Architecture of a cloud-based fault-tolerant control platform for improving the QoS of social multimedia applications on SD-WAN

Social media application are becoming multimedia centric with live and stored video, audio, augmented reality, haptic, etc. emerging as the main categories of traffic. Their QoS requirements are more stringent than their legacy counterparts. At the carrier level, Software Defined – Wide Area Network (SD-WAN) is one of the promising technologies for transporting these multimedia traffic. A SD-WAN will typically have a mesh of centralized controllers managing the networking infrastructure. Reliable operations of these controllers are a key requirement for the successful operation of the WAN. Controller failure will prevent the forwarding switches from communicating with the controller. This will prevent the switches from forwarding any new traffic, as well as flow entries from existing traffic will also time out after a period bringing the network to a standstill. Rebooting a controller or starting a new one will introduce delays degrading the QoS. This research presents an architecture for handling controller failure via transparent migration of the controller load in a semi-meshed controller environment. The architecture includes a real time cloud-based centralized storage of the flow states north of the controllers and a virtualized connection management unit at the south. The results demonstrate that the proposed model can transparently handle controller failure without affecting the QoS

Estudio de redes definidas por software (SDN) y su aplicación a la ingeniería de tráfico

La complejidad física de la red actual y la gran cantidad de protocolos existentes en entornos en los que abundan las implementaciones propietarias dificultan en gran medida una gestión eficiente de la red. Esto ha hecho que se opte por la búsqueda de una solución más flexible y que permita gestionar de manera eficiente los recursos disponibles. De este modo, debido a las necesidades actuales, nacen las redes definidas por software (Software Defined Networking (SDN)). Este nuevo paradigma introduce una nueva forma de ver las redes, haciendo que el plano de datos y el de control se encuentren totalmente desacoplados. Así, SDN permite una centralización de la red por medio de un controlador central, además de facilitar en gran medida la gestión de los equipos en entornos multi-vendor gracias al protocolo OpenFlow. Todo esto hace que la complejidad de las redes se vea reducida y se incremente su agilidad y escalabilidad. Además, el proceso de innovación en este campo se ve beneficiado en gran medida debido al hecho de tratarse de redes programables. En este TFG se ha estudiado la aplicación de las redes definidas por software a la Ingeniería de Tráfico (Traffic Engineering (TE)), que engloba la aplicación de la tecnología y los principios científicos a la medida, caracterización, modelado y control de tráfico de Internet. Se expondrán las limitaciones de las redes actuales y cómo SDN es capaz de solventar algunos de estos problemas mediante la integración de las ventajas que introduce este nuevo paradigma con las de las tecnologías utilizadas hasta ahora. De esta unión nacen arquitecturas como la basada en PCE (Path Computation Element), que permitirá introducir en el funcionamiento de SDN este elemento, encargado exclusivamente del aprovisionamiento de recursos a los equipos de red. Esta arquitectura servirá como referencia para realizar una implementación propia, que se utilizará para estudiar y analizar el potencial de la definición de redes mediante software y el control centralizado que permiten realizar sobre la red. De esta manera, se pretenden sentar las bases para futuros trabajos, creando herramientas modulares y flexibles que permitan añadir complejidad al entorno fácilmente. En cuanto al desarrollo del trabajo, en primer lugar, se ha seleccionado el software necesario para poder realizar la implementación del escenario escogido. Mininet, un software especialmente orientado al estudio de SDN y el protocolo OpenFlow, ha permitido la creación de topologías de red virtuales controladas mediante el controlador de código abierto OpenDaylight (ODL), mientras que los demás módulos se han implementado mediante script en Python. Verificado el funcionamiento de la implementación realizada, comparando los resultados con escenarios de referencia sin SDN, se ha estudiado la viabilidad de la solución para realizar Ingeniería de Tráfico. Para ello, se ha estudiado el overhead de señalización generado en diversos escenarios, así como la capacidad de adecuar la provisión de recursos en la red a demandas dinámicas del tráfico y anomalías detectadas en la red, proporcionando selectivamente los caminos necesarios. En conclusión, se ha confirmado la flexibilidad de SDN, así como su potencial escalabilidad, generando un adecuado punto de partida para nuevos estudios de mayor profundidad

Análisis de protocolos de enrutamiento en redes definidas por software (Software Defined Networks)

En este trabajo, se evidencia que la clave de SDN es desarrollar redes de comunicaciones en las cuales se desacopla el plano de control de los elementos de hardware. El controlador asume y centraliza las funciones de control, de tal manera que se puede administrar el tráfico de la red sin tener que tocar los elementos individualmente, diferenciando a estas redes de las tradicionales y simplificando las tareas de administración de flujos. De acuerdo con unas pocas reglas en SDN se obtuvo un aprovechamiento eficaz del ancho de banda para cada flujo, juntos o separados. Esta tarea fue sencilla y no requirió la aplicación de protocolos específicos, tramo a tramo. Es de destacar el aumento de la performance en SDN con una simple división de tráficos. En redes tradicionales se aplicó OSPF y Servicios Diferenciados. Esto se evidencia en que la variación de retardo para SDN es de 0,75 mseg promedio contra un promedio de 8 mseg para redes tradicionales.Asesor científico: María Claudia Abeledo.Facultad de Informátic

Um orquestrador flexível de recursos de rede e computação para o aprimoramento de qualidade de serviço (QoS) em aplicações multimídia baseadas em funções virtualizadas de rede (NFV)

People and organizations around the globe use multimedia applications for interaction and communication. There is notable traffic growth characteristic of these applications since there is a convergence of voice and data for a single transport model. Computer networks, because they support such applications, meet the challenges and business opportunities that operators have taken advantage of. On the other hand, users use services with increasingly refined qualities, nevertheless, there are aspects that must be addressed to raise the quality of experience for users when consuming services offered over the internet. QoS metrics are usually user-based or network-based, hence concepts such as NFV and SDN allow to improve and expand the perspective of offering an abstraction layer for the development of flexible solutions that deal with multimedia applications offered in the cloud. Nevertheless, the construction of these solutions must be based on intrinsic aspects to the Future Internet concept that advocates virtualized solutions, flexible, convergent, scalable, context-aware, secure and better managed. This dissertation proposes an approach to mitigate the distance of the applications with the resources of compute and network. Usually, the applications are unaware of the hardware characteristics on which they operate, as for the network, even with several efforts at various levels of the protocol stack, the specificities of running applications are unknown. There is also challenges of managing global resources, integrating policies and service agreements between operators. This work aims to add a management layer to raise the levels of QoS for multimedia applications based on NFV. To accomplish this, an entity that acts on the data and control plane is proposed, capable of orchestrating network and computing resources simultaneously to enhance QoS in multimedia applications. The incorporation of this entity achieves QoS improvement through resiliency in the end-to-end communication of the consumer entity of these applications, provides adequate load balancing in order to avoid compromising QoS parameters such as response time, provides on-demand scalability, improves the concept of package inspection for the segmentation of application-oriented network policies, and finally performs the separation of data and control plane. The construction and experimentation of the solution allowed to reduce response times in the multimedia applications. The solution reacted adequately to heterogeneous workloads in order to provide reliability for QoS guarantee. Furthermore, the concept of packet inspection was able to act to decrease the distance that the applications have from the network and the hardware on which they operate.Dissertação (Mestrado)Pessoas e organizações ao redor do globo utilizam aplicações multimídia para interação e comunicação. Existe notável crescimento de tráfego característico dessas aplicações, uma vez que há convergência de voz e dados para um modelo único de transporte. As redes de computadores, por suportar tais aplicações cadenciam desafios e oportunidades de negócios que os operadores têm aproveitado. Por outro lado, os usuários experimentam serviços com qualidades cada vez mais refinados, mesmo assim, existem aspectos que devem ser tratados para elevar a qualidade de experiência percebida pelos usuários ao consumir serviços ofertados sobre a internet. Métricas de QoS usualmente são baseadas nos usuários ou na rede, por isso, conceitos como NFV e SDN permitem aprimorar e expandir a perspectiva de oferta de uma camada de abstração para desenvolvimento de soluções flexíveis, que visam lidar com aplicações multimídia ofertadas em nuvem. Não obstante, a construção dessas soluções deve ser calcada em aspectos intrínsecos ao conceito de Internet do Futuro que preconiza soluções virtualizadas, flexíveis, convergentes, escaláveis, orientadas a contexto, seguras e melhor gerenciadas. Este trabalho propõe uma abordagem para mitigar a distância das aplicações com os recursos de rede e computação. Usualmente as aplicações desconhecem características de hardware sobre o qual elas operam; quanto a rede, mesmo com esforços em vários níveis da pilha de protocolos, desconhece especificidades das aplicações em execução. Há também dificuldade de gerenciamento global de recursos, integração de políticas e acordos de serviço entre operadores. O trabalho visa adicionar uma camada de gerenciamento para elevar os níveis de QoS para aplicações multimídia baseadas em NFV. Para realizar isso, é proposto uma entidade que atua no plano de dados e controle, capaz de orquestrar recursos de rede e de computação simultaneamente para aprimorar QoS em aplicações multimídia. A incorporação dessa entidade conquista melhoramento de QoS por meio da oferta de resiliência na comunicação fim-a-fim de entidades consumidoras dessas aplicações, provê um balanceamento de carga adequado a fim de não comprometer parâmetros de QoS como tempo de resposta, provê escalabilidade sob demanda, promove o conceito de inspeção de pacotes para segmentação de políticas de rede orientada à aplicação, finalmente realiza a separação de plano de dados e controle. A construção e experimentação da solução permitiu diminuir tempos de resposta nas aplicações multimídia; a solução reagiu adequadamente frente a cargas de trabalho heterogêneas no sentido de prover confiabilidade para garantia de QoS; também, o conceito de inspeção de pacotes foi capaz de atuar para diminuir a distância que as aplicações possuem da rede e o hardware sobre o qual elas operam