PhD Theses at KOM

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

Monday November 26, 2018

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 a controller to coordinate the data plane access, do not meet the central requirement for services in ISPs networks: reliability.
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 the matching memory to data plane bandwidth. 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.

German abstract:

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 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 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 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 im Control Pfad reagieren
können. Lokale Engpässe treten dabei auf einzelnen Data Plane Elementen auf. Die
präsentierte Network Function Chaining Anwendung reagiert auf solche Engpässe mit
einerVerlagerung der Control Path Last auf ein anderes Data Plane Element. Eine globalen
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 Übertragungsbandbreite umgangenwerden.
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 derSDN
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.

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