Realisierung von softwaregesteuerten Drahtlosnetzwerken

Fueled by the increasing popularity of wireless enabled mobile end-devices and the advent of the Internet-of-Things networks, the demand for wireless access technology is growing rapidly. Today, many hotels and cafés—and sometimes also entire cities—already offer free WiFi services. Moreover, several mobile operators operate massive WiFi HotSpot, as well as HotSpot 2.0, deployments for traffic offloading, i.e., reducing the stress on their cellular networks. Specifically, WiFi (also known as IEEE 802.11 or WLAN) stands as an attractive inexpensive wireless alternative to cellular access technologies due to its simplistic MAC layer design, reduced costs due to its prevalence in consumer off-the-shelf devices, and operation in the unlicensed spectrum. Supporting the ever increasing number of WiFi capable devices across residential, public, and enterprise networks is non-trivial. In particular, the (last) wireless hop is often critical for network performance, as it can contribute a non-negligible delay and may constitute a bandwidth bottleneck. Thus, future WiFi architectures are challenged by optimized medium utilization, mobility support, and network management. The latter challenge is integrating wired, cellular, and WiFi networks seamlessly. While today point solutions exist for some of the WiFi-specific network challenges, commodity off-the-shelf hardware is outside the purview of such ossified, expensive, and vertically integrated solutions. Software-Defined Networking (SDN) is a new paradigm which introduces programmability to overcome network ossification. The key idea of SDN is to decouple the control and data plane to consolidate and outsource the control over a set of network devices to a logically centralized software controller. This allows the control plane to evolve independently of the data plane, enabling faster innovations. SDN is also an enabler for a second paradigm shift in the Internet: Network Functions Virtualization (NFV). Modern networks include many middleboxes to provide a wide range of network functions to improve performance as well as security. NFV aims to virtualize these network functions, and replace dedicated hardware appliances by software applications running on generic compute resources. The resulting orchestration flexibilities can be used for a faster and cheaper service deployment. SDN can be exploited to steer flows through the appropriate network functions. Decoupling data plane and control plane operations, à la Software-Defined Networking, can greatly simplify network management and improve the overall performance and utilization of wired networks. However, SDN and NFV have not yet received as much attention in the context of wireless networks, due to fundamental differences between wireless and wired networks. First and foremost, wireless networks feature many peculiarities and knobs that often do not exist in wired networks. For example, wireless networks need interfaces for flexible resource allocation, client mobility, client-based load balancing, and fine/grained traffic engineering is paramount. Furthermore, today’s trend towards Bring-Your-Own-Device (BYOD), implies that the network has to accommodate a more diverse set of user device types of different generations. Moreover, today’s home networks, unlike enterprise networks, typically suffer from a non-existing dedicated control channel, rendering fine-grained centralized control challenging. But, applying the SDN and NFV concepts of softwarization and virtualization to WiFi networks has the potential to render WiFi ready for its future. However, little is known today on how to introduce and benefit from the concepts in WiFi networks. In this thesis, we present a Software-Defined Wireless Network (SDWN) approach which combines SDN and NFV with wireless access technology. With our SDWN approach we overcome the aforementioned challenges in WiFi networks. We make the following contributions: (i) we present an SDN framework, called Odin, that introduces our Light Virtual Access Point Abstraction (LVAP), which abstracts the complexities of the upper-802.11 MAC, and a control plane that allows the orchestration of WiFi and wired networks in unison, by leveraging OpenFlow for the Ethernet-based portion of the network. (ii) We present the design, implementation, and evaluation of OpenSDWN, a flexible, novel WiFi architecture based on a joint SDN and NFV approach. Specifically, OpenSDWN introduces WiFi datapath programmability to enable service differentiation and fine-grained transmission control, facilitating the prioritization of critical applications. OpenSDWN implements per-client virtual middleboxes, to render network functions more flexible and support mobility and seamless migration jointly with LVAPs. Moreover, control over the network is exposed through a participatory interface. (iii) We present the design and implementation of a novel WiFi-SDN control plane architecture called AeroFlux. It exploits locality in SDN control plane operations for scalability reasons. Specifically, AeroFlux is based on a 2-tiered control plane that handles frequent, localized events close to where they originate, i.e., close to the data plane, by so-called near-sighted controllers. Global events, which require a broader picture of the network state, are handled by the centralized part of the control plane. (iv) We present LegoFi, a modularized Software-Defined Wireless Network that follows the trend of NFV. I.e., realizing WiFi function blocks as virtualized and programmable wireless network functions (WVNFs), that are allocated (and composed) where and when they are most useful. Specifically, through WVNFs, we achieve a functional decomposition of the WiFi architecture, allowing to overcome inflexibilities found in today’s monolithic, vertically integrated and expensive WiFi architectures. Thus, SDWN allows us to overcome today’s ossified WiFi architectures by orchestrating and modularizing the WiFi building blocks. Moreover, it provides the necessary abstractions to introduce common features of enterprise networks to residential and hotspot deployments, i.e., WiFi networks based on off-the-shelf commodity hardware. The practicality of our approaches has been successfully demonstrated at several international conferences and is currently deployed and running in two WiFi access networks, i.e., one university enterprise and one larger (30 household) residential network. Moreover, it has gained commercial interest by network vendors and operators. Therefore, we believe that our SDWN approach constitutes a relevant step forward to modern and future-proof WiFi networks.In heutigen Zugangsnetzen dominiert zunehmend der drahtlose Netzzugang auf WLAN-Basis. Dieser Trend wird getrieben durch den Wunsch nach Mobilität aufgrund der Verbreitung heutiger mobiler Endgeräte wie Smartphones, Tablets und Laptops. Es ist anzunehmen, dass dieser Trend in der nahen Zukunft durch das “Internet-of-Things“ noch beschleunigt wird. Die Wi-Fi Alliance bezifferte den weltweiten Verkauf von WLAN-fähigen Geräten bis 2015 auf 10 Milliarden und prognostiziert ein jährliches Wachstum um 10 Prozent1. Gestützt wird diese Prognose durch eine Analyse der Gartner Unternehmensberatung, dass bis 2018 mehr als 50 Prozent der Internetbenutzer Tablets oder Smartphones als das primäre Zugangsgerät nutzen werden. Ferner wird, laut Gartner, WLAN bis 2018 in rund 40 Prozent der Unternehmensnetzwerke die Standard-Zugangstechnologie für stationäre Geräte wie Desktops, Telefone und Beamer sowie in Konferenzräumen ausmachen. Um der stetig steigenden Anzahl an WLAN-kompatiblen Geräten in heutigen Netzwerken und dem damit verbundenen steigenden Datenaufkommen gerecht zu werden, haben eine Vielzahl europäischer Provider wie die Deutsche Telekom AG (DTAG) [10] und Swisscom AG [16] bekannt gegeben, vermehrt WLAN Hot-Spots zur Entlastung ihrer Mobilfunknetze zu integrieren. DTAG hat im Frühjahr 2013 bekannt gegeben, den Ausbau bis 2016 auf knapp über 2,5 Millionen Hot-Spots deutschlandweit voranzutreiben. Eine Vielzahl dieser neuen WLAN Hot-Spots werden beim Kunden durch den Austausch bestehender Geräte realisiert oder durch Kooperationen mit externen HotSpot Anbietern erreicht. Aufgrund der steigenden Anzahl an mobilen Endgeräten und dem damit verbundenen Ausbau der WLAN-basierenden Hot-Spot Infrastruktur werden Provider mit der Notwendigkeit konfrontiert, ihre unterschiedlichen Netzwerksegmente im Einklang bis zum Kunden (das DSL Modem und zugleich WLAN Router) zu verwalten. Diese stetig steigende Anzahl an WLAN fähigen Geräten stellt eine große Herausforderung für den Betrieb von Netzwerken in Wohngebieten, öffentlichen Plätzen und Unternehmen dar. Dies erzeugt neue Herausforderungen bezüglich der Flexibilität und Effektivität des Netzwerk Managements sowie der Integration von drahtgebundenen Mobil- und WLAN-Netzwerksegmenten. Des Weiteren bestehen heutige Netzwerke in der Regel aus einer Vielzahl an Netzwerkkomponenten wie Switches, WLAN Access Points (APs) und Middleboxen. Letztere sind beispielsweise Firewalls, Network-Address-Translation und Intrusion-Detection-Systeme. Die Anzahl der Netzwerk-Komponenten reicht von einigen Dutzend bis zu Tausenden, welche meist über einen oder mehrere zentrale Controller gesteuert werden. Abhängig von der Art und Größe des Netzwerks kann eben jener entweder in dem selbigen Netzwerk-Segment oder in der Cloud beheimatet sein. Meist sind diese Systeme geschlossene, hochgradig vertikal integrierte Lösungen, was zu einem Hersteller-Lock-In führt und Flexibilität verhindert. Software-Defined Networking (SDN) ist ein Konzept das diese Inflexibilität überwindet. Es separiert die Kontrollebene von der Datenebene und ermöglicht letztere logisch zentral zu programmieren. SDN verspricht dem Netzwerkbetreiber unter anderem die programmatische Erstellung von virtuellen Netzen, fein granulare Zugangskontrollen und mehr Flexibilität beim Traffic Engineering, welches eine bessere Auslastung von Netzwerkkapazitäten erlaubt. Das OpenFlow Protokoll ist de facto das Standard SDN Interface für drahtgebundene Switches. Es bringt die Vorteile des SDN Konzeptes in Enterprise Netzwerke, wie z.B. Campus Deployments und Datenzentren. OpenFlow und dessen Ökosystem werden Computer-Netzwerke in den nächsten Jahren revolutionieren. Orthogonal zu SDN ist das Konzept von Network-Function-Virtualization (NFV), welches zum Ziel hat, die Inflexibilitäten beim Betrieb von Middleboxen zu überwinden. Insbesondere sollen sogenannte Hardware-Appliances durch virtualisierbare Software-Lösungen ersetzt werden. Die Virtualisierung der Netzwerkfunktionen erlaubt ein flexibles Deployment, simplifiziertes Management und eine dynamische Skalierbarkeit der Middleboxfunktionalitäten in Netzwerken. Da WLAN APs ein integraler Bestandteil heutiger Zugangsnetzwerke darstellen, müssen zudem Network-Policies systemweit gelten. OpenFlow geht jedoch nicht auf die fundamental unterschiedlichen Charakteristika des WLANs ein. Insbesondere stellt OpenFlow nicht die notwendigen Abstraktionen zur Verfügung, um Funktionalitäten wie beispielsweise Client-Handover, im Fall von Mobility oder Load Balancing, durchzuführen. Zudem bietet es nicht die notwendigen Schnittstellen für ein effektives Client-Management bzgl. der Assoziations- und Authentifikations-Steuerung. Ferner bietet es keine Steuermöglichkeit und geeignete Abstraktionen im WLAN Datenpfad, die sich ständig wechselnden Übertragungsraten oder Sendeleistungen vorzunehmen und abzubilden. In dieser Dissertation wird ein Software-Defined Wireless Networking (SDWN) Ansatz entwickelt, welcher die Vorteile von SDN und NFV mit WLAN Zugangstechnologie verbindet. Dieser erlaubt es die genannten Herausforderungen mit einer neuen und zukunftsfähigen WLAN Architektur zu überwinden. Diese Dissertation umfasst die folgenden Forschungsergebnisse: (i) Das SDN Framework Odin, welches auf unserer Leichtgewichtigen Virtuellen Access Point (LVAP) Abstraktion basiert, erlaubt es, die Komplexität des oberen IEEE 802.11 MACs durch eben jene zu abstrahieren. Des Weiteren beinhaltet Odin eine neuartige Steuerebene, die eine gemeinsame Orchestrierung von drahtlosen und drahtgebundenen Netzwerken ermöglicht. In der Ethernet-Domain des Netzwerks wird dies durch die Nutzung von Open-Flow ermöglicht. (ii) Mit OpenSDWN präsentieren wir das Design, die Implementierung und die Evaluation einer neuartigen WLAN-Architektur basierend auf einem gemeinsamen SDN und NFV-Ansatz. OpenSDWN ermöglicht eine Servicedifferenzierung und eine fein granulare Steuerung des WLAN Datenpfades mit handelsüblicher Access Point Hardware zur Priorisierung von kritischen Anwendungen. OpenSDWN benutzt virtuelle Middleboxen (à la NFV) und LVAPs, um zum Beispiel nahtlose Handover zwischen APs als Grundlage einer verbesserten Client-Mobilität im Fall von stateful Firewalls zu ermöglichen. Des Weiteren wird die Kontrolle über die Netzwerksteuerung durch eine partizipative Schnittstelle ermöglicht. (iii) Mit AeroFlux präsentieren wir das Konzept und die Realisierung einer neuen WLAN Architektur basierend auf einer 2-Klassen WiFi-SDN-Steuerebene. AeroFlux nutzt dabei die Lokalität in der Ausführung von SDN Steuerbefehlen aus Gründen der Skalierbarkeit und Performance aus. In der 2-Klassen-Steuerebene werden örtlich begrenzte Ereignisse in der Nähe zum Entstehungspunkt behandelt, was beispielsweise in der Nähe der WLAN Datenebene durch sogenannte Nearsighted Controller geschehen kann. Globale Ereignisse, die ein umfassenderes Bild des Netzwerkstatus erfordern, werden in der zentralisierten Steuerebene behandelt. (iv) Mit LegoFi haben wir eine modulare Software-Defined Wireless Networking Architektur entwickelt, welche auf dem Konzept der Virtualisierung von Netzwerkfunktionen aufbaut. Die Realisierung der WLAN Funktionsbausteine als virtualisierte und programmierbare Wireless-Netzwerkfunktionen (WVNFs) hat zum Ziel, die Inflexibilität heutiger monolithischer und vertikal integrierter WLAN Architekturen zu überwinden. WVNFs können in Abhängigkeit ihrer Anforderungen an Latenz, Bandbreite und Rechenleistung dynamisch im Netzwerk plaziert und ausgefürt werden. Die funktionale Zerlegung der WLAN Architektur in LegoFi entspricht einem modularen Baukasten zur Realisierung von skalierbaren und zukunftssicheren WLAN Netzwerken. Zusammengefasst ermöglichen die in dieser Dissertation vorgestellten Konzepte und Architekturen, die heutigen veralteten WLAN-Architekturen zu überwinden. Insbesondere können durch die Orchestrierung und Modularisierung der WLAN Funktions-Bausteine neuartige zukunftssichere WLAN Architekturen ermöglicht werden. Des Weiteren bieten die in dieser Dissertation vorgestellten SDWN Ansätze die notwendigen Abstraktionen, um typische WLAN Features heutiger Lösungen für Unternehmensnetzwerke in Endbenutzer- und Hotspot-Netzwerken auf Basis von Standard WLAN Konsumergeräten anbieten zu können. Die Praxistauglichkeit der in dieser Dissertation vorgestellten Systeme wurde bereits erfolgreich auf mehreren internationalen Konferenzen demonstriert. Die Systeme sind derzeit in zwei WLAN-Zugangsnetzwerken, einem universitätsweiten BOWL Netzwerk und einem privaten Netzwerk mit über 30 Haushalten, im Einsatz. Darüber hinaus gibt es bereits ein kommerzielles Interesse von Netzwerk-Ausrüstern und -Betreibern. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass diese Dissertation einen signifikanten Beitrag leistet, um moderne und zukunftssichere WLAN Netzwerke zu erreichen