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Reliable Network Services in Future Internet Service Provider Networks: Reliable and Efficient Control Plane Applications for Virtualized Data Planes in Software-Defined Networking

Blendin, Jeremias :
Reliable Network Services in Future Internet Service Provider Networks: Reliable and Efficient Control Plane Applications for Virtualized Data Planes in Software-Defined Networking.
Jeremias Blendin, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Reliable Network Services in Future Internet Service Provider Networks: Reliable and Efficient Control Plane Applications for Virtualized Data Planes in Software-Defined Networking
Language: English
Abstract:

Driven by highly efficient over-the-top content providers, traffic on the Internet is increasing and puts pressure on Internet service providers (ISPs) to increase their efficiency as well. A promising approach to increase the efficiency of ISP networks is software-defined networking (SDN). SDN achieves this by separating the control from the data plane through a network protocol and thereby enabling increased automation and resource efficiency. However, today’s SDN-based control planes, consisting of control plane applications and an SDN controller to coordinate the data plane access, do not meet the reliability requirements for services in ISPs networks. With SDN, network services consist of multiple control plane applications combined in a single control plane. The control path in data plane elements is responsible for processing SDN protocol messages to configure the packet processing pipeline, termed data path. Today’s SDN controller designs do not virtualize the control path adequately, i.e., the effects of messages from different applications are not sufficiently isolated. Thereby, misbehaving low priority applications can block the control paths for essential high priority applications in ISP networks such as the network fabric. This lack of isolation can lead to control plane applications to fail unexpectedly and prevent the whole control plane from operating reliably. To this end, we introduce a novel, systematic resource-oriented approach to characterize the control paths in SDN data planes as well as a virtualization design for throughput aspects of control paths to increase the reliability among control plane applications. Based on these findings, we analyze the requirements of applications to operate on virtualized data planes. Local bottlenecks that only affect a single data plane element can be mitigated by shifting load to a different element. We apply this approach to our network function chaining design and investigate its effectiveness and provide insights on how the application should decide on the specifics of the mitigation process. Global control path bottlenecks affect a complete area of an ISP network. We analyze the interaction pattern that our novel Adaptive Software-Defined Multicast (ASDM) and Adaptive Bit-Index Software-Defined Multicast (ABSDM) designs require to identify such a bottleneck. Furthermore, we show how a global packet matching memory bottleneck can be mitigated by shifting the applications’ resource usage from matching memory to data rate. We demonstrate the effectiveness of the ASDM application for mitigating control path resource bottlenecks and thereby making it reliable. In this thesis, we close gaps in the virtualization of control paths that affect both SDN controllers and control plane applications. Thereby, we enable reliable SDN controllers and propose designs for reliable control plane applications to deliver SDN-based network services in ISP networks.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Getrieben von großen Inhaltsanbietern wie Google steigt das Datenvolumen im Internet immer weiter an. Dadurch werden Internet Service Provider (ISPs) unter Druck gesetzt, die Effizienz ihres Netzmanagements zu erhöhen. Der Einsatz von Software-Defined Networking (SDN) zur Implementierung der von ISPs angebotenen Dienste ist ein Weg dieses Ziel zu erreichen. ISP Netze stellen jedoch hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der erbrachten Dienste und damit der SDN Control Plane. SDN Control Planes bestehen aus Steuerungsanwendungen und einem deren Zugriff auf die Data Plane koordinierenden SDN Controller. Diesen hohen Anforderungen werden heutige Control Planes nicht gerecht. Der Hauptgrund dafür besteht darin, dass der Control Pfad, also der Teil von Data Plane Elementen, der für die Ausführung von SDN Protokollnachrichten zuständig ist, nicht ausreichend virtualisiert ist. Dies kann dazu führen, dass der Zugriff auf die Data Plane von für den Netzbetrieb essentiellen Anwendungen durch unwichtige Anwendungen blockiert wird. Dieser Mangel an Zuverlässigkeit ist Grund, warum SDN heute nicht für den Einsatz in ISP Netzen geeignet ist. Um dieses Problem zu lösen, stellen wir in dieser Arbeit einen ressourcenorientierten Ansatz zur Analyse der Leistungseigenschaften der Control Pfade von SDN Data Planes vor. Der Ansatz wird beispielhaft auf ein State-of-the-Art Data Plane Element angewendet und damit erstmals gezeigt, wie Performanceeigenschaften analysiert werden können. Als ein Ergebnis stellen wir erstmalig ein Verfahren zur Virtualisierung des Einfügens neuer Regeln in SDN Data Planes vor. Auf Basis dieser Erkenntnisse untersuchen wir anhand von zwei repräsentativen Ansätzen, Network Function Chaining und Multicast, wie SDN Control Plane Anwendungen auf lokale und globale Engpässe in Control Pfaden reagieren können. Lokale Engpässe treten dabei auf einzelnen Data Plane Elementen auf. Die präsentierte Network Function Chaining Anwendung reagiert auf solche Engpässe mit einer Verlagerung der Control Pfad Last auf ein anderes Data Plane Element. Eine globale Speicherknappheit in der Data Plane kann durch das vorgestellte Adaptive Software-Defined Multicast System über einen gezielten und steuerbaren Trade-Off zwischen der Nutzung von Speicher in der Data Plane und für die Übertragung benötigte Datenrate umgangen werden. Weiter stellen wir mit Adaptive Bit-Indexed Software- Defined Multicast einen adaptiven Multicast-Ansatz auf Basis des effizienten Bit-indexed Replication Verfahrens vor. Für beide Anwendungen wird untersucht, auf Basis welcher Informationen sie über die Reaktion auf Engpässe entscheiden sollten. Zusammenfassend zeigen wir in dieser Arbeit, wie die Leistungseigenschaften der SDN Data Plane systematisch untersucht werden und wie die dabei gewonnenen Informationen genutzt werden können, um die Zuverlässigkeit und Effizienz der Diensterbringung zu verbessern, um damit den Anforderungen von ISPs gerecht zu werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Jeremias Blendin
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 23 Jan 2019 13:41
Last Modified: 23 Jan 2019 13:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83875
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf and Karl, Prof. Dr. Holger
Refereed: 26 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8387
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