Contribución al diseño de redes definidas por software

Abstract

[SPA] En los últimos años ha surgido un nuevo concepto de arquitectura de red conocido como Software-Defined Networking (SDN). Contrariamente a las arquitecturas tradicionales, donde el plano de control y el plano de datos coexisten en dispositivos de red tales como routers y switches, este nuevo concepto consiste básicamente en mover el plano de control fuera de dichos dispositivos, dejando sólo el plano de datos. El plano de control quedará por tanto gestionado y administrado por elementos centralizados lógicamente, denominados controladores. Los dispositivos de red se convierten en simples dispositivos de reenvío de paquetes que se programan a través de reglas definidas por el controlador. En SDN, la comunicación entre el plano de control y el plano de datos (dispositivos de red) está establecida principalmente por el protocolo OpenFlow (OF). En esta tesis se han propuesto soluciones eficientes a tres líneas de investigación relativas a las redes SDN: la monitorización y descubrimiento de la red, la eficiencia energética y el desarrollo de un protocolo de encaminamiento no tradicional. La monitorización de la red está adquiriendo importancia como consecuencia de que cada vez más Proveedores de Servicios de Internet (ISP) y redes empresariales despliegan servicios en tiempo real. Tener una visión actualizada de la red y medir su rendimiento con métricas como el throughput, la pérdida de paquetes y el retardo, se presenta como la principal tarea de la monitorización de la red. La obtención de estadísticas de red precisas y significativas ayuda a encontrar la degradación del servicio debida a la congestión y además permite implementar soluciones para la optimización del enrutamiento. Lograr la eficiencia energética se ha convertido recientemente en un tema clave para la comunidad investigadora debido al aumento del consumo de energía y de las emisiones de CO2 generadas por las grandes redes de datos. Si además contemplamos el drástico aumento de tráfico previsto para los próximos años, las emisiones serán todavía más alarmantes. La puesta en modo sleep de los elementos no utilizados es una estrategia eficaz y ampliamente aceptada para reducir el consumo de las redes de datos. En este contexto, las redes definidas por software (SDN) pueden considerarse como una solución atractiva para lograr la tan necesitada eficiencia energética en los sistemas de comunicaciones actuales, ya que permiten una programabilidad adaptable para este problema. En los últimos años, la comunicación host-a-host/contenido/servicio está siendo más demandada que la comunicación host-a-host ofrecida por las soluciones de enrutamiento tradicionales de Protocolo de Internet (IP). En la actualidad, conseguir este tipo de comunicación directamente a nivel de red tiene una demanda creciente en el marco de nuevos escenarios, como el Internet of Things y los escenarios de data-centers. Apoyándonos en soluciones Key-Based Routing (KBR) que, junto con las Tablas de Hash Distribuidas, han ofrecido una forma de proporcionar soluciones de compartición de contenido en redes overlay desde hace años, en esta tesis se propone una solución de enrutamiento basada en claves que se implementa directamente en la capa de red, aprovechando así el potencial de la tecnología SDN. [ENG] Software-Defined Networking (SDN) is a concept of network architecture that has emerged over the last few years. Contrary to traditional architectures where the control plane and the data plane coexist in network devices such as routers and switches, this concept basically consists on moving the control plane outside network devices and leaves only the data plane inside. The control plane is managed and administered by logically centralized elements called controllers. Network devices become simple packet forwarding devices that can be prograrnmed through rules that are defined by the controller. In SDN, communication between the control plane and the data plane is mainly established by the OpenFlow protocol. In this thesis, efficient solutions have been proposed to three lines of research related to SDNs: networking monitoring and discovering, energy efficiency and development of a non-traditional routing protocol. Network monitoring is becoming more important as more Internet Service Providers and enterprises networks deploy real time services. Having an update view of the network and to measure network performance with metrics like throughput, packet loss and delay is the main task of network monitoring. Obtaining accurate and meaningful network statistics helps find service degradation due to congestion and enables implementation of routing optimization solutions. Achieving energy efficiency has recently become a key topic for networking research dueto the ever-increasing power consumption and C02 emissions generated by large data networks. This problem is becoming even more conceming and challenging given the drastic traffic increase expected over the next few years. Putting into sleep mode unused elements is an effective and widely-accepted strategy to reduce the consumption of data networks. In this context, Software-Defined Networking (SDN) can be seen as an engaging solution to achieve the long-awaited energy efficiency in current communications systems, since they allow an adaptable prograrnmability applicable to this problem. The host-to-host/content/service communication instead of the host-to-host communication ofered by traditional Internet Protocol (IP) routing solutions is being demanded in the last few years. Nowadays, getting this type of communication directly at network level is an increasing demand in the framework of new networking scenarios, such as Internet ofThings and data center scenarios. Based on Key-Based Routing (KBR) solutions which, together with Distributed Hash Tables, have offered a way of providing content-sharing solutions in overlay networks for years now, in this thesis we propase a key-based routing solution directly implemented at the network !ayer, taking advantage of the potential of SDN technology.