A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Analysis to Prevent Case Cading Failure for Controller Placement in Software-Defined Networking and its Implementation Using Dynamic Switch Assignment

The control and data planes are decoupled in programming portrayed getting sorted out (SDN), which enables the two planes to progress unreservedly, and accomplishes various advantages like high flexibility, programmability, and quick execution of new association shows. Regardless, to improve the versatility of the control plane as of now, some control functionalities are added to the data plane, which is probably going to influence on the agreement of the data plane. The basic trial of adding control functionalities to the data plane is to track down some sort of congruity between the agreement of the data plane and the versatility of the control plane. We propose some fundamental guidelines that both control and data planes should adjust to, considering the formative example of SDN. Moreover, we receive two methodologies for reference according to the principles, seen from the control messages in OpenFlow-based SDN. Our evaluations display that the systems can keep up the distortion of the data plane and improve the flexibility of the control plane

Review of Path Selection Algorithms with Link Quality and Critical Switch Aware for Heterogeneous Traffic in SDN

Software Defined Networking (SDN) introduced network management flexibility that eludes traditional network architecture. Nevertheless, the pervasive demand for various cloud computing services with different levels of Quality of Service requirements in our contemporary world made network service provisioning challenging. One of these challenges is path selection (PS) for routing heterogeneous traffic with end-to-end quality of service support specific to each traffic class. The challenge had gotten the research community\u27s attention to the extent that many PSAs were proposed. However, a gap still exists that calls for further study. This paper reviews the existing PSA and the Baseline Shortest Path Algorithms (BSPA) upon which many relevant PSA(s) are built to help identify these gaps. The paper categorizes the PSAs into four, based on their path selection criteria, (1) PSAs that use static or dynamic link quality to guide PSD, (2) PSAs that consider the criticality of switch in terms of an update operation, FlowTable limitation or port capacity to guide PSD, (3) PSAs that consider flow variabilities to guide PSD and (4) The PSAs that use ML optimization in their PSD. We then reviewed and compared the techniques\u27 design in each category against the identified SDN PSA design objectives, solution approach, BSPA, and validation approaches. Finally, the paper recommends directions for further research