Analysis and Optimization of Hybrid Software-Defined Networks

Caria, Marcel

Hybrid IP networks that use both control plane paradigms - distributed and centralized - promise the best of two worlds: programmability and flexible control of Software-Defined Networking (SDN), and at the same time the reliability and fault tolerance of distributed routing protocols like Open Shortest Path First (OSPF). Hybrid SDN/OSPF networks typically deploy OSPF to assure care-free operation of best effort traffic, while SDN can control prioritized traffic. This "ships-passing-in-the-night" approach, where both control planes are unaware of each other's configurations, only require hybrid SDN/OSPF routers that can participate in the domain-wide legacy routing protocol and additionally connect to a central SDN controller. This mode of operation is however known for a number of challenges in operational networks, including those related to network failures, size of forwarding tables, routing convergence time, and the increased complexity of network management. There are alternative modes of hybrid operation that provide a more holistic network control paradigm, either through an OSPF-enabled SDN controller, or a common network management system that allows the joint monitoring and configuration of both control planes, or via the partitioning of the legacy routing domain with SDN border nodes. The latter mode of operation offers to some extent to steer the working of the legacy routing protocol inside the sub-domains, which is new. The analysis, modeling, and evaluative comparison of this approach called SDN Partitioning with other modes of operation is the main contribution of this thesis. This thesis addresses important network planning tasks in hybrid SDN/OSPF networks and provides the according mathematical models to optimize network clustering, capacity planning, SDN node placement, and resource provisioning for a fault tolerant operation. It furthermore provides the mathematical models to optimize traffic engineering, failure recovery, reconfiguration scheduling, and traffic monitoring in hybrid SDN/OSPF networks, which are vital network operational tasks.

Hybride IP-Netzwerke, die beide Control-Plane-Paradigmen einsetzen - verteilt und zentralisiert - versprechen das Beste aus beiden Welten: Programmierbarkeit und flexible Kontrolle des Software-Defined Networking (SDN) und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz von verteilten Routingprotokollen wie Open Shortest Path First (OSPF). Hybride SDN/OSPF-Netze nutzen typischerweise OSPF für die wartungsarme Bedienung des Best-Effort-Datenverkehrs, während SDN priorisierte Datenströme kontrolliert. Bei diesem Ansatz ist beiden Kontrollinstanzen die Konfiguration der jeweils anderen unbekannt, wodurch hierbei hybride SDN/OSPF Router benötigt werden, die am domänenweiten Routingprotokoll teilnehmen können und zusätzlich eine Verbindung zu einem SDN-Controller herstellen. Diese Arbeitsweise bereitet jedoch bekanntermaßen eine Reihe von Schwierigkeiten in operativen Netzen, wie zum Beispiel die Reaktion auf Störungen, die Größe der Forwarding-Tabellen, die benötigte Zeit zur Konvergenz des Routings, sowie die höhere Komplexität der Netzwerkadministration. Es existieren alternative Betriebsmodi für hybride Netze, die einen ganzheitlicheren Kontrollansatz bieten, entweder mittels OSPF-Erweiterungen im SDN-Controller, oder mittels eines übergreifenden Netzwerkmanagementsystems, dass das Monitoring und die Konfiguration aller Netzelemente erlaubt. Eine weitere Möglichkeit stellt das Clustering der ursprünglichen Routingdomäne in kleinere Subdomänen mittels SDN-Grenzknoten dar. Dieser neue Betriebsmodus erlaubt es zu einem gewissen Grad, die Operationen des Routingprotokolls in den Subdomänen zu steuern. Die Analyse, Modellierung und die vergleichende Evaluation dieses Ansatzes mit dem Namen SDN-Partitionierung und anderen hybriden Betriebsmodi ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation. Diese Dissertation behandelt grundlegende Fragen der Netzplanung in hybriden SDN/OSPF-Netzen und beinhaltet entsprechende mathematische Modelle zur Optimierung des Clusterings, zur Kapazitätsplanung, zum Platzieren von SDN-Routern, sowie zur Bestimmung der notwendigen Ressourcen für einen fehlertoleranten Betrieb. Desweiteren enthält diese Dissertation Optimierungsmodelle für Traffic Engineering, zur Störungsbehebung, zur Ablaufplanung von Konfigurationsprozessen, sowie zum Monitoring des Datenverkehrs in hybriden SDN/OSPF-Netzen, was entscheidende Aufgaben der Netzadministration sind.

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Caria, Marcel: Analysis and Optimization of Hybrid Software-Defined Networks. 2017.

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