A Real-Time Software Defined Networking Framework for Next-Generation Industrial Networks

Industry 4.0 brings in a whole set of new requirements to engineering industrial systems, with notorious impact at the networking layer. A key challenge posed by Industry 4.0 is the operational flexibility needed to support on-the-fly reconfiguration of production cells, stations, and machines. At the networking layer, this flexibility implies dynamic packet handling, scheduling, and dispatching. SoftwareDefined Networking (SDN) provides this level of flexibility in the general Local Area Network (LAN) domain. However, its application in the industry has been hindered by a lack of support for real-time services. This paper addresses this limitation, proposing an extended SDN OpenFlow framework that includes realtime services, leveraging existing real-time data plane Ethernet technologies. We show the OpenFlow enhancements, a real-time SDN controller, and experimental validation and performance assessment. Using a proof-of-concept prototype with 3 switches and cycles of 250µs, we could achieve 1µs jitter on timetriggered traffic and a reconfiguration time between operational modes below 10msinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Migration of networks in multi-cloud environment

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitetura, Sistemas e Redes de Computadores) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018A forma como os centros de dados e os recursos computacionais são geridos tem vindo a mudar. O uso exclusivo de servidores físicos e os complexos processos para provisionamento de software são já passado, sendo agora possível e simples usar recursos de uma terceira parte a pedido, na nuvem (cloud). A técnica central que permitiu esta evolução foi a virtualização, uma abstração dos recursos computacionais que torna o software mais independente do hardware em que é executado. Os avanços tecnológicos nesta área permitiram a migração de máquinas virtuais, agilizando ainda mais os processos de gestão e manutenção de recursos. A possibilidade de migrar máquinas virtuais libertou o software da infraestrutura física, facilitando uma série de tarefas como manutenção, balanceamento de carga, tratamento de faltas, entre outras. Hoje em dia a migração de máquinas virtuais é uma ferramenta essencial para gerir clouds, tanto públicas como privadas. Os sistemas informáticos de grande escala existentes na cloud são complexos, compostos por múltiplas partes que trabalham em conjunto para atingir os seus objectivos. O facto de os sistemas estarem intimamente ligados coloca pressão nos sistemas de comunicação e nas redes que os suportam. Esta dependência do sistema na infraestrutura de comunicação vem limitar a flexibilidade da migração de máquinas virtuais. Isto porque actualmente a gestão de uma rede é pouco flexível, limitando por exemplo a migração de VMs a uma subrede ou obrigando a um processo de reconfiguração de rede para a migração, um processo difícil, tipicamente manual e sujeito a falhas. Idealmente, a infraestrutura de que as máquinas virtuais necessitam para comunicar seria também virtual, permitindo migrar tanto as máquinas virtuais como a rede virtual. Abstrair os recursos de comunicação permitiria que todo o sistema tivesse a flexibilidade de ser transferido para outro local. Neste sentido foi recentemente proposta a migração de redes usando redes definidas por software (SDN), um novo paradigma que separa a infraestrutura de encaminhamento (plano de dados) do plano de controlo. Numa SDN a responsabilidade de tomar as decisões de controlo fica delegada num elemento logicamente centralizado, o controlador, que tem uma visão global da rede e do seu estado. Esta separação do plano de controlo do processo de encaminhamento veio facilitar a virtualização de redes. No entanto, as recentes propostas de virtualização de redes usando SDN apresentam limitações. Nomeadamente, estas soluções estão limitadas a um único centro de dados ou provedor de serviços. Esta dependência é um problema. Em primeiro lugar, confiar num único provedor ou cloud limita a disponibilidade, tornando efectivamente o provedor num ponto de falha único. Em segundo lugar, certos serviços ficam severamente limitados por recorrerem apenas a uma cloud, devido a requisitos especiais (de privacidade, por exemplo) ou mesmo legais (que podem obrigar a que, por exemplo, dados de utilizadores fiquem guardados no próprio país). Idealmente, seria possível ter a possibilidade de tirar partido de múltiplas clouds e poder, de forma transparente, aproveitar as vantagens de cada uma delas (por exemplo, umas por apresentarem custos mais reduzidos, outras pela sua localização). Tal possibilidade garantiria uma maior disponibilidade, visto que a falha de uma cloud não comprometeria todo o sistema. Além disso, poderia permitir baixar os custos porque seria possível aproveitar a variação dos preços existente entre clouds ao longo do tempo. Neste contexto multi-cloud um dos grandes desafios é conseguir migrar recursos entre clouds de forma a aproveitar os recursos existentes. Num ambiente SDN, em particular, a migração de redes é problemática porque é necessario que o controlador comunique com os elementos físicos da rede para implementar novas políticas e para que estes possam informar o controlador de novos eventos. Se a capacidade de comunicação entre o controlador e os elementos de rede for afectada (por exemplo, devido a latências elevadas de comunicação) o funcionamento da rede é também afectado. O trabalho que aqui propomos tem como objectivo desenvolver algoritmos de orquestração para migração de redes virtuais, com o objectivo de minimizar as latências na comunicação controlador-switches, em ambientes multi-cloud. Para esse efeito foi desenvolvida uma solução óptima, usando programação linear, e várias heurísticas. A solução de programação linear, sendo óptima, resulta na menor disrupção possível da ligação ao controlador. No entanto, a complexidade computacional desta solução limita a sua usabilidade, levando a tempos de execução elevados. Por esta razão são prospostas heurísticas que visam resolver o problema em tempo útil e de forma satisfatória. Os resultados das nossas experiências mostram que nas várias topologias testadas algumas heurísticas conseguem resultados próximos da solução óptima. O objectivo é atingido com tempos de execução consideravelmente inferiores.The way datacenters and computer resources are managed has been changing, from bare metal servers and complex deployment processes to on-demand cloud resources and applications. The main technology behind this evolution was virtualization. By abstracting the hardware, virtualization decoupled software from the hardware it runs on. Virtual machine (VM) migration further increased the flexibility of management and maintenance procedures. Tasks like maintenance, load balancing and fault handling were made easier. Today, the migration of virtual machines is a fundamental tool in public and private clouds. However as VMs rarely act alone, when the VMs migrate, the virtual networks should migrate too. Solutions to this problem using traditional networks have several limitations: they are integrated with the devices and are hard to manage. For these reasons the logical centralisation offered by Software-Defined Networking (SDN) architectures has been shown recently as an enabler for transparent migration of networks. In an SDN a controller remotely controls the network switches by installing flow rules that implement the policies defined by the network operator. Recent proposals are a good step forward but have problems. Namely, they are limited to a single data center or provider. The user’s dependency on a single cloud provider is a fundamental limitation. A large number of incidents involving accidental and malicious faults in cloud infrastructures show that relying on a single provider can lead to the creation of internet-scale single points of failures for cloud-based services. Furthermore, giving clients the power to choose how to use their cloud resources and the flexibility to easily change cloud providers is of great value, enabling clients to lower costs, tolerate cloud-wide outages and enhance security. The objective of this dissertation is therefore to design, implement and evaluate solutions for network migration in an environment of multiple clouds. The main goal is to schedule the migration of a network in such a way that the migration process has the least possible impact on the SDN controller’s ability to manage the network. This is achieved by creating a migration plan that aims to minimize the experienced control plane latency (i.e., the latency between the controller and the switches). We have developed an optimal solution based on a linear program, and several heuristics. Our results show that it is possible to achieve results close to the optimal solution, within reasonable time frames

Data centre optimisation enhanced by software defined networking

Contemporary Cloud Computing infrastructures are being challenged by an increasing demand for evolved cloud services characterised by heterogeneous performance requirements including real-time, data-intensive and highly dynamic workloads. The classical way to deal with dynamicity is to scale computing and network resources horizontally. However, these techniques must be coupled effectively with advanced routing and switching in a multi-path environment, mixed with a high degree of flexibility to support dynamic adaptation and live-migration of virtual machines (VMs). We propose a management strategy to jointly optimise computing and networking resources in cloud infrastructures, where Software Defined Networking (SDN) plays a key enabling role