Uploaded by Ali Sadiqui

SDNnew

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SDN
Software Defined Networking
Yassine HADJADJ AOUL
Maître de Conférences
Université de Rennes 1
Laboratoire IRISA – Equipe-projet Dionysos
Campus de Beaulieu 35042 Rennes Cedex
yhadjadj@irisa.fr
Objectifs
§ Se faire une idée sur le domaine
§ Architecture des réseaux SDN
§ L’impact du SDN sur la gestion, la
maintenance et la sécurisation des réseaux
SDN – Yassine HADJADJ AOUL
2
SDN ou la programmabilité des
réseaux
• Une nouvelle architecture réseaux :
– Facilitant la programmabilité des réseaux
– Avec l’idée que des applications contrôlent, à
distance, des équipements réseaux
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3
Pourquoi un cours sur le SDN? (1)
• L’idée intéresse énormément les chercheurs
– Vu comme moyen d’optimiser et de mettre à l’échelle les
réseaux ...
• L’idée est récente mais intéresse énormément les
industriels et les opérateurs
– Permet aux entreprises d'accélérer le déploiement et la
distribution d'applications
– Moyen de gagner de l’argent …
• Réduire le CAPEX et l’OPEX
• Équipements déjà proposés dans le marché
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4
Réduction des coûts avec SDN
Coût (CAPEX)
200,000 serveurs
Degrés de 20 è 10,000 switches
$5k vendor switch = $50M
$1k commodity switch = $10M
Économie dans 1 data centers = $40M
Contrôle (OPEX)
Contrôle plus flexible
Adaptation du réseau aux services
Amélioration et innovation rapide
Moins d’administrateurs et moins
d’erreurs humaines
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5
Router: Cisco
ASR 9000 series
Router: Juniper
MX Series
• Une centaine de famille de produit dans :
https://www.opennetworking.org/products-listing
Switch: Juniper MX80…Series
Switch: Cisco
Nexus
Series
• Tous
les5500
constructeurs
(ou presque) ont leurs produits/solutions
• Plusieurs contrôleurs SDN sur le marché …
Switch: HP 5900 series
• Beaucoup d’Opensource …
Switch: IP8800 series
Router: Brocade
ADX Series
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Router: Huawei
CX600 Series
6
Pourquoi un cours sur le SDN? (2)
• 55% des clients de « Gartner », leader mondial du
conseil, pensent déployer du SDN
• Croissance estimée du marché SDN de 734%
– 960M $ en 2014 à 8B $ en 2018
• Le SDN en production, dans les centres de données
– 11% en 2014, 45% en 2015 et une estimation de 87% en
2016
http://www.cisco.com/c/dam/en/us/solutions/collateral/unified-communications/unified-communications-managerSDN – Yassine HADJADJ AOUL
callmanager/cisco_sdn_infographic_layout_1a_round7.pdf
7
Google SDN WAN
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8
Bibliographie
SDN: Software Defined Networks
Par: Thomas D. Nadeau, Ken Gray
• Cours de:
– Nick Feamster, Georgia Tech
(Coursera)
– Jennifer Rexford, Princeton
– Nick McKeown, Stanford
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9
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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10
L’Internet … une belle histoire
• Grand succès
– De l’expérimentation à la réalisation
• Brillance de la sous-spécification
– Réseaux: mode « Best Effort »
– Hôtes: application arbitraire
• Permet l’innovation au niveau applicatif
– Web, P2P, VoIP, Réseaux sociaux, Virtualisation, …
• Mais le changement est facile seulement au niveau
de la bordure du réseaux …
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11
L’intérieur du Net … une autre histoire
• Équipement fermé (black box)
– Le logiciel et fourni avec le matériel
– Interfaces spécifiques constructeurs
• Sur spécification
– Processus de standardisation très lourd
• OSPF (RFC 2328): 245 pages
– Complexité liée à la distribution des algorithmes (e.g. count-to-infinity)
• L’innovation est limitée à un ensemble très limité de personnes
– Les équipementiers écrivent le code
– Délai très important pour l’introduction d’une nouvelle fonctionnalité …
ou pour corriger un bug !!!
Impact sur la performance, la sécurité, la fiabilité et le coût …
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12
Un réseau difficile à gérer …
• Les systèmes d’exploitation (OS) sont très onéreux
– Plus de la moitié du coût du réseau
– Les erreurs humaines sont très nombreuses
• Présence de bugs dans les équipements
– Routeurs avec plus de 20 millions de lignes de code
– Pannes possibles, vulnérabilités, …
– Les mises à jour sont très difficiles à mettre en place
• Arrêt, nouveaux bugs, nouvelles vulnérabilités, interfaçage avec certains
logiciels, …
• Problématique de la maîtrise d’équipements fermés (black
box) hétérogènes inter-opérants …
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13
Nécessité de repenser la répartition
des responsabilités
vers une nouvelle architecture ?
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14
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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15
Repenser la répartition des responsabilités
VERS UNE NOUVELLE ARCHITECTURE
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16
Qu’est-ce qu’un plan contrôle et un
plan données?
• Plan contrôle
– La logique pour contrôler la fonction de
réexpédition « forwarding »
• Exemples: Routage, la configuration des middle box
(e.g. firewall)
• Plan données
– Expédition des paquets suivant les règles établies
par le plan contrôle
• Exemple: Forwarding IP, Switching au niveau 2
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17
Architecture traditionnelle
Plan données:
Diffusion de
paquets
Transfert, filtrage, mise en tampon, marquage,
mesures de paquets, …
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18
Architecture traditionnelle
Plan contrôle:
Algorithmes distribués
Gestion de la topologie, calcul des routes, mise en
place des règles de routage, …
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19
Architecture traditionnelle
Plan management
(Facteur humain)
Collecte des mesures et configuration des
équipements, …
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AppAppAppAppAppAppAppAppAppAppApp
Applications
spécialisées
Open Interface
Windows
(OS)
Des OS
spécialisés
ou Linux
ou
Mac
OS
Open Interface
Hardware
spécialisés
Microprocessor
Intégration verticale,
fermé, propriétaire,
innovation lente,
marché restreint à quelques
industriels
Interface horizontale
ouverte, innovation,
marché étendu
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21
Vers un plan contrôle logiquement
centralisé …
• Gestion plus facile
– Configuration des équipements
– Vérification/débogage des contrôleurs plus facile
• Innovation facile et rapide
– Moins de dépendances aux équipementiers et aux standards
– Évolution du logiciel de contrôle indépendamment du hardware
• Interopération facile
– La compatibilité est clé seulement là où il y a des protocoles
• Équipement plus simple et moins cher
– Logiciel/OS minimaliste
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22
SDN
Plan contrôle logiquement centralisé
Intelligent,
Lent
API au plan données
(e.g., OpenFlow)
Slow path
Stupide,
Fast
Switches
Fast path
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Network OS
Open Interface
Fonctionnalités
spécialisées
Control
Plane
Plan contrôle
spécialisé
Hardware
spécialisé
AppAppAppAppAppAppAppAppAppAppApp
ou
Control
Plane
ou
Control
Plane
Open Interface
Vues (parfois
différentes)
du réseaux
Equipementier de
Chips de switching
Interface au
forwarding
Intégration verticale fermée,
propriétaire,
Innovation lente
Interface horizontale
ouverte, innovation rapide
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24
Un exemple
OSPF
(Dijkstra)
OSPF
IS-IS
Distributed
System
Distributed
System
IS-IS
New!
Distributed System
Network OS
OS
Packet
Forwarding
Custom Hardware
Packet
Forwarding
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Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
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Un exemple
OSPF
(Dijkstra)
IS-IS
New!
Distributed System
OSPF• OSPF IS-IS
Network OS
• RFC 2328: 245 pages
Distributed
Distributed
•
Systèmes
distribués
System
System
• Construire une représentation à jour du réseau: 101
pages
OS
• Dijkstra’s Algorithm
Packet
Forwarding
• Travail sur un graphe: 4 pages
Custom Hardware
Packet
Forwarding
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Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
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Network OS
• Système centralisé ou distribué qui permet la
création et le maintient (i.e. consistant) d’une
vue du réseaux
• Utilise un protocole ouvert (e.g. Openflow)
pour:
– Obtenir l’état des éléments de forwarding
– Donner des directives aux éléments de
forwarding
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27
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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28
Openflow
• Openflow est un protocole pour le contrôle à
distance des tables de forwarding de switches
ou routeurs.
• Agit sur des flux non pas sur des paquets …
– Un flux étant: trafic d’un point A vers un point B,
trafic de Toto, trafic HTTP, …
• C’est un des éléments (optionnel) du SDN …
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Comment cela fonctionne?
Contrôleur OpenFlow
OpenFlow Protocol (SSL/TCP)
Control Path
Ethernet
Switch
(Software)
Client OpenFlow
Data Path (Hardware)
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30
Comment cela fonctionne?
Software
Layer
Controller
PC
OpenFlow Client
Flow Table
Hardware
Layer
MAC
src
*
MAC
dst
*
port 1
IP
Src
*
IP
Dst
5.6.7.8
port 2
TCP
TCP
sport dport
*
*
Action
port 1
port 3
5.6.7.8
Pas de
modification
du hard …
port 4
1.2.3.4
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31
Les bases d’Openflow
Les entrée des tables de flux
Rule
Stats
Action
Packet + byte counters
1.
2.
3.
4.
5.
Switch
Port
VLAN
ID
Forward packet to zero or more ports
Encapsulate and forward to controller
Send to normal processing pipeline
Modify Fields
Any extensions you add!
VLAN
pcp
MAC
src
MAC
dst
Eth
type
IP
Src
IP
Dst
IP
ToS
IP
Prot
L4
sport
L4
dport
+ mask what fields to match
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32
Exemples
Switching
Switch MAC
Port src
*
MAC Eth
dst
type
00:1f:.. *
*
VLAN IP
ID
Src
IP
Dst
IP
Prot
TCP
TCP
Action
sport dport
*
*
*
*
IP
Dst
IP
Prot
TCP
TCP
Action
sport dport
*
*
port6
Flow Switching
Switch MAC
Port src
MAC Eth
dst
type
port3 00:20.. 00:1f.. 0800
VLAN IP
ID
Src
vlan1 1.2.3.4 5.6.7.8
4
17264 80
port6
Firewall
Switch MAC
Port src
*
*
MAC Eth
dst
type
*
*
VLAN IP
ID
Src
IP
Dst
IP
Prot
TCP
TCP
Action
sport dport
*
*
*
*
*
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22
drop
33
Exemples
Routing
Switch MAC
Port src
*
*
MAC Eth
dst
type
*
*
VLAN IP
ID
Src
IP
Dst
*
5.6.7.8 *
*
VLAN IP
ID
Src
IP
Dst
IP
Prot
vlan1 *
*
*
TCP
TCP
Action
sport dport
port6,
port7,
*
*
port9
*
IP
Prot
TCP
TCP
Action
sport dport
*
port6
VLAN Switching
Switch MAC
Port src
*
*
MAC Eth
dst
type
00:1f.. *
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Les bases d’Openflow:
Controller
les composantes principale
Group Table
PC
OpenFlow Client
Flow
Table 0
Flow
Table N
Pipeline
Packet
Out
Packet
In
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Cas pratique:
Mobilité et migration transparente
• Détection des envois de paquets depuis la nouvelle localisation
• Modification des règles de routage du trafic
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36
Cas pratique:
Service de load balancing
• Pré-installation de règles de load-balancing
suivant l’adresse IP
src=0*
src=1*
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37
Programmabilité des réseaux (1)
• Openflow permet la programmabilité des
réseaux
– Équipement
simple/disponible/interchangeable/pas cher …
« Commodity hardware »
• Existe-il d’autres outils pour le faire dans les
réseaux traditionnels ?
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38
Programmabilité des réseaux (2)
• CLI à distance
– Difficile à mettre en place (récupération et reprise
après erreur, …)
– Équipements chers et évolution difficile
• SNMP
– Pour la supervision (i.e. management)
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39
Programmabilité des réseaux (3)
• NETCONF du WG NETMOD (IETF)
– Netconf (protocole de config) + YANG (langage de modélisation
des données)
– Met à disposition des mécanismes pour installer, manipuler et
supprimer des configurations d’éléments réseau
– Configuration d’un serveur vers un client, mais pas du client
vers le serveur pour remonter des alarmes, …
• Forces (IETF)
– Standard complet permettant de décrire à peu près n’importe
quelle fonction réseau (y compris un switch Openflow ! )
– Non adopté car nécessite de reprendre entièrement
l’architecture des équipements
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40
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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41
Plusieurs contrôleurs SDN
•
•
•
•
•
•
•
•
NOX/POX
Ryu
Floodlight
Pyretic
Frenetic
RouteFlow
Opendaylight
ONOS
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Plusieurs considérations
• Langage de programmation
– Impact sur les performances
• Rapidité de maîtrise
• Support de la communauté
• Focalisation
– API southbound
– API northbound
– Support d’Openstack
– Éducation, recherche ou réseaux de production
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43
Récapitulatif sur les contrôleurs
NOX
POX
Ryu
Floodlight
ODL
Langage
C++
Python
Python
Java
Java
Perf.
Rapide
Lent
Lent
Rapide
Rapide
OF
1.0
1.0
1.0-1.4
1.0-1.3
1.0-
Openstack
Non
Non
Oui
Oui
Oui
Maîtrise
Modérée
Facile
Modérée
Lente
Lente
Les contrôleurs doivent offrir:
• Une interface southbound efficace
• Permettant d’exprimer beaucoup de choses
• Une interface northbound puissante
• Permettant d’exploiter au mieux le réseaux sans rentrer
dans l’implémentation du contrôleur (e.g. REST)
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Autres solutions (1)
• Plusieurs plateformes
– Juniper Networks: Contrail systems
• Contrôleur SDN logiquement centralisé mais physiquement distribué
• Virtualisation avec MPLS
• Interface REST
– IBM: DOVE « Distributed Overlay Virtual Ethernet »
• Virtualisation avec VxLAN (jusqu’à 16 millions de réseaux virtuels)
• Solution centralisée
– ALU: Nuage Controller
• Similaire à Contrail systems (Juniper)
– Tail-F
• Orienté Netconf
– OpenDayLight
• Intègre plusieurs modules de contrôle de plusieurs équipementiers
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45
Autres solutions (2)
• Plusieurs solutions propriétaires
– Juniper networks: Junos
– Cisco: OnePK « One Platform Kit »
• API (C, Java) unifiée pour contrôler du Cisco
– ALU: ALU SR OS
• Dédié au telco.
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46
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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Au niveau applicatif (1)
Application monolithique
Monitor + Route + FW + …
Contrôleur
Difficile à programmer, à
tester, à déboguer, porter, …
Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
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Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
48
Au niveau applicatif (2)
Un module par tâche
Monitor
Route
Contrôleur
Facile à programmer, à tester,
à déboguer, à porter, …
Mais comment combiner les modules
dans une application complète et
cohérente (module affectant un même
trafic)?
Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
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Packet
Forwarding
Packet
Forwarding
49
Approches de la composition (1)
• Composition parallèle
– Permet de lancer plusieurs opérations
simultanément
– Comptage, Forwarding, …
• Composition séquentielle
– Permet de lancer une opération après l’autre
– Firewall puis le switching
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50
Approches de la composition (2)
• Division du trafic sur plusieurs modules
– Dest port != 80: Monitor + Routing
– Dest port == 80: Load balancing >> Routing
• Ne pas tout spécifier afin d’éviter de se
marcher sur les pieds
– Load balancing ne doit pas s’occuper du chemin
• Utiliser pour chaque module une vue abstraite
• Séparer par intérêt
– Cacher certains détails
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51
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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52
Qu’est ce que la Virtualisation des
réseaux?
• Abstraction de l’infrastructure physique
– Support de plusieurs réseaux logiques s’exécutant
sur un substrat physique
– Un conteneur de services réseau
• Aspects du réseau pouvant être virtualisés
– Nœuds: Machine virtuelle
– Liens: Tunnels (e.g. Ethernet GRE)
– Stockage
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53
Objectifs de la virtualisation des
réseaux
• Innovation rapide
• Nouvelle façon de contrôler le réseau
• Choix du vendeur (architectures multitenants)
• Opérations et programmabilité simplifiées
L’abstraction de l’infrastructure physique n’est pas inhérente dans
les réseaux SDN
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54
SDN vs Réseaux virtuels
• Les réseaux SDN séparent le plan contrôle du
plan données
• Les réseaux virtuels séparent le réseau
logique du réseau physique
• SDN pourrait être un bon moyen pour
implémenter les réseaux virtuels
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55
Applications des réseaux virtuels
• Expérimentation dans un réseau de production
– Network slicing
– Isolation des morceaux
• Développement et déploiement rapide
– Un service peut être déployé indépendamment de
l’équipement (équipementier) sous jacent …
• Mise à l’échelle dynamique des ressources
– Allocation possible à partir d’un pool de ressources
(comme dans un data center)
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56
Exemple 1: FlowVisor
(Virtualisation du plan contrôle)
Server
Custom
Control
Plane
OpenFlow
Controller
Servers
OpenFlow
Controller
OpenFlow
Controller
OpenFlow
Controller
OpenFlow
Network
OpenFlow
Protocol
Policy Check:
Est-ce que cette
règle est
acceptable?
FlowVisor
OpenFlow
Stub
Control
Plane
OpenFlow
Firmware
Data
Plane
Data Path
Data Path
Switch/
Router
Switch/
Router
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Policy Check:
Qui contrôle ce
paquet?
OpenFlow
Firmware
57
Exemple 2: Cloud privé virtuel (VPC)
d’Amazon
• Permet aux clients de définir leurs propres
réseau
– Avec leurs propres plans d’adressage
• Étend les centres de données des entreprises
– VPN entre le data center et le VPC
• Bénéfices:
– Mise à l’échelle à la demande
– Gestion simplifiée
– Recouvrement en cas de problème
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58
Networking virtuel dans Mininet
• Environnement réseau virtuel pouvant être
exécuté dans un PC
• Exécute un vrai Kernel, switch et du code
applicatif réel sur une même machine
– CLI, interface python ...
• Plusieurs fonctions Openflow sont supportées
– Pratique pour développer, déployer et partager
• Facile à utiliser et open source
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59
Du côté des alternatives à Mininet
• Systèmes réel
– Configuration difficile
• Réseau de VMs
– Problème de passage à l’échelle
• Simulateurs
– Pas facile de passer vers un déploiement réel
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60
Plan
1. Introduction
4. Virtualisation des réseaux
2. Architecture traditionnelle
vs SDN
5. Challenges
3. Composants du SDN
a.
Openflow et la
programmabilité des
réseaux
b.
Contrôleurs SDN
c.
Applications
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61
Questions ouverte dans le SDN
• Applications et API northbound
– Routage inter-domaine (SDX), réseaux de mobiles
• Contrôle
–
–
–
–
Sécurité
Combinaison entre Big data et gestion de réseaux
Orchestration
Inconsistance possible lors de l’utilisation de plusieurs
contrôleurs
• Plan données
– Aller plus loin du match/action (détection de pattern, DPI, …)
• Programmation du plan données (e.g. Fast reroute, …)
• QoS/QoE
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62
Programmation et débogage
• Programmation d’application facilitée par le
SDN … mais pas tant que cela
• Couplage et composition de services
• Débogage pas si facile …
è Vers la définition d’un langage réseau …
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63
Et maintenant c’est la course vers le :
NFV: NETWORK FUNCTION
VIRTUALISATION
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64
NFV
• Virtualisation de fonctions de réseau
– Consiste à mettre en œuvre des fonctions de réseau
par du logiciel …
– Fonctions fonctionnant aujourd'hui sur des serveurs
propriétaires sur du matériel exclusifs
• Permet l'utilisation d'une plate-forme physique
unique pour différentes applications, utilisateurs
et propriétaires (tenants)
• Applicable à tous les plans de données/de
contrôle
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65
Architecture NFV
• Utilisation des techniques de virtualisation (IT) pour la
virtualisation de fonctions réseaux
– Moyen de rendre les réseaux encore plus flexibles et simples
en minimisant les dépendances au hardware
v
v
Traditional Network Model:
APPLIANCE APPROACH
Virtualised Network Model:
VIRTUAL APPLIANCE APPROACH
DPI
GGSN/
CG-NAT
BRAS
SGSN
PE
Router
Firewall
DPI
BRAS
Firewall
CG-NAT
GGSN/SGSN
Session Border
Controller
VIRTUAL
APPLIANCES
ORCHESTRATION, AUTOMATION
& REMOTE INSTALL
PE Router
§ Network Functions are based on specific HW
§ One physical node per role
STANDARD
HIGH VOLUME
SERVERS
§ Network Functions are deployed over well-known HW
§ Multiple roles over same HW
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66
Avantages et promesses de NFV
• Réduction des coûts d'équipements (CAPEX)
• Augmentation de la rapidité de mise sur le marché
• Disponibilité de l'application réseau en multi-version
et en multipropriétaires « multi-tenancy »
• Permet une variété d'écosystèmes et encourage
l'ouverture
• Encourager l'innovation pour apporter de nouveaux
services et générer de nouvelles sources de revenus.
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67
Avantages et promesses de NFV
• Flexibilité pour fournir facilement et rapidement,
dynamiquement et instancier de nouveaux services
dans divers endroits
• Amélioration de l'efficacité opérationnelle
• Innovation orientée logiciel pour prototyper
rapidement et tester de nouveaux services et
générer de nouveaux revenus
• Coûts opérationnels réduits (OPEX): réduction de la
puissance, réduction de l'espace, amélioration de la
surveillance du réseau
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68
NFV et SDN
• NFV et SDN sont très complémentaires
• Les deux concepts sont mutuellement bénéfiques
mais ne dépendent pas l'un de l'autre
SDN: redéfinition de
l'architecture réseau
• SDN vient du monde de
l'informatique
•
•
Séparer le plan données et le
plan contrôle (Tout en
centralisant le contrôle)
Offrir la possibilité de
programmer le comportement
du réseau
NFV: redéfinition de l'architecture
des équipements réseau
• NFV est né pour répondre aux
besoins des fournisseurs de
services (SP)
•
•
Réduction du CAPEX en réduisant
/ éliminant le matériel
propriétaire
Consolider plusieurs fonctions de
réseau sur des plateformes
standard de l'industrie
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69
CDNaaS: CDN as a Service
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70
Architecture logiciel
User (content provider)
front end
•
Northbound customer API
vCDN
request
Service Orchestrator (SO)
Deploy
resources
– Skeleton of a vCDN service
– Basic constraints
Customer Interface
SO API
Service
Instance
Graph
•
Service Template
SIDR
API
• Mandatory existence of
specific VNF (e.g., DNS,
origin server)
• Constraints on instance
capabilities
• Constraints on
#instances/type (e.g., “> 0
origin srv”)
Service Instance
Descriptor Repository
(SIDR)
VIM API
Virtual Infrastructure
Manager (VIM)
All communication over
HTTP using REST APIs
Service Template
•
Service Instance Graph
– Map of VNF instances to
physical hosts
– The output of a VNF
placement algorithm
Southbound interface (OpenStack API)
Cloud infrastructure
•
Python implementation
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