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Utilizing Advanced Network Context to Optimize Software-Defined Networks

Werner, Marc :
Utilizing Advanced Network Context to Optimize Software-Defined Networks.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Utilizing Advanced Network Context to Optimize Software-Defined Networks
Language: English
Abstract:

Legacy network systems and protocols are mostly static and keep state information in silo-style storage, thus making state migration, transformation and re-use difficult. Software-Defined Network (SDN) approaches in unison with Network Function Virtualization (NFV) allow for more flexibility, yet they are currently restricted to a limited set of state migration options. Additionally, existing systems and protocols are mostly tailored to meet the requirements of specific application scenarios. As a result, the protocols cannot easily be adapted to novel application demands, organically growing networks, etc. Impeding the sharing of networking and system state, along with lacking support for dynamic transitions between systems and protocols, severely limits the ability to optimally manage resources and dynamically adapt to a desirable overall configuration. These limitations not only affect the network performance but also hinder the deployment of new and innovative protocols as a hard break is usually not feasible and thus full support for legacy systems is required. On the one hand, we propose a generalized way to collect, store, transform, and share context between systems and protocols in both the legacy Internet as well as NFV/SDN-driven networks. This allows us to share state information between multiple systems and protocols from NFs over BGP routers to protocols on all layers of the network stack. On the other hand, we introduce an architecture for designing modular protocols that are built with transition in mind. We argue that the modular design of systems and protocols can remove the key limitations of today’s monolithic protocols and allow for a more dynamic network management. First, we design and implement a Storage and Transformation Engine for Advanced Net- working context (STEAN) which constitutes a shared context storage, making network state information available to other systems and protocols. Its pivotal feature is the ability to allow for state transformation as well as for persisting state to enable future re-use. Second, we provide a Blueprint for Switching Between Mechanisms that serves as a framework and guideline for developers to standardize and ease the process of designing and implementing systems and protocols that support transitions as a first order principle. By means of experimentation, we show that our architecture covers a diverse set of challenging use cases in legacy systems—such as Wireless Multihop Networks (WMNs)—as well as in NFV/SDN-enabled systems. In particular, we demonstrate the feasibility of our approach by migrating state information between two instances of the PRADS NF in a virtualized Mininet environment, and show that our solution outperforms state of the art frameworks that are specifically built for NF migration. We further demonstrate that a dynamic switch between WMN routing protocols is possible at runtime and that the state information can be reutilized for bootstrapping novel protocol modules, thus minimizing the control overhead.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Existierende Netzwerksysteme und -protokolle sind meist statisch und halten Zustandsinformationen in einem silo-artigen Speicher, was die Migration, Transformation und Wiederverwendung dieser Zustände erschwert. Software-Definierte Netze (SDN) in Kombination mit der Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (NFV) ermöglicht mehr Flexibilität, ist aber derzeit auf eine bestimmte Optionen zur Zustandsmigration beschränkt. Darüber hinaus sind vorhandene Systeme und Protokolle meist auf die Anforderungen von konkreten Anwendungsszenarien zugeschnitten, weshalb diese nicht einfach an neuartige oder geänderte Anforderungen sowie organisch wachsende Netzwerke angepasst werden können. Diese Beschränkungen, sowie die fehlende Unterstützung für dynamische Übergänge zwischen Systemen und Protokollen, beeinträchtigen die Fähigkeit, Ressourcen optimal zu verwalten und sich dynamisch an eine wünschenswerte Gesamtkonfiguration anzupassen. Sie beeinflussen nicht nur die Leistung des Netzwerks, sondern behindern auch den Einsatz neuer und innovativer Verfahren, da eine Unterbrechung des Datenflusses während des Betriebs normalerweise nicht akzeptabel ist und daher neue Systeme die existierenden Protokolle vollständig unterstützen müssen. Zum einen schlagen wir daher eine allgemeine Möglichkeit zum Sammeln, Speichern, Transformieren und Teilen von Zustandsinformation zwischen Systemen und Protokollen sowohl im Internet als auch in einer NFV/SDN-Umgebung vor. Dies ermöglicht es uns, Zustandsinformationen zwischen mehreren Systemen und Protokollen von NFs über BGP-Router zu Protokollen auf allen Ebenen des Netzwerkstapels zu teilen. Zum anderen präsentieren wir eine Architektur für den Entwurf von modularen Protokollen, die Schaltvorgänge zur Laufzeit explizit unterstützt. Der modulare Entwurf von Systemen und Protokollen beseitigt die Beschränkungen der heutigen monolithischen Protokolle und ermöglicht ein dynamischeres Netzwerkmanagement. Zunächst entwerfen und implementieren wir eine Speicher- und Transformations-Einheit für den erweiterten Netzwerkkontext (STEAN), die einen gemeinsamen Kontextspeicher bietet und Zustandsinformationen aus dem Netzwerk für andere Systeme und Protokolle zur Verfügung stellt. Die entscheidende Fähigkeit dieses Systems ist es, sowohl eine Transformation von Zustandsinformationen durchzuführen als auch diese Informationen dauerhaft zu speichern und für eine zukünftige Nutzung bereitzustellen. Weiterhin bieten wir einen Bauplan für Mechanismen an, die eine explizite Unterstützung von Umschaltvorgängen zur Laufzeit bieten. Dieser Plan dient als Rahmenwerk und Leitfaden für Entwickler, um den Entwurf und die Implementierung von Systemen und Protokollen, die Übergänge als Kernprinzip unterstützen, zu standardisieren und zu vereinfachen. Durch Experimente zeigen wir, dass unsere Architektur eine Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungsfällen in bestehenden Systemen, wie Drahtlosen Multihop Netzwerken (WMNs), als auch in NFV/SDN-fähigen Systemen abdecken kann. Insbesondere präsentieren wir die Machbarkeit unseres Ansatzes durch die Migration von Zustandsinformationen zwischen zwei Instanzen der PRADS NF in einer virtualisierten Mininet-Umgebung und zeigen, dass unsere Lösung den Stand der Technik übertrifft, obwohl diese Rahmenwerke speziell für die NF-Migration entwickelt wurden. Wir zeigen weiterhin, dass ein dynamischer Wechsel zwischen WMN Routingprotokollen zur Laufzeit möglich ist und dass bestehende Zustandsinformationen für das initiale Starten von neuartigen Protokollmodulen wiederverwendet werden können, wodurch die Menge der nötigen Kontroll- und Steuerungsnachrichten minimiert wird.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Sichere Mobile Netze
Date Deposited: 30 Nov 2017 11:15
Last Modified: 30 Nov 2017 11:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69597
Referees: Hollick, Prof. Dr. Matthias and Plagemann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 10 November 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6959
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