Zum systematischen Unternehmensnetzwerkmanagement

Im Vergleich zur heutigen System- und Softwarelandschaft, sind traditionelle Netzwerkparadigmen weitgehend zurückgeblieben, insbesondere im Bezug auf die Möglichkeit, Abstraktionsmechanismen und Schnittstellen zur Automatisierung von Netzwerkverwaltung und -orchestrierung bereitzustellen. Netzwerke exponieren dem Betreiber eine systemnahe, nicht notwendige Komplexität. Es ist allgemein bekannt, dass traditionelle Netzwerkinfrastruktur nur begrenzt erweiterbar ist, was wiederum auf ihren weitgehend vertikal integrierten Charakter zurückzuführen ist. Dies beschränkt die Möglichkeiten von Forschern und Netzwerkbetreibern, Systeme zur Automatisierung und zur Abstraktion von Netzwerken zu entwickeln und schließlich im operativen Umfeld anzuwenden. Sowohl in der Industrie als auch in der Forschungsgemeinschaft wird zunehmend realisiert, dass aktuelle Lösungsansätze den weiterhin bestehenden Herausforderungen nicht mehr standhalten. Damit einhergehend wird die zunehmende Notwendigkeit erkannt, neuartige Lösungen zur Netzwerkverwaltung zu entwickeln und anzuwenden. In den letzten Jahren wurde Softwarde Defined Networking (SDN) bekannt als ein neues Paradigma, mit welchem die fundamental notwendigen, aber noch immer fehlenden, Abstraktionsfähigkeiten traditioneller Netzwerkverwaltung verwirklicht werden können. Durch das neuerliche Aufkommen von SDN leistet diese Arbeit einen Beitrag zu mehreren Herausforderungen in Bezug auf Netzwerkdesign, -planung, -verwaltung, sowie -fehlerbehebung. In dieser Arbeit werden zentrale Abwägungen im Bezug auf die Verteilung von Zustand auf der Steurungsebene analysiert. Diese Abwägungen entstehen durch das Konzept von einer "logisch zentralisierten Netzwerkkontrollschicht", einem fundamentalen Konzept von SDNs. Zunächst wird das Problem der konsistenten, verteilten Komposition von Richtlinien in der logisch zentralisierten Kontrollschicht angegangen. Basierend auf dieser Abstraktion wird ein neuer Ansatz, "Software Transactional Networking", vorgestellt. Dieser Ansatz erlaubt verteilte und nebenläufige Regelkompositionen von multiplen Akteuren unter Einhaltung von Konsistenz- und Livenesseigentschaften. Des Weiteren wird ein neuartiges Werkzeug zur Fehlerbehebung, OFRewind, vorgestellt, welches die logisch zentralisierte Steuerungsschicht nutzt um eine Abstraktion für netzwerkweites "Aufzeichnen und Wiedergeben" zu ermöglichen. Darüber hinaus wird eine Architektur und Methodik, Panopticon, vorgestellt, welche die inkrementelle Einführung von logisch zentralisierter Nertzwerkkontrolle in existierenden Firmennetzwerke ermöglicht und hierbei lediglich die Abstraktion eines logischen SDNs exponiert. Schließlich werden offene Forschungsfragen diskutiert und vielversprechende Zukunftsausrichtungen identifiziert.Compared to the contemporary system and software landscapes, traditional computer network operations have notably lagged behind with regard to their ability to incorporate abstractions and interfaces for management automation and orchestration. Networks expose unnecessary low-level complexity to the operator. One prevailing observation is that historically, traditional network infrastructure has exhibited limited extensibility due to its very often vertically-integrated nature. This, in turn, limits the ability of network practitioners and researchers to develop and introduce such automation and abstraction into network operations. There has been a growing realization not only within the networking research community but also in industry that current solutions to ongoing network challenges cannot be sustained and that new solutions must be applied to the underlying sources of network management complexity. Over the past several years, Software Defined Networking (SDN) has emerged as a paradigm in which the fundamentally needed, yet missing abstractions of traditional network management can be realized. Leveraging the recent emergence of such software defined networks, this thesis makes contributions that address ongoing challenges related to network design, planning, management, and troubleshooting. In this thesis, we investigate and characterize key state distribution design trade-offs arising from the "logically centralized network control plane", a fundamental architectural hallmark of software defined networks. We then explore the problem of consistent, distributed policy composition in the logically centralized control plane. Based on the "logically centralized" control plane abstraction, we propose an approach, Software Transactional Networking, to enable distributed, concurrent, multi-authorship of network-policy subject to key consistency and liveness properties. We propose a novel troubleshooting tool, OFRewind, which leverages the logically centralized control plane to realize an abstraction for network-wide record and replay debugging in networks. We devise an architecture and methodology, Panopticon, to enable the incremental deployment of the logically centralized network control plane into existing enterprise networks, exposing the abstraction of a logical Software Defined Network. Finally, we identify open research problems and promising future directions for work and conclude