Network coding data planes with programmable switches

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pinto, Diogo Figueiredo
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/30687
Resumo: Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Network coding data planes with programmable switchesRedes definidas por softwareOpenFlowCodificação na redeComutadores programáveisP4Teses de mestrado - 2017Departamento de InformáticaTese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Atualmente, as redes de computadores seguem um paradigma tradicional de store-andforward, ou seja, os dispositivos de rede fazem armazenamento, encaminhamento e/ou replicação de pacotes recebidos, sem os modificar. No virar do milénio, surgiu um artigo seminal [24], no qual foi demonstrado teoricamente que a combinação da informação proveniente de diversos pacotes, permite aumentar a capacidade de uma rede relativamente à capacidade máxima, alcançada por simples encaminhamento. Este resultado representou o nascimento de uma área promissora de investigação, conhecida como Codificação na Rede (Network Coding). A ideia é permitir que os nós intermédios da rede, possam aplicar uma função de codificação sobre o conteúdo dos pacotes antes do seu encaminhamento, proporcionando assim um novo paradigma de store-code-forward. A família de técnicas tradicionais pode ser divida em duas categorias, com propósitos distintos. Codificação na Origem (Source Coding) com o objetivo de comprimir a informação enviada, e Codificação no Canal (Channel Coding) para compensar perdas e alteração de informação em canais ruidosos. Com codificação na rede, surge oportunidade para a definição de técnicas mais elaboradas e que visam outros propósitos. Deste modo, as técnicas de codificação tradicionais podem ser extendidas para além da codificação de pacotes em nós de origem, e da descodificação em nós de destino. De um ponto de vista geral, a codificação na rede tem potencial para melhorar a taxa de transferência de informação na rede; aumentar a resiliência contra perda de pacotes, interrupção de canais e nós da rede; e aumentar a segurança contra ataques maliciosos que visam a captura, interpretação e modificação de pacotes. Como técnica, a codificação na rede pode ser aplicada de dois modos distintos. Por um lado, sobre pacotes provenientes de um único fluxo de comunicação (intraflow network coding) e por outro, sobre múltiplos fluxos sem qualquer relação entre si (interflow network coding). A título de exemplo, se considerarmos dois fluxos que chegam a um switch por dois canais distintos, mas que contestam o mesmo canal de saída, temos um gargalo na rede. Usando codificação na rede, o switch pode aplicar, bit a bit, o Ou-Exclusivo (XOR) sobre dois pacotes (um de cada fluxo) e encaminhar o resultado. A taxa de transferência é melhorada, pois o switch necessita apenas de encaminhar um pacote codificado em vez de dois originais. É de salientar que, de forma a descodificar o pacote, o nó de destino tem de ter um dos pacotes originais usados na codificação. Portanto, as vantagens da codificação na rede estão dependentes da topologia da rede, da própria função de codificação utilizada, e do modo como é aplicada. Numa rede, um nó intermédio terá à partida acesso a vários pacotes. De forma a tirar máximo partido da técnica de codificação na rede, as funções de codificação utilizadas acabam por consistir num código linear (Linear Network Coding). A ideia é considerar todos os pacotes de uma mensagem a enviar (por exemplo, um ficheiro de texto, um vídeo, ou até um simples pedido HTTP) como um vetor de elementos de um dado campo finito. O tamanho de cada elemento, é dado pelo número de bits necessário para representar o maior valor desse campo. Se por exemplo o campo finito for 256, cada elemento terá 8 bits. A um vetor de elementos, damos o nome de símbolo. Associado a cada símbolo transmitido na rede, existe um vetor de coeficientes, necessário para codificação e descodificação. O tamanho do vetor, é ditado pelo número de símbolos originais. Se a mensagem é divida em 5 símbolos, então o vetor tem tamanho 5. Para codificar e criar um novo símbolo, o nó da rede começa por selecionar um novo vetor de coeficientes local. A função de codificação consiste numa combinação linear sobre um dado número de símbolos, utilizando o novo vetor local. O vetor do novo símbolo codificado é obtido da mesma forma. Sobre os vetores dos símbolos utilizados, é feita uma combinação linear utilizando o vetor local. Para descodificar os símbolos originais, são necessários um número igual de símbolos codificados, linearmente independentes. De forma a que os símbolos codificados e recodificados na rede, sejam linearmente independentes, podem ser utilizados algoritmos de tempo polinomial [59], para estabelecer os vetores locais utilizados por cada nó intermédio da rede. De forma a simplificar o problema, os vetores locais podem ser aleatórios (Random Linear Network Coding). Se o campo finito for suficientemente grande, a probabilidade de obter símbolos codificados linearmente independentes chega perto dos 100%. De forma a ter vetores mais reduzidos, tornando as operações mais simples, e permitindo uma descodificação gradual, os símbolos originais da mensagem podem ser organizados em gerações. Por cada geração, são gerados e injetados pela rede, símbolos codificados. Quando uma geração é descodificada, procede-se para a geração seguinte. Repare-se que a função de codificação referida anteriormente, com base em XOR, é o caso base e mais simples de um código linear. Neste caso, o campo finito é de tamanho 2. Apesar de ser um conceito relativamente simples, implementar e usar técnicas de codificação no plano de dados dos próprios dispositivos de rede é uma tarefa bastante complicada. Até mesmo quase impossível na maioria dos casos, visto que a payload dos pacotes é sujeita a alterações. O seu funcionamento baseia-se em protocolos fixos, que correm no próprio hardware de forma a maximizar o desempenho, o que torna difícil a tarefa de configurar e gerir uma rede para além das simples operações de encaminhamento de pacotes. Por este motivo, as implementações práticas de codificação na rede que têm vindo a surgir nos últimos anos, operam em redes overlay. Uma rede overlay reside logicamente na camada de aplicação, implicando que os dispositivos de rede propriamente ditos não são alterados. O interesse crescente em operações mais complexas e exigentes na rede, mas condicionado pelo funcionamento rígido e fechado dos routers e switches tradicionais, motivou uma mudança de paradigma: de redes configuráveis para redes programáveis. A primeira instância de uma rede programável é conhecida como Rede Definida por Software (SDN). Numa rede SDN, o plano de controlo é separado do plano de dados, e reside num dispositivo à parte - um controlador logicamente centralizado. Utilizando a informação de pacotes provenientes do plano de dados dos switches, o controlador pode definir políticas de configuração mais flexíveis e instalar regras nas tabelas match-action dos mesmos. A comunicação entre os switches e o controlador está estandardizada, sendo utilizado um protocolo conhecido como OpenFlow. A limitação de switches e controladores Open- Flow está no processamento de pacotes, que continua a ser fixo. De facto, o OpenFlow atua sobre um conjunto fixo de protocolos. Além disso, a sequência de tabelas e ações de um switch Openflow também é fixa. Portanto, o OpenFlow não permite realmente definir nova funcionalidade no plano de dados de um switch. Apenas fornece um meio para o controlador tomar decisões e instalar regras nas tabelas match-action, dos mesmos. No âmbito de codificação na rede, este fator impossibilita a alteração da payload dos pacotes, e consequentemente a sua combinação. No entanto, têm vindo a surgir recentemente switches programáveis, alguns até já em produção (por exemplo, Tofino da Barefoot Networks). Estes dispositivos permitem a programação e reprogramação do plano de dados, o que possibilita uma definição precisa e customizada do modo de processamento de pacotes. Com esta liberdade, a codificação na rede torna-se possível, no plano de dados. Porém, a sua programação é baseada em interfaces de baixo nível, tornando-se um processo demorado e doloroso. Esta dificuldade, acrescida também às limitações descritas do OpenFlow, motivou a criação da linguagem de alto nível, P4. A linguagem P4 permite definir cabeçalhos, parsers e a sequência de tabelas de matchaction, para qualquer dispositivo de rede compatível. As ações podem ser definidas utilizando um conjunto de primitivas básicas oferecidas pela linguagem. A linguagem P4 oferece três vantagens. Primeiro, não está dependente de protocolos e formatos de pacotes específicos, uma vez que a sua definição pode ser feita pelo programador. Segundo, permite a reconfiguração do switch a qualquer momento. Terceiro, não depende do hardware subjacente, podendo ser escrita, da mesma forma, para qualquer dispositivo que tenha o compilador adequado. O objetivo desta dissertação consiste no desenho, implementação e avaliação do primeiro switch capaz de realizar codificação no plano de dados, recorrendo à linguagem P4. Mais concretamente, a nossa solução consiste em dois switches: um que executa XOR (P4- XOR Switch), e outro que executa uma variante de Random Linear Network Coding (P4-RLNC Switch). Durante a implementação enfrentámos vários desafios, devido às peculiaridades da linguagem. Entre os principais fatores que dificultaram a implementação, está o facto de a linguagem ser declarativa, não permitindo a criação de estruturas de dados auxiliares em tempo de execução; e a impossibilidade de criar ciclos, essencial para repetir o mesmo processo de codificação sobre os vários elementos dos símbolos, no caso do P4-RLNC Switch. Sendo um trabalho inovador, a avaliação focou-se essencialmente na funcionalidade dos dois switches concretizados. Adicionalmente, a performance do P4-XOR Switch também foi avaliada.Network Coding (NC) is a technique that can be used to improve a network’s throughput. In addition, it has significant potential to improve the security, manageability, resilience (to packet losses, link failures and node departures) and the support of quality of service, in both wired and wireless network environments. The idea is to allow intermediate nodes of the network (i.e. switches and/or routers) to mix the contents of incoming data packets before forwarding them. Something that, traditionally carried out at source nodes, is therefore extended to the network, creating an array of new options. The difficulty of deploying NC on traditional switches lies in the impossibility to change or extend their operation with the requirements of this new paradigm. The devices are closed, the software and underlying hardware are vendor specific, and follow a fixed set of protocols and processing pipeline. This rigidity precludes NC in today’s switches and routers. Fortunately, programmable switches are beginning to emerge, with some already achieving production-levels and reaching the market (e.g., Barefoot Tofino). A new high-level language to program these switches has recently been proposed: P4. The P4 language allows the precise definition of how packets are processed in these programmable switches. Namely, it enables the definition of headers, parsers, match-action tables, and the processing pipeline itself. Therefore, by taking advantage of these constructs, P4 enables the deployment of NC, on the switch’s data plane, for the first time. In this dissertation, we design and implement two NC switches using the P4 language. Both switches employ Linear Network Coding (LNC). The main difference is that the first (P4-XOR Switch), simply performs the XOR of packets (i.e., a linear code with field size 2). The second (P4-RLNC Switch) is more generic, allowing larger field sizes. For this purpose it performs Random Linear Network Coding (RLNC), which is a random variant of LNC. The evaluation was performed on Mininet (a network emulator) and focused on the functionality of both switches. Additionally, the performance of the P4-XOR Switch was tested as well. The main conclusion is that our implementations correctly perform the required operations allowing, for the first time, NC to be performed in real data planes.Ramos, Fernando Manuel ValenteMédard, MurielRepositório da Universidade de LisboaPinto, Diogo Figueiredo2018-01-17T15:24:34Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/30687TID:201870231enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:23:36Zoai:repositorio.ul.pt:10451/30687Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:19.049313Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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