * * * 10.1.2.3 * * * * controller Permet d’émuler les fonctions de presque tous les équipements réseaux  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 37  Exemple d’applications SDN Contrôle d’accès dynamique Mobilité sans interruption Equilibrage de charge des serveurs Utilisation de plusieurs points d’accès sans fil 38  Contrôle d’accès dynamique Inspecte le premier paquet d’une connexion (flux) Consulte la politique de contrôle d’accès Contrôleur Implémente les règles pour bloquer ou router le SDN trafic ??? route 39  Mobilité sans interruption Découvre que l’hôte s’est déplacé Contrôleur Modifie les règles pour re-router son trafic SDN ??? après avant 40  Equilibrage de charge des serveurs Pré-implémente les politiques d’équilibrage de charge Scinde le trafic en fonction de la @IP source Contrôleur Serveur répliqué SDN route 1 src=0* src=1* route 2 41  Détection d’attaque Analyse des statistiques pour rechercher des anomalies Contrôleur Cible SDN Statistiques Attaquants 42  SDN & OpenFlow dans le monde Open Networking Foundation - Google, Facebook, Microsoft, Yahoo, Verizon, Deutsche Telekom, et beaucoup d’autres Commercialisation de commutateurs OpenFlow - HP, NEC, Quanta, Dell, IBM, Juniper,… Network OS - NOX, Beacon, Floodlight, Nettle, ONIX, Frenetic Déploiement actuel - Plusieurs campus et réseaux commerciaux (2018) - Google (2021) Réseau B2 : MPLS accès clients vers ses datacenters Réseau B4 : SDN pour l’interconnexion entre ses datacenters - CISCO : solution ACI (Application Centric Infrastructure) pour les datacenters - SD-WAN et 5G  Enjeu en SDN : sécurité Kreutz, D., Ramos, F. M., & Verissimo, P. (2013, August). Towards secure and dependable software-defined networks. In Proceedings of the second ACM SIGCOMM workshop on Hot topics in software defined networking (pp. 55-60). 44  Contrôleur SDN Un ou plusieurs ? Le passage à l'échelle fait référence à la capacité d'un - passage à l’échelle réseau à s'adapter à une augmentation de la charge de travail - Fiabilité (un unique point de défaillance) - Vulnérabilité (cyber sécurité) Réplication ou partition (arborescence) Où les situer ? Comment les faire communiquer ? Comment garantir une qualité de service malgré la latence introduite Autant de sujets de recherche 45  Contrôleur distribué Pour faciliter le Application du passage à l’échelle et Application du contrôleur la fiabilité contrôleur Network OS partitionne et réplique Network OS Hiérarchique ? Horizontale ? 4  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et. P4 NFV représente une avancée significative dans la façon dont les fonctions réseau sont conçues, déployées et gérées. En virtualisant ces fonctions, 5. Applications SDN NFV offre des avantages en termes de coûts, de flexibilité, d'évolutivité et d'automatisation. Combiné 6. NFV avec SDN, NFV crée une infrastructure réseau plus agile et adaptable, capable de répondre aux défis et 7. Network slicing aux opportunités du paysage numérique moderne. 8. Défis restants 47  Network Functions Virtualization Remplacer les équipements réseaux matériels (fermés, chers et peu évolutifs) - par du logiciel spécialisé s’exécutant sur du matériel standard Softwarization du réseau - Fonction VNF (Virtualized Network Function) : émule une fonction réseau 49  Routeurs & Commutateurs VNFVNFVNFVNFVNFVNFVNFVNFVNFVNFVNFVNF —— Interface ouverte —— Fonctionnalités spécialisées Plan de Plan de Plan de contrôle ou contrôle ou contrôle Plan de contrôle spécialisé —— Interface ouverte —— Hardware Circuits intégrés spécialisé commerciaux Horizontal Intégration verticale, interfaces ouvertes, fermé, propriétaire, innovation rapide, innovation lente 50 nombreux acteurs  Un réseau plus agile Les fonction VNF peuvent être hébergées dans une VM - Possible d’allumer/déplacer/éteindre les fonctions selon la demande Migration de VM, Proximité des clients (Folllow-the-sun) Exemples de fonctions VNF - Commutation: switch, routeur, NAT - Noeuds des réseaux mobiles : NodeB, eNodeB - Noeuds résidentiels : routeur domestique et box internet - Passerelles : IPSec/SSM VPN gateways, IPv4-IPv6 conversion, encapsulation, tunelling - Analyse de traffic : DPI, mesure de QoE - Converged and network-wide functions : serveurs AAA, policy control, charging platforms - Optimisation des applications : CDN, serveur cache, équilibreur de charge, accélérateur applicatif - Fonctions de sécurité : firewall, anti-virus, IDS/IPS, filtre anti-spam 51  Exemples de fonctions Commutateur simple - Aussi appelé vSwitch - Typiquement déployé sur l’hyperviseur (ou une VM) - Exemple de logiciel : Open vSwitch - Exemple de librairie spécialisée : DPDK, netmap - Performances : débit de plusieurs dizaine de Gbps Exemple d’un vSwitch avec 3 VMs Physical Machine VM1 VM1 VM2 VM 1 VM 2 VM 3 vSwitch DPDK Hardware vSwitch Logical Ports 52 Physical Ports  Déploiement actuel du NFV Réseaux 5G Routeurs virtuels - OpenvSwitch (OVS) Avec librairie DPDK Parefeux - pfSense, OPNsense (basés sur FreeBSD) 53  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données SDN (Software-Defined Networking) : La gestion et 3. SDN l'orchestration des slices reposent souvent sur des principes SDN, permettant une configuration et une 4. OpenFlow et P4 gestion centralisées. NFV (Network Functions Virtualization) : Les 5. Applications SDN fonctions réseau virtualisées sont déployées dans les tranches pour offrir des services variés sans dépendre de matériel physique spécifique. 6. NFV 7. Network slicing Network slicing est une technique clé utilisée dans les réseaux modernes, en particulier dans les réseaux 5G, qui permet de créer plusieurs 8. Défis restants réseaux virtuels isolés sur une infrastructure physique partagée. 54  Virtualisation des serveurs Très courant dans les datacenters Plusieurs VMs partagent les ressources d’une PM - Ressources propres ou partagées L’hyperviseur gère la création/destruction des VMs Avantage : mutualisation des ressources VM1 VM2 Hypervisor Hardware 55  Virtualisation des réseaux 3 réseaux virtuels isolés sur une même infrastructure Réseau 1 Réseau 2 Réseau 3 Partage d’une même infrastructure Network slicing = Faire cohabiter “indépendamment” plusieurs réseaux sur une même infrastructure physique 56  Network slicing 3 techniques principales utilisées - Description d’un slice en un ensemble de fonctions réseaux Briques fonctionnelles élémentaires - Virtualisation NFV pour s’abstraire des resources physiques - Orchestration Contrôleur SDN pour allouer les resources Au coeur de la 5G pour permettre le déploiement de réseaux différents (QoS) sur une même infrastructure 57  Avantages du NFV Utiliser du matériel standard (COTS hardware) - Réduire les coûts de déploiement et d’exploitation - Economies d’échelle Réduire les délais / cycles de développement et de déploiement Consolidation du parc informatique - Réduire consommation électrique Développer un réseau plus souple et dynamique - Déplacer des fonctions réseaux vers les datacenters, POPs ou selon la demande Permettre le Network Slicing - Faire cohabiter (indépendamment) plusieurs réseaux sur une même infrastructure physique 5  Plan 1. Introduction 2. Plan de contrôle & Plan de données 3. SDN 4. OpenFlow et P4 5. Applications SDN 6. NFV 7. Network slicing 8. Défis restants 60  SDN & NFV Ensemble, SDN et NFV permettent Un réseau programmable et agile - Allocation dynamique des ressources - Meilleur contrôle (+ direct et + fin) sur le plan de données - Les opérateurs (datacenters, FAI, entreprises…) pourront programmer leurs réseaux - Infrastructure as Code (IaC) 64  Défis restants Délai induit par le contrôleur SDN en mode réactif - Surcoût du temps de réponse Disponibilité du contrôleur SDN - Performances si montée en charge Fiabilité du contrôleur SDN - Tolérance aux pannes (single point of failure) Sécurisation du contrôleur SDN - Protection aux attaques Performances des commutateurs NFV - Librairies spécialisées Sécurisation du network slicing - Réseaux virtuels : différents mais indépendants ? 65 Fin du Cours 67