Une architecture parallèle distribuée et tolérante aux pannes pour le protocole interdomaine BGP au cœur de l’Internet

L’augmentation du nombre d’usagers de l’Internet a entraîné une croissance exponentielle dans les tables de routage. Cette taille prévoit l’atteinte d’un million de préfixes dans les prochaines années. De même, les routeurs au cœur de l’Internet peuvent facilement atteindre plusieurs centaines de connexions BGP simultanées avec des routeurs voisins. Dans une architecture classique des routeurs, le protocole BGP s’exécute comme une entité unique au sein du routeur. Cette architecture comporte deux inconvénients majeurs : l’extensibilité (scalabilité) et la fiabilité. D’un côté, la scalabilité de BGP est mesurable en termes de nombre de connexions et aussi par la taille maximale de la table de routage que l’interface de contrôle puisse supporter. De l’autre côté, la fiabilité est un sujet critique dans les routeurs au cœur de l’Internet. Si l’instance BGP s’arrête, toutes les connexions seront perdues et le nouvel état de la table de routage sera propagé tout au long de l’Internet dans un délai de convergence non trivial. Malgré la haute fiabilité des routeurs au cœur de l’Internet, leur résilience aux pannes est augmentée considérablement et celle-ci est implantée dans la majorité des cas via une redondance passive qui peut limiter la scalabilité du routeur. Dans cette thèse, on traite les deux inconvénients en proposant une nouvelle approche distribuée de BGP pour augmenter sa scalabilité ainsi que sa fiabilité sans changer la sémantique du protocole. L’architecture distribuée de BGP proposée dans la première contribution est faite pour satisfaire les deux contraintes : scalabilité et fiabilité. Ceci est accompli en exploitant adéquatement le parallélisme et la distribution des modules de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Dans cette contribution, les fonctionnalités de BGP sont divisées selon le paradigme « maître-esclave » et le RIB (Routing Information Base) est dupliqué sur plusieurs cartes de contrôle. Dans la deuxième contribution, on traite la tolérance aux pannes dans l’architecture élaborée dans la première contribution en proposant un mécanisme qui augmente la fiabilité. De plus, nous prouvons analytiquement dans cette contribution qu’en adoptant une telle architecture distribuée, la disponibilité de BGP sera augmentée considérablement versus une architecture monolithique. Dans la troisième contribution, on propose une méthode de partitionnement de la table de routage que nous avons appelé DRTP pour diviser la table de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Cette contribution vise à augmenter la scalabilité de la table de routage et la parallélisation de l’algorithme de recherche (Best Match Prefix) en partitionnant la table de routage sur plusieurs nœuds physiquement distribués.The increasing number of end users has led to an exponential growth in the Internet routing table. The routing table is expected to reach a size of one million prefixes within the coming few years. Besides, current core routers may easily attain hundreds of connected BGP peers simultaneously. In classical monolithic architecture, the BGP protocol runs as a single entity inside the router. This architecture suffers from two drawbacks: scalability and reliability. BGP scalability can be measured in terms of the number of connected peers that can be handled and the size of the routing table. On the other hand, the reliability is a critical issue in core routers. If the BGP instance inside the router fails, all peers’ connections will shutdown and the new reachability state will be propagated across the Internet in a non trivial convergence delay. Although, in current core routers, the resiliency is increased considerably, it’s mainly implemented via a primary-backup redundancy scheme which limits the BGP scalability. In this thesis we address the two mentioned BGP drawbacks by proposing a novel distributed approach to increase both scalability and reliability of BGP without changing the semantic of the protocol. The BGP distributed architecture in the first paper is built to satisfy both requirements: scalability and reliability by adequately exploiting parallelism and module separation. In our model, BGP functionalities are split in a master-slave manner and the RIB (Routing Information Base) is replicated to multiple controller cards, to form a cluster of parallel computing entities. In the second paper, we address the fault tolerance of BGP within the distributed architecture presented in the first paper. We prove analytically that, by adopting the distributed architecture of BGP the availability of BGP will be increased considerably versus a monolithic architecture. In the third paper we propose a distributed parallel scheme called DRTP to partition the BGP routing table on multiple controller cards. DRTP aims at increasing the BGP scalability and the parallelization of the Best Match Prefix algorithm

Virtualization and Distribution of the BGP Control Plane

L'Internet est organisé sous la forme d'une multitude de réseaux appelés Systèmes Autonomes (AS). Le Border Gateway Protocol (BGP) est le langage commun qui permet à ces domaines administratifs de s'interconnecter. Grâce à BGP, deux utilisateurs situés n'importe où dans le monde peuvent communiquer, car ce protocole est responsable de la propagation des messages de routage entre tous les réseaux voisins. Afin de répondre aux nouvelles exigences, BGP a dû s'améliorer et évoluer à travers des extensions fréquentes et de nouvelles architectures. Dans la version d'origine, il était indispensable que chaque routeur maintienne une session avec tous les autres routeurs du réseau. Cette contrainte a soulevé des problèmes de scalabilité, puisque le maillage complet des sessions BGP internes (iBGP) était devenu difficile à réaliser dans les grands réseaux. Pour couvrir ce besoin de connectivité, les opérateurs de réseaux font appel à la réflection de routes (RR) et aux confédérations. Mais si elles résolvent un problème de scalabilité, ces deux solutions ont soulevé des nouveaux défis car elles sont accompagnées de multiples défauts; la perte de diversité des routes candidates au processus de sélection BGP ou des anomalies comme par exemple des oscillations de routage, des déflections et des boucles en font partie. Les travaux menés dans cette thèse se concentrent sur oBGP, une nouvelle architecture pour redistribuer les routes externes à l'intérieur d'un AS. `A la place des classiques sessions iBGP, un réseau de type overlay est responsable (I) de l'´echange d'informations de routage avec les autres AS, (II) du stockage distribué des routes internes et externes, (III) de l'application de la politique de routage au niveau de l'AS et (IV) du calcul et de la redistribution des meilleures routes vers les destinations de l'Internet pour tous les routeurs clients présents dans l'AS. ABSTRACT : The Internet is organized as a collection of networks called Autonomous Systems (ASes). The Border Gateway Protocol (BGP) is the glue that connects these administrative domains. Communication is thus possible between users worldwide and each network is responsible of sharing reachability information to peers through BGP. Protocol extensions are periodically added because the intended use and design of BGP no longer fit the current demands. Scalability concerns make the required internal BGP (iBGP) full mesh difficult to achieve in today's large networks and therefore network operators resort to confederations or Route Reflectors (RRs) to achieve full connectivity. These two options come with a set of flaws of their own such as route diversity loss, persistent routing oscillations, deflections, forwarding loops etc. In this dissertation we present oBGP, a new architecture for the redistribution of external routes inside an AS. Instead of relying on the usual statically configured set of iBGP sessions, we propose to use an overlay of routing instances that are collectively responsible for (I) the exchange of routes with other ASes, (II) the storage of internal and external routes, (III) the storage of the entire routing policy configuration of the AS and (IV) the computation and redistribution of the best routes towards Internet destinations to each client router in the AS