Fast reroute using segment routing for smart grids

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Brito, Frederico António Silva de
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/25614
Resumo: Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016
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spelling Fast reroute using segment routing for smart gridsSDNSegment RoutingEngenharia de tráfegoEncaminhamento resilienteBalanceamento de cargaSmart GridTeses de mestrado - 2016Departamento de InformáticaTese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016A rede eléctrica tem contribuído de forma extraordinária para o nosso dia-a-dia nas últimas décadas e, como tal, tornou-se essencial para a nossa sociedade. Hoje em dia, estão a ser tomadas decisões para a modernizar, de modo a que seja possível fornecer novos serviços. Graças ao aumento da produção¸ ão de electricidade através de energias renováveis (energia solar, hídrica e eólica), e ao aumento do consumo de energia, é vista como necessária uma reestruturação da rede eléctrica. Para atingir estes objectivos, foi proposta uma nova geração destas redes, as Smart Grids (SG). As SG são compostas por dispositivos electrónicos inteligentes, sensores com e sem fios e contadores inteligentes que necessitam de se coordenar para funcionarem correctamente. Como tal, é fundamental ter uma rede de comunicação moderna capaz de suportar estes desafios [1]. Um conjunto de propriedades de que se destacam a escalabilidade, disponibilidade e segurança, são fulcrais para o funcionamento das SG. Para as SG a infra-estrutura de comunicação tem um papel particularmente importante para que se possam cumprir estas necessidades. As tecnologias actuais baseadas em Internet Protocol (IP) e em Multiprotocol Layer Switching (MPLS) tˆem conseguido corresponder a estas necessidades. O protocolo IP é um dos alicerces para a comunicação mundial, enquanto que o MPLS tem sido adoptado pelas suas capacidades de engenharia de tráfego. No entanto, as redes de IP tradicionais são difíceis de gerir e tornam complicado o desenho de soluções que permitam utilização eficiente de recursos e que possibilitem comunicação resiliente. Por outro lado, o MPLS tem problemas de escalabilidade devido ao uso de protocolos complexos como o Resource Reservation Protocol with Traffic Engineering (RSVP-TE). As Software Defined Networks (SDN) promete resolver alguns dos problemas mencionados anteriormente, a partir do desacoplamento do plano de dados do plano de controlo, que passa a ser gerido por um controlador logicamente centralizado [2][3][4]. Deste modo, as aplicações que são executadas no controlador têm uma visão centralizada do estado da rede, o que facilita a procura de soluções de gestão de redes. No entanto, os operadores de SG poderão apresentar alguma relutância ao mover todos os seus elementos da rede para uma SDN. Felizmente, foi proposto recentemente um novo protocolo pela Internet Engineering Task Force (IETF) – Segment Routing (SR) [5] – que permite a centralização lógica oferecida por uma SDN num ambiente de uma rede MPLS. SR ´e muito semelhante ao MPLS, na medida em que utiliza segmentos que se comportam como etiquetas MPLS. A comutação de pacotes, baseada também nestas etiquetas, é gerida por comutadores que usam as mesmas acções do MPLS (push, pop e swap). No entanto, ao contrário do MPLS, o SR não necessita de protocolos complexos como o RSVP-TE, simplificando a gestão da rede. O SR utiliza uma forma de source routing, facilitadora da sua integração. Desta forma o SR pode ser integrado com os controladores SDN e outras aplicações. Para implementar SR, o controlador SDN apenas precisa de enviar uma lista ordenada de segmentos para o encaminhador que a insere no cabeçalho dos pacotes quando necessitarem de serem enviados. Isto torna possível a criação de uma solução mais simples e escalável para engenharia de tráfego. Nesta tese vamos explorar o uso de SR para avaliar a resiliencia da rede. O objectivo passa por desenhar e avaliar as soluções que forneçam reencaminhamento rápido após uma falha de uma ligação entre nós. Em particular, fornece a capacidade de realizar reencaminhamento rápido enquanto fornece uma grande percentagem de cobertura. Aproveitando as características das SDN e de SR, as nossas soluções permitem que o controlador pré compute os caminhos de backup necessários para instalar nos encaminhadores, mantendo o plano de dados em MPLS inalterado. A contribuição principal desta tese pode ser resumida em dois pontos: 1. Desenho de uma solução de reencaminhamento rápido em caso de faltas para Smart Grids, usando SR e SDN. 2. Fornecer uma avaliação exaustiva do algoritmo de modo a que se consiga compreender os seus benefícios e limitações. O algoritmo proposto utiliza vários comutadores que são utilizados como destinos intermédios, que garantem a entrega dos pacotes após a falha de uma ligação entre nós. Como tal, também propomos dois selectores de segmentos que fornecem reencaminhamento rápido mas com características diferentes. A primeira solução, Fast Segment Drop (FSD), selecciona um segmento próximo da origem do caminho em vez do segmento mais próximo do destino. Isto permite que os pacotes que atravessam a rede causem o menor overhead possível. O overhead devese ao número de segmentos usados em cada nó durante o caminho. Assim sendo, se escolhermos um segmento mais próximo do destino o overhead será maior. A segunda solução, Congestion Avoidance Segment (CAS), escolhe segmentos que podem aumentar o overhead mas que, em contraste, fornecem a capacidade de escolher o caminho com menor utilização. Deste modo pode-se evitar estrangulamentos existentes na rede. Para compararmos as nossas soluções implementamos um selector aleatório e o algoritmo TI-LFA [6]. Os resultados demonstram que para a maioria das topologias uma falha entre nós pode ser tolerada utilizando Loop Free Alternatives (LFA). No entanto ainda existem cerca de 20% dos casos que necessitam de utilizar um segmento para tolerar uma falha, enquanto que dois segmentos raramente são necessários. Também foi possível concluir que o nosso algoritmo fornece mais flexibilidade na escolha de segmentos do que TI-LFA visto que permite uma maior escolha de segmentos. Utilizando CAS é possível reduzir ligeiramente a congestão das ligações na rede em grids e em topologias reais.With the increase of power generation from renewable sources and with a growing energy demand, the traditional communication network underpinning the actual electric power grid needs an overhaul. As a response, the Smart Grid is a new generation of electric grids that aims to fulfill this goal. Smart Grids demand a set of properties that range from high availability to scalability and security. Therefore, the communication infrastructure plays an important role. Current Internet Protocol-based and Multiprotocol Layer Switching (MPLS) technologies have been suggested capable in achieving those needs. However, IP networks have problems to offer traffic engineering solutions and MPLS faces scalability problems due to the use of complex protocols such as RSVP-TE. A new network paradigm, Software-Defined Networks (SDN), is revolutionizing the way computer networks are built and operated, and is leading to the “softwarization” of networking. Showing promise to solve some of the above problems. However, smart grid operators may be reluctant to move all their network elements to SDN anytime soon. Fortunately, Segment routing, recently proposed by the IETF, allows SDN to be used in the context of MPLS networks. The data plane of Segment Routing is similar to MPLS as it uses segments that behave as MPLS labels and is managed in switches using similar actions. In this thesis we present algorithms for fast reroute in SR networks. We propose two solutions: Fast Segment Drop (FSD) that aims to minimize packet overhead and segment list size; and Congestion Avoidance Segment (CAS), a solution that provides traffic engineering by minimizing the maximum link load. The results indeed show that by using CAS reduces network congestion when compared with other algorithms. FSD provides higher coverage using just one segment thus reducing overhead.Ramos, Fernando Manuel ValenteNeves, Nuno Fuentecilla Maia Ferreira, 1969-Repositório da Universidade de LisboaBrito, Frederico António Silva de2016-12-30T11:22:27Z201620162016-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/25614TID:201343347enginfo: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:RCAAP2023-11-08T16:15:14Zoai:repositorio.ul.pt:10451/25614Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:42:28.725390Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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