ENHANCED VISIBILITY AND FORWARDING IN A TELCOMMUNICATION DATA CENTER FABRIC

In current telecommunication (telco) deployments, data center networks do not have visibility into subscriber traffic and cannot apply functions related to the subscriber traffic. Techniques presented herein provide for a methodology through which a General Packet Radio Service (GPRS) Tunneling Protocol (GTP) tunnel ID (TEID) in a packet GTP header can be used as endpoint security group classification criteria. Classifying packets into security groups may allow for aggregating subscriber mobile traffic and for facilitating the enforcement of granular policies

Optimization of BGP Convergence and Prefix Security in IP/MPLS Networks

Multi-Protocol Label Switching-based networks are the backbone of the operation of the Internet, that communicates through the use of the Border Gateway Protocol which connects distinct networks, referred to as Autonomous Systems, together. As the technology matures, so does the challenges caused by the extreme growth rate of the Internet. The amount of BGP prefixes required to facilitate such an increase in connectivity introduces multiple new critical issues, such as with the scalability and the security of the aforementioned Border Gateway Protocol. Illustration of an implementation of an IP/MPLS core transmission network is formed through the introduction of the four main pillars of an Autonomous System: Multi-Protocol Label Switching, Border Gateway Protocol, Open Shortest Path First and the Resource Reservation Protocol. The symbiosis of these technologies is used to introduce the practicalities of operating an IP/MPLS-based ISP network with traffic engineering and fault-resilience at heart. The first research objective of this thesis is to determine whether the deployment of a new BGP feature, which is referred to as BGP Prefix Independent Convergence (PIC), within AS16086 would be a worthwhile endeavour. This BGP extension aims to reduce the convergence delay of BGP Prefixes inside of an IP/MPLS Core Transmission Network, thus improving the networks resilience against faults. Simultaneously, the second research objective was to research the available mechanisms considering the protection of BGP Prefixes, such as with the implementation of the Resource Public Key Infrastructure and the Artemis BGP Monitor for proactive and reactive security of BGP prefixes within AS16086. The future prospective deployment of BGPsec is discussed to form an outlook to the future of IP/MPLS network design. As the trust-based nature of BGP as a protocol has become a distinct vulnerability, thus necessitating the use of various technologies to secure the communications between the Autonomous Systems that form the network to end all networks, the Internet

Planning tools for MPLS networks

Verkot, joissa MPLS-tekniikkaa (Multi Protocol Label Switching) käytetään pakettien reitittämiseen, kasvavat jatkuvasti yhä suuremmiksi ja toiminnallisuus, jota verkoissa tarvitaan, monipuolistuu koko ajan. Tämän syyn vuoksi verkon suunnittelija tarvitsee yhä parempia apuvälineitä, jotta suunnittelu olisi onnistunutta, optimaalista ja tuottaisi halutun tuloksen. Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää tärkeimmät toiminnallisuudet ja ominaisuudet, joita MPLS-verkkojen suunnitteluun laadittu työkalu vaatii. Diplomityö on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa valotetaan MPLS-verkkojen käyttämää tekniikkaa. Tuossa osiossa käydään läpi tekniikat ja protokollat, joita MPLS-verkot käyttävät erinäisiin tehtäviin. Ensin käydään läpi yleisesti miksi MPLS-tekniikkaa ylipäätään tarvitaan ja miksi sitä käytetään verkkojen reitittämiseen. Tämän jälkeen tarkastellaan MPLS-protokollan otsikkokenttää ja sen osien käyttötarkoitukset selitetään. Sitten tarkastellaan MPLS-verkon rakennetta ja siihen kuuluvia laitteita. Seuraavaksi siirrytään osioon, joka selvittää kaikki yleisesti MPLS-polkujen rakentamiseen käytettävät protokollat ja miten ne eroavat toisistaan. Tämän jälkeen kerrotaan MPLS-vuonohjauksesta Differentiated Services-tekniikan avulla ja siitä miten se auttaa erilaisten liikenneluokkien erittelyssä MPLS-liikenteessä. Viimeinen kohta tässä osassa listaa erilaiset VPN-yhteydet, jotka ovat mahdollisia MPLS-tekniikkaa käytettäessä. Osio selventää näiden tekniikoiden eroavaisuudet ja mahdollisuudet, joita nämä MPLS-tekniikan avulla toteutettavat VPN-yhteydet suovat verrattuna aiempiin VPN-toteutuksiin. Toinen osa tässä diplomityössä kertoo verkon suunnittelusta. Ensin käydään läpi verkon suunnittelua yleisellä tasolla. Tämä osa sisältää verkon suunnittelun eri vaiheet pääosittain: erilaiset ennustusmallit esitellään ja selvitetään mitoituksen ja vuonohjauksen rooli verkkosuunnittelussa. Näiden jälkeen siirrytään yleisestä verkonsunnittelusta osioihin, joita käytetään MPLS-verkon suunnittelussa ja joiden yleisesti oletetaan tai halutaan löytyvän MPLS-verkkoihin tarkoitetusta suunnittelutyökalusta. Viimeinen kohta kertoo toiminnallisuus- ja skaalautuvuushaasteista, joihin MPLS:n on tekniikkana vastattava nykypäivänä. Kolmannessa osiossa tarkastellaan kahta eri suunnittelutyökalua, jotka on laadittu MPLS-verkkojen suunnitelua varten: WANDL-yhtiön julkaisemaa IP/MPLSView:ta ja Aria Networks Oy:n julkaisemaa iVNT:ta. Tässä osiossa käydään läpi näiden työkalujen toiminnallisuutta kertomalla erilaisista simulaatiomahdollisuuksista, joita kumpikin työkalu tarjoaa. Lisäksi kerrotaan mitä toimintoja ja protokollia näihin työkaluihin on mallinnettu, miten hyvin työkalut skaalautuvat kaupallisten MPLS-verkkojen tarpeisiin ja minkälaisita moduuleista työkalut on rakennettu. Työn lopussa on pohdittu näiden kolmen osion perusteella, että mitkä ominaisuudet tulisi ottaa huomioon MPLS-verkon suunnittelutyökalua laadittaessa ja millä tavalla nämä ominaisuudet tulisi toteuttaa työkalussa. Näiden jälkeen on työhön vielä tehty loppuyhteenveto, joka kertoo työ tuloksista ja mahdollisista jatkokehitysmahdollisuuksista. MPLS-verkon suunnittelu koostuu monesta eri vaiheesta, ja jokainen vaihe sisältää suuren määrän toiminnallisuusvaatimuksia. Nämä toiminnallisuusvaatimukset on mallinnettava MPLS-verkkojen suunnitteluun laaditussa työkalussa, jos halutaan että työkalu pystyy mallintamaan koko verkon suunnitteluprosessin alusta loppuun. Tärkeimmät toiminnallisuudet, jotka MPLS-verkon suunnittelutyökalun tulee omata ovat simulointimahdollisuudet MPLS-poluille (LSP:t), MPLS-TE:lle, eri VPN-tyypeille ja DiffServ-liikenteelle, sillä nämä ovat tärkeimmät toiminnallisuudet MPLS-verkoissa tänä päivänä. Jos edellä mainittu toiminnallisuus on toteutettu ja mallinnettu suunnittelutyökalussa ja työkalu osaa optimoida liikennettä hyvin saadaan verkon pääoma- ja operaationaaliset kulut laskemaan. MPLS-verkon suunnittelutyökalua laadittaessa on myös tärkeää ottaa huomioon työkalun skaalautuvuusominaisuudet. Runkoverkot voivat koostua tänä päivänä tuhansista solmuista ja sadoista tuhansista liikennevirroista, joten suunnitelutyökalun tulisi omata toiminnallisuutta joka automatisoi joitain vaiheita verkonsuunnittelussa, mikä mahdollistaa tämän kokoluokan verkkojen suunnittelun. Tällainen toiminnallisuus voisi esimerkiksi olla automatisoitu vuonohjaus ja verkkojen topologiakokonaisuuden vienti ja tuonti suunnittelutyökaluun ja siitä ulos. /Kir1

Equal cost multipath routing in IP networks

IP verkkojen palveluntarjoajat ja loppukäyttäjät vaativat yhä tehokkaampia ja parempilaatuisia palveluita, mikä vaatii tuotekehittäjiä tarjoamaan hienostuneempia liikennesuunnittelumenetelmiä verkon optimointia ja hallintaa varten. IS-IS ja OSPF ovat standardiratkaisut hoitamaan reititystä pienissä ja keskisuurissa pakettiverkoissa. Monipolkureititys on melko helppo ja yleispätevä tapa parantaa kuorman balansointia ja nopeaa suojausta tällaisissa yhden polun reititykseen keskittyvissä verkoissa. Tämä diplomityö kirjoitettiin aikana, jolloin monipolkureititys toteutettiin Tellabs-nimisen yrityksen 8600-sarjan reitittimiin. Tärkeimpiä kohtia monipolkureitityksen käyttöönotossa ovat lyhyimmän polun algoritmin muokkaukseen ja reititystaulun toimintaan liittyvät muutokset ohjaustasolla sekä kuormanbalansointialgoritmin toteutus reitittimen edelleenkuljetustasolla. Diplomityön tulokset sekä olemassa oleva kirjallisuus osoittavat, että kuormanbalansointialgoritmilla on suurin vaikutus yhtä hyvien polkujen liikenteen jakautumiseen ja että oikean algoritmin valinta on ratkaisevan tärkeää. Hajakoodaukseen perustuvat algoritmit, jotka pitävät suurimman osan liikennevuoista samalla polulla, ovat dominoivia ratkaisuja nykyisin. Tämän algoritmityypin etuna on helppo toteutettavuus ja kohtuullisen hyvä suorituskyky. Liikenne on jakautunut tasaisesti, kunhan liikennevuoiden lukumäärä on riittävän suuri. Monipolkureititys tarjoaa yksinkertaisen ratkaisun, jota on helppo konfiguroida ja ylläpitää. Suorituskyky on parempi kuin yksipolkureititykseen perustuvat ratkaisut ja se haastaa monimutkaisemmat MPLS ratkaisut. Ainoa huolehdittava asia on linkkien painojen asettaminen sillä tavalla, että riittävästi kuormantasauspolkuja syntyy.Increasing efficiency and quality demands of services from IP network service providers and end users drive developers to offer more and more sophisticated traffic engineering methods for network optimization and control. Intermediate System to Intermediate System and Open Shortest Path First are the standard routing solutions for intra-domain networks. An easy upgrade utilizes Equal Cost Multipath (ECMP) that is one of the most general solutions for IP traffic engineering to increase load balancing and fast protection performance of single path interior gateway protocols. This thesis was written during the implementation process of the ECMP feature of Tellabs 8600 series routers. The most important parts in adoption of ECMP are changes to shortest path first algorithm and routing table modification in the control plane and implementation of load balancing algorithm to the forwarding plane of router. The results of the thesis and existing literature prove, that the load balancing algorithm has the largest affect on traffic distribution of equal cost paths and the selection of the correct algorithm is crucial. Hash-based algorithms, that keep the traffic flows in the same path, are the dominating solutions currently. They provide simple implementation and moderate performance. Traffic is distributed evenly, when the number of flows is large enough. ECMP provides a simple solution that is easy to configure and maintain. It outperforms single path solutions and competes with more complex MPLS solutions. The only thing to take care of is the adjustment of link weights of the network in order to create enough load balancing paths

Aspects of proactive traffic engineering in IP networks

To deliver a reliable communication service over the Internet it is essential for the network operator to manage the traffic situation in the network. The traffic situation is controlled by the routing function which determines what path traffic follows from source to destination. Current practices for setting routing parameters in IP networks are designed to be simple to manage. This can lead to congestion in parts of the network while other parts of the network are far from fully utilized. In this thesis we explore issues related to optimization of the routing function to balance load in the network and efficiently deliver a reliable communication service to the users. The optimization takes into account not only the traffic situation under normal operational conditions, but also traffic situations that appear under a wide variety of circumstances deviating from the nominal case. In order to balance load in the network knowledge of the traffic situations is needed. Consequently, in this thesis we investigate methods for efficient derivation of the traffic situation. The derivation is based on estimation of traffic demands from link load measurements. The advantage of using link load measurements is that they are easily obtained and consist of a limited amount of data that need to be processed. We evaluate and demonstrate how estimation based on link counts gives the operator a fast and accurate description of the traffic demands. For the evaluation we have access to a unique data set of complete traffic demands from an operational IP backbone. However, to honor service level agreements at all times the variability of the traffic needs to be accounted for in the load balancing. In addition, optimization techniques are often sensitive to errors and variations in input data. Hence, when an optimized routing setting is subjected to real traffic demands in the network, performance often deviate from what can be anticipated from the optimization. Thus, we identify and model different traffic uncertainties and describe how the routing setting can be optimized, not only for a nominal case, but for a wide range of different traffic situations that might appear in the network. Our results can be applied in MPLS enabled networks as well as in networks using link state routing protocols such as the widely used OSPF and IS-IS protocols. Only minor changes may be needed in current networks to implement our algorithms. The contributions of this thesis is that we: demonstrate that it is possible to estimate the traffic matrix with acceptable precision, and we develop methods and models for common traffic uncertainties to account for these uncertainties in the optimization of the routing configuration. In addition, we identify important properties in the structure of the traffic to successfully balance uncertain and varying traffic demands

Distributed services across the network from edge to core

The current internet architecture is evolving from a simple carrier of bits to a platform able to provide multiple complex services running across the entire Network Service Provider (NSP) infrastructure. This calls for increased flexibility in resource management and allocation to provide dedicated, on-demand network services, leveraging a distributed infrastructure consisting of heterogeneous devices. More specifically, NSPs rely on a plethora of low-cost Customer Premise Equipment (CPE), as well as more powerful appliances at the edge of the network and in dedicated data-centers. Currently a great research effort is spent to provide this flexibility through Fog computing, Network Functions Virtualization (NFV), and data plane programmability. Fog computing or Edge computing extends the compute and storage capabilities to the edge of the network, closer to the rapidly growing number of connected devices and applications that consume cloud services and generate massive amounts of data. A complementary technology is NFV, a network architecture concept targeting the execution of software Network Functions (NFs) in isolated Virtual Machines (VMs), potentially sharing a pool of general-purpose hosts, rather than running on dedicated hardware (i.e., appliances). Such a solution enables virtual network appliances (i.e., VMs executing network functions) to be provisioned, allocated a different amount of resources, and possibly moved across data centers in little time, which is key in ensuring that the network can keep up with the flexibility in the provisioning and deployment of virtual hosts in today’s virtualized data centers. Moreover, recent advances in networking hardware have introduced new programmable network devices that can efficiently execute complex operations at line rate. As a result, NFs can be (partially or entirely) folded into the network, speeding up the execution of distributed services. The work described in this Ph.D. thesis aims at showing how various network services can be deployed throughout the NSP infrastructure, accommodating to the different hardware capabilities of various appliances, by applying and extending the above-mentioned solutions. First, we consider a data center environment and the deployment of (virtualized) NFs. In this scenario, we introduce a novel methodology for the modelization of different NFs aimed at estimating their performance on different execution platforms. Moreover, we propose to extend the traditional NFV deployment outside of the data center to leverage the entire NSP infrastructure. This can be achieved by integrating native NFs, commonly available in low-cost CPEs, with an existing NFV framework. This facilitates the provision of services that require NFs close to the end user (e.g., IPsec terminator). On the other hand, resource-hungry virtualized NFs are run in the NSP data center, where they can take advantage of the superior computing and storage capabilities. As an application, we also present a novel technique to deploy a distributed service, specifically a web filter, to leverage both the low latency of a CPE and the computational power of a data center. We then show that also the core network, today dedicated solely to packet routing, can be exploited to provide useful services. In particular, we propose a novel method to provide distributed network services in core network devices by means of task distribution and a seamless coordination among the peers involved. The aim is to transform existing network nodes (e.g., routers, switches, access points) into a highly distributed data acquisition and processing platform, which will significantly reduce the storage requirements at the Network Operations Center and the packet duplication overhead. Finally, we propose to use new programmable network devices in data center networks to provide much needed services to distributed applications. By offloading part of the computation directly to the networking hardware, we show that it is possible to reduce both the network traffic and the overall job completion time

Hybrid SDN Evolution: A Comprehensive Survey of the State-of-the-Art

Software-Defined Networking (SDN) is an evolutionary networking paradigm which has been adopted by large network and cloud providers, among which are Tech Giants. However, embracing a new and futuristic paradigm as an alternative to well-established and mature legacy networking paradigm requires a lot of time along with considerable financial resources and technical expertise. Consequently, many enterprises can not afford it. A compromise solution then is a hybrid networking environment (a.k.a. Hybrid SDN (hSDN)) in which SDN functionalities are leveraged while existing traditional network infrastructures are acknowledged. Recently, hSDN has been seen as a viable networking solution for a diverse range of businesses and organizations. Accordingly, the body of literature on hSDN research has improved remarkably. On this account, we present this paper as a comprehensive state-of-the-art survey which expands upon hSDN from many different perspectives