Eine Untersuchung von Anwendungen und Leistungsbewertung von Software Defined Networking

With the introduction of OpenFlow by the Stanford University in 2008, a process began in the area of network research, which questions the predominant approach of fully distributed network control. OpenFlow is a communication protocol that allows the externalization of the network control plane from the network devices, such as a router, and to realize it as a logically-centralized entity in software. For this concept, the term "Software Defined Networking" (SDN) was coined during scientific discourse. For the network operators, this concept has several advantages. The two most important can be summarized under the points cost savings and flexibility. Firstly, it is possible through the uniform interface for network hardware ("Southbound API"), as implemented by OpenFlow, to combine devices and software from different manufacturers, which increases the innovation and price pressure on them. Secondly, the realization of the network control plane as a freely programmable software with open interfaces ("Northbound API") provides the opportunity to adapt it to the individual circumstances of the operator's network and to exchange information with the applications it serves. This allows the network to be more flexible and to react more quickly to changing circumstances as well as transport the traffic more effectively and tailored to the user’s "Quality of Experience" (QoE). The approach of a separate network control layer for packet-based networks is not new and has already been proposed several times in the past. Therefore, the SDN approach has raised many questions about its feasibility in terms of efficiency and applicability. These questions are caused to some extent by the fact that there is no generally accepted definition of the SDN concept to date. It is therefore a part of this thesis to derive such a definition. In addition, several of the open issues are investigated. This Investigations follow the three aspects: Performance Evaluation of Software Defined Networking, applications on the SDN control layer, and the usability of SDN Northbound-API for creation application-awareness in network operation. Performance Evaluation of Software Defined Networking: The question of the efficiency of an SDN-based system was from the beginning one of the most important. In this thesis, experimental measurements of the performance of OpenFlow-enabled switch hardware and control software were conducted for the purpose of answering this question. The results of these measurements were used as input parameters for establishing an analytical model of the reactive SDN approach. Through the model it could be determined that the performance of the software control layer, often called "Controller", is crucial for the overall performance of the system, but that the approach is generally viable. Based on this finding a software for analyzing the performance of SDN controllers was developed. This software allows the emulation of the forwarding layer of an SDN network towards the control software and can thus determine its performance in different situations and configurations. The measurements with this software showed that there are quite significant differences in the behavior of different control software implementations. Among other things it has been shown that some show different characteristics for various switches, in particular in terms of message processing speed. Under certain circumstances this can lead to network failures. Applications on the SDN control layer: The core piece of software defined networking are the intelligent network applications that operate on the control layer. However, their development is still in its infancy and little is known about the technical possibilities and their limitations. Therefore, the relationship between an SDN-based and classical implementation of a network function is investigated in this thesis. This function is the monitoring of network links and the traffic they carry. A typical approach for this task has been built based on Wiretapping and specialized measurement hardware and compared with an implementation based on OpenFlow switches and a special SDN control application. The results of the comparison show that the SDN version can compete in terms of measurement accuracy for bandwidth and delay estimation with the traditional measurement set-up. However, a compromise has to be found for measurements below the millisecond range. Another question regarding the SDN control applications is whether and how well they can solve existing problems in networks. Two programs have been developed based on SDN in this thesis to solve two typical network issues. Firstly, the tool "IPOM", which enables considerably more flexibility in the study of effects of network structures for a researcher, who is confined to a fixed physical test network topology. The second software provides an interface between the Cloud Orchestration Software "OpenNebula" and an OpenFlow controller. The purpose of this software was to investigate experimentally whether a pre-notification of the network of an impending relocation of a virtual service in a data center is sufficient to ensure the continuous operation of that service. This was demonstrated on the example of a video service. Usability of the SDN Northbound API for creating application-awareness in network operation: Currently, the fact that the network and the applications that run on it are developed and operated separately leads to problems in network operation. SDN offers with the Northbound-API an open interface that enables the exchange between information of both worlds during operation. One aim of this thesis was to investigate whether this interface can be exploited so that the QoE experienced by the user can be maintained on high level. For this purpose, the QoE influence factors were determined on a challenging application by means of a subjective survey study. The application is cloud gaming, in which the calculation of video game environments takes place in the cloud and is transported via video over the network to the user. It was shown that apart from the most important factor influencing QoS, i.e., packet loss on the downlink, also the type of game type and its speed play a role. This demonstrates that in addition to QoS the application state is important and should be communicated to the network. Since an implementation of such a state conscious SDN for the example of Cloud Gaming was not possible due to its proprietary implementation, in this thesis the application “YouTube video streaming” was chosen as an alternative. For this application, status information is retrievable via the "Yomo" tool and can be used for network control. It was shown that an SDN-based implementation of an application-aware network has distinct advantages over traditional network management methods and the user quality can be obtained in spite of disturbances.Mit der Vorstellung von OpenFlow durch die Stanford Universität im Jahre 2008 begann ein Prozess im Bereich der Netzwerkforschung, der den vorherrschenden Ansatz der völlig verteilten Netzsteuerung in Frage stellt. Bei OpenFlow handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll, das es ermöglicht die Netzsteuerung aus den Netzwerkgeräten, z. B. einem Router, herauszulösen und als logisch-zentralisierte Einheit als reine Software zu realisieren. Ein Konzept für das im Verlauf des wissenschaftlichen Diskurses der Begriff „Software Defined Networking“ (SDN) geprägt wurde. Für die Betreiber von Netzwerken hat dieses Konzept verschiedene Vorteile. Die beiden wichtigsten lassen sich unter den Punkten Kostenersparnis und Flexibilität zusammenfassen. Zum einen ist es durch die einheitliche Schnittstelle zur Netzwerkhardware („Southbound-API“), wie sie von OpenFlow realisiert wird, möglich Geräte und Software verschiedener Hersteller miteinander zu kombinieren, was den Innovations- und Preisdruck auf diese erhöht. Zum anderen besteht durch die Realisierung der Netzwerksteuerung als frei programmierbare Software mit offenen Schnittstellen („Northbound-API“) die Möglichkeit diese an die individuellen Gegebenheiten des Betreibernetzes anzupassen als auch Informationen mit den Applikationen auszutauschen, die es bedient. Dadurch kann das Netz viel flexibler und schneller auf sich ändernde Gegebenheiten reagieren und den Verkehr effektiver und auf die vom Nutzer erfahrene „Quality of Experience“ (QoE) abgestimmt transportieren. Der Ansatz einer von der Hardware getrennten Netzwerkkontrollschicht für paket-basierte Netze ist nicht neu und wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach vorgeschlagen. Daher sah und sieht sich der Ansatz von SDN vielen Fragen nach seiner Realisierbarkeit im Bezug auf Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit gegenüber. Diese Fragen rühren zum Teil auch daher, dass es bis dato keine allgemein anerkannte Definition des SDN Begriffes gibt. Daher ist es ein Teil dieser Doktorarbeit eine solche Definition herzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene der offenen Fragen auf ihre Lösung hin untersucht. Diese Untersuchungen folgen drei Teilaspekten: Leistungsbewertung von Software Defined Networking, Anwendungen auf der SDN Kontrollschicht und die Nutzbarkeit der SDN Northbound-API zum Herstellen eines Applikationsbewusstseins im Netzbetrieb. Leistungsbewertung von Software Defined Networking: Die Frage nach der Leistungsfähigkeit eines SDN-basierten Systems war von Beginn an eine der wichtigsten. In dieser Doktorarbeit wurden zu diesem Zweck experimentelle Messungen zur Leistung OpenFlow-fähiger Switch Hardware und Kontrollsoftware durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen dienten als Eingabeparameter zur Aufstellung eines analytischen Modells des reaktiven SDN Ansatzes. Durch das Modell ließ sich bestimmen, dass die Leistungsfähigkeit der Software Kontrollschicht, oft „Controller“ genannt, von entscheidender Bedeutung für die Gesamtleistung des Systems ist, aber der Ansatz insgesamt tragfähig ist. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde eine Software zur Analyse der Leistungsfähigkeit von SDN Controllern entwickelt. Diese Software ermöglicht die Emulation der Weiterleitungsschicht eines SDN Netzes gegenüber der Kontrollsoftware und kann so deren Leistungsdaten in verschiedenen Situationen und Konfigurationen bestimmen. Die Messungen mit dieser Software zeigten, dass es durchaus gravierende Unterschiede im Verhalten verschiedener Kontrollsoftware Implementierungen gibt. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass einige gegenüber verschiedenen Switches ein unterschiedliches Verhalten aufweisen, insbesondere in der Abarbeitungsgeschwindigkeit von Nachrichten. Ein Umstand der in bestimmten Fällen zu Netzausfällen führen kann. Anwendungen auf der SDN Kontrollschicht: Das Kernstück von Software Defined Networking sind die intelligenten Netzwerkapplikationen, die auf der Kontrollschicht betrieben werden. Allerdings steht deren Entwicklung noch am Anfang und es ist wenig über die technischen Möglichkeiten und deren Grenzen bekannt. Daher wurde in dieser Doktorarbeit der Frage nachgegangen, in welchem Verhältnis sich die Realisierung einer Netzwerkaufgabe mit SDN zur klassischen Umsetzung dieser bewegt. Bei dieser Aufgabe handelt es sich im speziellen um das Monitoring von Links und dem darauf befindlichen Netzwerkverkehr. Hier wurde ein typischer Ansatz für diese Aufgabe basierend auf Wiretapping und spezieller Messhardware aufgebaut und mit einer Implementierung durch OpenFlow Switches und einer speziellen SDN Kontrollapplikation verglichen. Die Ergebnisse des Vergleiches zeigen, dass die SDN Variante im Bezug auf Bandbreiten und Verzögerungsabschätzung durchaus mit dem traditionellen Messaufbau im Bezug auf Messgenauigkeit mithalten kann. Jedoch müssen Abstriche bezüglich der Verzögerungsmessung unterhalb des Millisekundenbereiches gemacht werden. Eine weitere Frage bezüglich der SDN Kontrollapplikationen besteht darin, ob und wie gut sich bestehende Probleme in Netzwerken jetzt mit SDN lösen lassen. Diesbezüglich wurden in dieser Doktorarbeit zwei Programme auf SDN Basis entwickelt, die zwei typische Netzwerkprobleme lösen. Zum einen das Tool „IPOM“, dass es ermöglicht via SDN auf Basis einer festen physikalischen Testnetz-Topologie eine andere zu emulieren und so einem Forscher auf dem Testnetz deutlich mehr Flexibilität bei der Untersuchung von Auswirkungen anderer Netzstrukturen zu ermöglichen. Die zweite Software stellt eine Schnittstelle zwischen der Cloud Orchestration Software „OpenNebula“ und einem OpenFlow Controller dar. Der Zweck dieser Software war es experimentell zu untersuchen, ob eine Vorwarnung des Netzes vor einem bevorstehenden Umzug eines virtuellen Dienstes in einem Datenzentrum hinreichend ist, um den kontinuierlichen Betrieb dieses Dienstes zu gewährleisten. Dieses konnte am Beispiel eines Videodienstes demonstriert werden. Nutzbarkeit der SDN Northbound-API zum Herstellen eines Applikationsbewusstseins im Netzbetrieb: Aktuell führt die Tatsache, dass Netz und Applikationen, die darauf laufen, separat entwickelt und betrieben werden zu Problemen im Netzbetrieb. SDN bietet mit der Northbound-API eine Schnittstelle an, die den Austausch zwischen Informationen beider Welten im Betrieb ermöglicht. Ein Ziel dieser Doktorarbeit war es zu untersuchen, ob sich diese Schnittstelle ausnutzen lässt, so dass die vom Nutzer erfahrene QoE hoch gehalten werden kann. Zu diesem Zwecke wurden zunächst mittels einer subjektiven Umfragestudie die Einflussfaktoren auf eine anspruchsvolle Applikation bestimmt. Bei der Applikation handelt es sich um Cloud Gaming, bei dem die Berechnung der Videospiele Umgebung in der Cloud stattfindet und per Video über das Netz transportiert wird. Hier konnte gezeigt werden, dass neben dem wichtigsten QoS Einflussfaktor Paketverlust auf dem Downlink auch die Art des Spieltyps und dessen Geschwindigkeit eine Rolle spielen. Dies belegt, dass neben QoS auch der Applikationszustand wichtig ist und dem Netz mitgeteilt werden sollte. Da eine Umsetzung eines solchen zustandsbewussten SDNs für das Beispiel Cloud Gaming auf Grund dessen proprietärer Implementierung nicht möglich war, wurde in dieser Doktorarbeit auf die Applikation YouTube Video Streaming ausgewichen. Für diese sind mit Hilfe des Tools „YoMo“ Statusinformationen abfragbar und können zur Netzsteuerung genutzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine SDN-basierte Realisierung eines applikationsbewussten Netzes deutliche Vorteile gegenüber klassischen Netzwerk Management Methoden aufweist und die Nutzerqualität trotz Störfaktoren erhalten werden kann