A SDN/OpenFlow Framework for Dynamic Resource Allocation based on Bandwidth Allocation Model
Eliseu Silva Torres, Rafael F. Reale, Leobino N. Sampaio, Joberto S. B. Martins
IIEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 18, NO. 5, MAY 2020 853
A SDN/OpenFlow Framework for DynamicResource Allocation based on Bandwidth AllocationModel
Eliseu Torres, Rafael Reale, Leobino Sampaio, and Joberto Martins,
Senior Member, IEEE
Abstract —The communication network context in actual sys-tems like 5G, cloud and IoT (Internet of Things), presentsan ever-increasing number of users, applications and servicesthat are highly distributed with distinct and heterogeneouscommunications requirements. Resource allocation in this con-text requires dynamic, efficient and customized solutions andBandwidth Allocation Models (BAMs) are an alternative tosupport this new trend. This paper proposes the BAMSDN (Band-width Allocation Model through Software-Defined Networking)framework that dynamically allocates resources (bandwidth)for a MPLS (MultiProtocol Label Switching) network usinga SDN (Software-Defined Networking)/OpenFlow strategy withBAM. The framework adopts an innovative implementationapproach for BAM systems by controlling the MPLS networkusing SDN with OpenFlow. Experimental results suggest thatusing SDN/OpenFlow with BAM for bandwidth allocation doeshave effective advantages for MPLS networks requiring flexibleresource sharing among applications and facilitates the migrationpath to a SDN/OpenFlow network.
Index Terms —SDN, OpenFlow, Resource Allocation, Band-width Allocation Model, Dynamic Bandwidth Allocation, MPLS,MAM, RDM.
I. I
NTRODUÇÃO C ENÁRIOS de redes de comunicação atuais e emergentes,tais como 5G, nuvem, redes ópticas, redes MPLS (
Multi-Protocol Label Switching ) e internet das coisas (IoT –
Internetof Things ), são marcados pela grande variedade e distribuiçãode usuários, aplicações e serviços, com requisitos de comu-nicação e de qualidade (SLA –
Service Level Agreement ,QoS –
Quality of Service , QoE –
Quality of Experience )heterogêneos. Tais cenários apresentam rápido crescimento,como consequência natural de novos requisitos dos usuários,o que tem levado à gerência de redes e sistemas objetivosbastante desafiadores. Mais especificamente, busca-se umarede capaz de se adequar dinamicamente e eficientementeàs variações de contexto existentes, o que torna a alocaçãodinâmica, flexível e customizada de recursos essencial [1], [2].A alocação dinâmica é necessária, por exemplo, para lidarcom a variação do tráfego de entrada das redes [3]. Já aflexibilidade é mais ligada ao fato que a gerência deve, sempre
MSc. Torres, E. is with Universidade Federal da Bahia - UFBA, Salvador,Brazil. (e-mail: [email protected])Prof. Dr. Reale, R. is with Instituto Federal de Educação - IFBA, Valença,Brazil. (e-mail: [email protected])Prof. Dr. Sampaio, L. is with Universidade Federal da Bahia - UFBA,Salvador, Brazil. (e-mail: [email protected])Prof. Dr. Martins, J. is with Salvador University - UNIFACS, Brazil. (e-mail: [email protected]) que possível, otimizar o uso da rede. Por fim, a customizaçãoestá diretamente relacionada com a perspectiva de utilizaçãode soluções de alocação de recursos que possam ser utilizadascom algum tipo de configuração em redes heterogêneas, p.ex.,IoT e nuvem.Os modelos de alocação de banda (BAM -
BandwidthAllocation Models ) possuem os atributos para resolver essestrês requisitos (dinamismo, flexibilidade e customização), poispermitem a definição de classes de aplicações e o controleda distribuição dos recursos entre as classes [4], [5], [6]. Poroutro lado, no processo de alocação, implementações atuaisde BAMs não exploram as questões de otimização tratadaspela academia e indústria nos últimos anos, que sugeremum grande número de algoritmos e heurísticas de engenhariade tráfego [7]. Portanto, o principal desafio atual está emviabilizar a alocação de recursos nos equipamentos, com aotimização sendo tratada pelo BAM, de forma que seja levadaem conta a distribuição dos recursos e sua efetivação de formadinâmica. Na prática, tal desafio torna-se ainda mais relevantequando se leva em consideração a heterogeneidade da rede,distribuição geográfica, características dos equipamentos edinamicidade do tráfego.O paradigma das redes definidas por software (SDN -
Software-Defined Networking ) [8] traz novas perspectivas. Oplano de controle, logicamente centralizado, permite que avisão global da rede seja utilizada para explorar a definiçãode rotas e os equipamentos existentes nos enlaces de rede, aoinvés de limitar-se ao escopo individual de cada equipamento.Ao implementar BAMs através de SDN, é possível superardificuldades inerentes ao problema de alocação de recursos,sobretudo em ambientes caracterizados pela heterogeneidadee distribuição. Por tais motivos, o presente trabalho apresentao arcabouço BAMSDN (
Bandwidth Allocation Model throughSoftware-Defined Networking ) para a exploração dinâmica eflexível de recursos de redes MPLS (
MultiProtocol LabelSwitching ) através de uso conjunto de BAMs e SDN. A partirda programabilidade e visão global do plano de controle darede, utilizadas em conjunto com o BAM, o arcabouço buscaadequar a disponibilidade dos recursos de rede à demandados seus usuários. A validação do arcabouço em relação à suacapacidade de realizar uma reconfiguração dinâmica e flexívelde banda será feita experimentalmente.Na parte seguinte deste artigo, a Seção II resume os as-pectos fundamentais dos BAM e os trabalhos relacionados. ASeção III descreve o arcabouço BAMSDN com seus compo-nentes e operação. A Seção IV trata da experimentação que a r X i v : . [ c s . N I] J a n EEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 18, NO. 5, MAY 2020 854 visou subsidiar a avaliação do arcabouço proposto. A Seção Vfaz uma análise dos resultados obtidos. Por fim, a Seção VIapresenta as considerações finais e trabalho futuro.II. BAM
S E E STRATÉGIA
SDN/ O
PEN F LOW : A
SPECTOS B ÁSICOS PARA A A LOCAÇÃO DE B ANDA
O arcabouço BAMSDN proposto e descrito na próximaseção reúne dois elementos que se superpõem de formavantajosa para a alocação de banda com dinamismo e flexibil-idade em redes MPLS: i) Um modelo de alocação de banda(BAM); e ii) Uma estratégia SDN com o OpenFlow comoprotocolo para o controle da operação da rede. Esta seçãoapresenta os princípios básicos dos BAM e discute os trabalhosrelacionados.
A. BAMs: Modelos de alocação de banda - Operação básicae configuração
Modelos de Alocação de Banda (BAM) são uma estratégiade alocação de recurso, inicialmente focada no recurso largurade banda ( bandwidth ), que permite três ações principais para aalocação do recurso banda: i) um planejamento e agrupamentodos seus usuários em classes de serviços com requisitoscomuns (QoS, SLA ou outro critério/ requisito do usuárioou aplicação); ii) uma definição da quantidade de recursosnecessária (alocável) por classe (BC -
Bandwidth Constraint );e iii) uma estratégia ou comportamento ( behavior ) para aalocação dos recursos com compartilhamento ou não entre osrecursos associados por classe [4].O planejamento do agrupamento de usuários e aplicaçõesem classes de tráfego (CT) juntamente com a definição dequanto de recurso (banda) é alocada para cada classe é umaspecto de configuração dos BAM. Obviamente, esta configu-ração pode ser alterada de forma dinâmica durante a operaçãoda rede e, neste sentido, suporta um dinamismo na alocação dabanda disponível (alocação dinâmica de banda), por exemplo,em relação à demanda de tráfego, requisitos de operação (SLA,QoS, QoE) ou número de usuários ativos na rede [4]. Umsegundo aspecto dinâmico dos BAM é o seu comportamento( behavior ) na alocação de banda entre as classes de serviço.Neste caso existem diferentes tipos de compartilhamento nosdiferentes tipos de BAM (MAM, RDM, ATCS, GBAM) quetambém são utilizados visando a dinamicidade, customizaçãoe eficiência da alocação de recursos em relação às demandasdos usuários da rede.Existem três modelos básicos para os BAM: i) MAM (
Max-imum Allocation Model ) [9], ii) RDM (
Russian Dolls Model )[10] e iii) AllocTC-Sharing (ATCS) [11]. Além destes, existemvários BAM que são efetivamente híbridos ou propõem aestratégia dos BAM básicos com algumas modificações [6]e um modelo generalizado de alocação da banda (GBAM -
Generalized Bandwidth Allocation Model ) [12] que permite aconfiguração de todos os comportamentos possíveis.Em resumo, o modelo básico MAM aloca banda sempermitir o compartilhamento de recurso entre as classes detráfego (CTs). O modelo RDM permite o compartilhamentode banda das classes de tráfego mais prioritárias para classesde tráfego menos prioritárias (estratégia HTL -
High-to-Low ). Já o modelo ATCS permite de forma oportunista o compar-tilhamento generalizado de banda entre todas as classes detráfego prioritárias e não prioritárias (estratégias HTL e LTH-
Low-to-High ) [4].O modelo de alocação de banda se aplica para todos osenlaces ( links ) na trajetória ( path ) do LSP (
Label SwitchedPath )/MPLS (
MultiProtocol Label Switching) sendo alocado.Assim sendo, o BAM funciona como um tipo de procurador( broker ) para a alocação de banda, autorizando a criação deum LSP ( setup grant ), rejeitando o pedido de LSP ( setup deny )ou autorizando a criação de um LSP com a preempção e/oudevolução de outro(s) quando existe compartilhamento entreclasses de tráfego.
B. Explorando de forma dinâmica e flexível a alocação debanda com os BAM
No BAMSDN, o BAM tem dois papeis fundamentais emrelação à alocação de banda: i) o BAM na sua operaçãonormal distribui os recursos limitados existentes (banda) entreum conjunto de classes de aplicações configuradas; e ii) oBAM, através da reconfiguração dos limites de banda porclasse de aplicação (BC), permite uma otimização na alocaçãodo recurso em função do perfil de tráfego dinâmico da rede.A reconfiguração de BCs é um elemento adicional im-portante para a flexibilidade na alocação dos recursos. Emresumo, se o perfil da rede muda, o arcabouço BAMSDNpode ajustar as alocações de banda por classe de aplicaçõesde forma a melhor refletir tanto a dinâmica da demandacomo as necessidades dos usuários. Em termos técnicos, areconfiguração de BC é o processo no qual alteramos asconfigurações iniciais das restrições de banda (BC) definidaspara uma ou mais CTs em tempo de execução.Em [13] foram propostas duas abordagens para reconfigu-ração de BCs dos modelos de alocação de bandas (BAMs):i) a abordagem hard ; e ii) a abordagem soft . A abordagem hard tem como premissa a reconfiguração imediata dos BCsmesmo que esta reconfiguração implique na liberação abruptade recursos sendo utilizados. Em termos operacionais, a abor-dagem hard pode gerar, por exemplo, preempções numa redeMPLS. Já a abordagem soft tem como premissa minimizaros possíveis impactos resultantes na reconfiguração dos BCs,permitindo uma transição suave e que demanda mais tempono processo de realocação dos recursos (banda). No caso, arealocação de recursos soft não impacta os usuários com re-cursos já alocados. Ambas as abordagens foram contempladasno BAMSDN e serão discutidas nas próximas seções.
C. Explorando a criação de LSPs emuladas com o SDNOpenFlow
A estratégia SDN/OpenFlow do BAMSDN tem dois papeisfundamentais no controle e programabilidade da rede: i) per-mite a criação de fluxos que emulam os LSPs existentes numarede MPLS tradicional; e ii) permite uma migração suavede uma rede com conexões (LSPs) controladas pelo MPLSpara uma rede com conexões (LSPs) com o controle baseadototalmente no OpenFlow.
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O OpenFlow é utilizado no BAMSDN para a implantaçãodo controle de operação dos switches de forma logicamentecentralizada e, assim sendo, suporta uma visão completa dosrecursos e estado da rede para todos os seus roteadores eenlaces.Uma vez que o módulo BAM do arcabouço libera a criaçãode um LSP, o OpenFlow é acionado para a criação de um fluxoque efetivamente emula o estabelecimento ( setup ) de um LSPclássico do MPLS. Em outras palavras, um caminho comutadopor software (
SSP - Software Switched Path) é criado atravésda configuração das tabelas de fluxo dos switches na rota uti-lizada ( datapath ) pelo OpenFlow. Assim sendo, o SSP equivalea um LSP MPLS clássico na visão externa da rede e, emtermos da implementação BAMSDN, é um fluxo configuradoque será referenciada como LSP MPLS neste artigo.O BAMSDN migra a operação interna da rede para oparadigma SDN mas mantém a visão externa dos usuáriosno estilo MPLS. Este aspecto estratégico facilita a migraçãoda operação interna da rede para um novo paradigma seminterferir diretamente na visão da rede comumente utilizadapelos usuários dos ISPs (
Internet Service Providers ).Um outro aspecto positivo da estratégia de utilização doOpenFlow no BAMSDN é o fato do BAM tratar da dis-tribuição dos recursos. Em efeito, quando uma operação derede migra para o SDN/ OpenFlow, faz-se necessário o de-senvolvimento de uma inteligência que aloca os recursos. Nocaso do BAMSDN, esta inteligência é provida pela operaçãodos BAM. Novamente, a solução permite uma migração suavepara uma operação totalmente baseada no SDN/OpenFlow sema necessidade de um investimento significativo imediato nainteligência da operação da rede.
D. Trabalhos relacionados
Em anos recentes, alguns trabalhos têm discutido a utiliza-ção de BAMs para a alocação de recursos em diferentes tiposde rede.Em [14] e [15] é proposto o uso de BAMs para a alocaçãode recursos em redes ópticas elásticas (
Elastic Optical Network - EON). Em [16] e [17] são avaliados parâmetros de operaçãode redes MPLS com BAM e [5] aplica modelo BAM para sis-temas 5G numa estratégia VNE (
Virtual Network Embedding )e fazendo uso do SDN.Em relação à utilização do SDN para o controle de operaçãode rede, o Google utiliza o OpenFlow para gerenciar e operaralgumas de suas redes internas ( backbone dos usuários e doscentro de dados) e indica um resultado positivo nesta implan-tação com redução da complexidade do backbone e de custos[18]. A solução Google (Rede B4), além da diferenciaçãopelo porte, tem uma estratégia diferente da suportada peloBAMSDN. Na solução Google não existe uma transição via oMPLS e toda a inteligência para a computação de rotas, alo-cação de recursos, convergência após falhas e outros aspectosda operação da rede SDN/OpenFlow foram desenvolvidas pelaempresa.As vantagens de uma migração suave para o SDN é tambémdiscutida em [19] e é alinhada com a proposta do BAMSDN.
Fig. 1. Arcabouço BAMSDN e componentes básicos.
Alguns dos autores deste artigo apresentam em [12], [13]resultados de simulação referente à utilização de BAMs (par-ticularmente MAM, RDM e ATCS com o GBAM) para aotimização de recursos e numa perspectiva de aplicação paraa gerência autonômica e cognitiva, porém sem a utilização dasfacilidades do paradigma SDN.Importante ressaltar que nos trabalhos correlatos encontra-dos na literatura utiliza-se apenas configurações estáticas deBCs e para alguma eventual alteração destes parâmetros a rededeve ser reiniciada. Assim sendo, não foi identificada soluçãodinâmica com SDN semelhante à solução proposta.Em resumo e, dentro do limite do nosso conhecimento,a literatura não trabalha a implantação de BAMs com oSDN/OpenFlow para uma rede MPLS visando a dinamicidadee a eficiência na alocação de banda numa perspectiva demigração de uma rede MPLS clássica para uma rede MPLScontrolada pelo SDN/OpenFlow.III. A
RCABOUÇO
BAMSDNO arcabouço BAMSDN proposto neste trabalho visa ofer-ecer suporte à implantação de modelos de alocação de banda(BAM) utilizando os benefícios e características do paradigmaSDN. As próximas subseções detalham os componentes doarcabouço proposto assim como suas interações.
A. Componentes do arcabouço BAMSDN
O arcabouço BAMSDN é ilustrado na Figura 1. Ele éimplementado como um controlador SDN/OpenFlow comum conjunto de 4 módulos: (i)
Admissão , responsável pelocontrole das solicitações por recursos de rede (banda); (ii)
BAM , que faz a verificação dos recursos, aplica o modelode alocação de banda disponível e altera, quando necessário,as restrições de banda BCs (componente do estado da rede)visando a flexibilização no uso do recurso banda entre asclasses; (iii)
Estado da Rede , que mantém o estado da rede emtermos dos LSPs estabelecidos, rotas utilizadas e utilização debanda por classe de tráfego; (iv)
Execução , que efetiva a alo-cação do recurso banda através do estabelecimento, bloqueio,preempção (liberação) de LSPs utilizando o OpenFlow.De forma conjunta, tais módulos implementam o fluxo deadmissão e controle de utilização dos recursos da rede (banda).
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Fig. 2. Fluxo de admissão para requisição de LSPs.
O BAMSDN suporta de forma simultânea a alocação debanda para os LSPs solicitados e a reconfiguração dinâmicada disponibilidade de banda (BC) por classe de aplicaçãoagrupadas em classes de tráfego (CT).
B. Fluxo de admissão
A Figura 2 ilustra o fluxo de admissão implementado peloBAMSDN a partir de uma requisição de um LSP (LSP)usando um determinado quantitativo de banda. Neste fluxosão realizadas três ações principais: (i) controle de admissão,(ii) verificação de recursos; (iii) execução.Quando um pacote associado a um fluxo de comunicaçãoentre dois hospedeiros chega à rede, o switch ao qual ohospedeiro de origem está conectado verifica se existe algumainformação correspondente ao fluxo na sua tabela de fluxos.Caso exista, o fluxo é encaminhado, uma vez que um LSPassociado a este fluxo já foi criado. Caso contrário, um
PacketIn é encaminhado ao arcabouço BAMSDM atuandocomo controlador da rede para iniciar o processo de controlede admissão.
1) Controle de admissão:
Na etapa de controle de admis-são, o pacote reencaminhado é inicialmente processado pelomódulo de controle de admissão a partir de comparações( matching ) que permitem definir: i) A rota para o LSP aser criado (associada a um fluxo); e ii) a classe de trafego dopacote. Tais informações são utilizadas para gerar uma novainstância de LSP e encaminhar a solicitação ( LSP request ) parao módulo BAM.O controle de admissão funciona como orquestrador doprocesso e, com a resposta do módulo BAM, dois conjuntos deações são possíveis: i) o LSP é criado (
LSP grant ); ou ii) o LSPé bloqueado (
LSP deny ). Com a alocação de novo LSP aceito(
LSP grant ) duas ações podem ser acionadas pelo controle deadmissão: i) o LSP é criado imediatamente quando existemrecursos suficientes; ii) o LSP é criado após a liberação de IP de origem, IP de destino, porta de origem e porta de destino entreoutros recursos (preempção de LSPs estabelecidos) na rede. Ambasas ações são solicitadas ao módulo de execução do BAMSDN.A execução bem sucedida da alocação de um novo LSP éretornada para a rede ( user grant ) com o encaminhamentode pacotes para este fluxo sendo estabelecido pelo switches envolvidos na trajetória ( path ) do LSP. Com a rejeição parao estabelecimento de um novo LSP (
LSP deny ), a rede énotificada e as estatísticas de bloqueio de LSPs atualizada nomódulo de estado.
2) Verificação de recursos:
A etapa de verificação de recur-sos é executada pelo módulo BAM do arcabouço. O modeloBAM em uso (p.ex., MAM, RDM ou outro), configurado nainicialização da rede, verifica a disponibilidade de recursos(banda) para todos os enlaces no caminho do LSP sendorequisitado. O processo acontece da seguinte forma: (i) Casoexistam recursos disponíveis, a instância do novo LSP e alista de portas logicas que o LSP utilizará em cada enlace sãoencaminhados para o Controle de Admissão; (ii) Caso nãoexista recurso disponível o modulo BAM identifica qual(is)recursos devem ser liberados (LSPs premptados ou devolvidos)e encaminha a informação para o Controle de Admissão.
3) Execução:
Na etapa de execução, a instancia de um novoLSP e a mensagem de controle são processados, conforme aseguir: (i) Caso a mensagem de controle seja de ‘Bloqueio’(
None ), a instância do LSP é descartado e uma mensagem(
PacketOut ) de ‘Bloqueio’ para o switch de borda é enviadapara fazer o descarte do fluxo (descarte de pacotes); (ii) Casohaja necessidade de interrupção de um ou mais LSPs é enviadauma mensagem (
FlowMod ) para remoção destes LSPs databela de fluxo de todos os switches em que eles estejamconfigurados. Por fim, caso a mensagem de controle sejaaceitação do novo LSP, é enviada uma mensagem (
FlowMod )para cada switch do caminho, que são configurados paraestabelecer o limite largura de banda nas portas para o novoLSP.
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TABLE IT
RÁFEGO G ERADO POR CT E H OSPEDEIROS - Q
UANTIDADE DE
LSP S . Experimento 1Hospedeiro de Origem CT0 CT1 CT2 Total H S
400 70 0 470 H S
400 70 0 470 H S
200 35 20 255Total 1000 105 20 1125Ciclo de Início 0 3 6 -
Experimento 2Hospedeiro de Origem CT0 CT1 CT2 Total H S
300 90 0 390 H S
200 90 0 290 H S IV. E
XPERIMENTAÇÃO
A verificação do BAMSDN foi realizada com uma avali-ação experimental usando uma rede SDN/OpenFlow emulada.As próximas subseções descrevem a metodologia adotada, oambiente de teste e os parâmetros de análise.
A. Metodologia
Os objetivos principais dos experimentos realizados foram:i) avaliar o arcabouço BAMSDN com os modelos MAM eRDM para a alocação de banda; e ii) avaliar o OpenFlowrealizando a emulação de LSPs e seus aspectos de migração.Dois experimentos foram realizados. O primeiro experi-mento se baseia em LSPs geradas por aplicações de três classesde tráfego distintas, conforme a Tabela I. Neste experimento,foram utilizados os modelos de alocação de banda MAMe RDM, onde as solicitações de LSPs para as classes detrafego CT0 e CT1 ocorreram acima do limite estipulado parasuas respectivas BCs (BC0 e BC1). As requisições dos LSPsocorrem em 10 ciclos. Os LSPs da CT0 são iniciados no ciclo0, os LSPs da CT1 são iniciados no ciclo 3 e CT2 no ciclo6. Os parâmetros de emulação são: 10 ciclos de execução e1.125 LSPs solicitados com 300s de tempo de vida cada. Ocritério de parada da emulação é de 1.125 LSPs solicitados.O segundo experimento tem como objetivo avaliar a re-configuração de BCs, utilizando o MAM, com as estratégias hard e soft discutidas em [13] e apresentadas na seção II-B.Foi utilizado um tráfego de entrada de solicitação de LSPsconforme apresentado na Tabela I. As solicitações de taisLSPs, para as classes de trafego CT0 e CT1, alteraram suasconfigurações de limite de restrição de banda em tempo deexecução com o objetivo da classe CT1 ter uma restriçãode banda maior que a classe CT0. As requisições dos LSPsocorrem em 10 ciclos. Os LSPs da CT0 são iniciados no ciclo0 e as requisições dos LSPs de CT1 e CT2 são iniciadas nociclo 1. Os parâmetros de emulação são: 10 ciclos de execuçãoe 770 LSPs com 300s de tempo de vida cada. O critério deparada é de 770 LSPs solicitados. Fig. 3. Rede MPLS OpenFlow emulada utilizada nos experimentos.
B. Ambiente de experimentação
Os experimentos seguiram uma abordagem de emulaçãoque reproduz uma rede OpenFlow usando o
Mininet . Paraisso, foram utilizados: (i) PC Core i5, 2.9
Ghz , 8 GB de RAM ;(ii) Sistema Operacional
Ubuntu Server 15.04 , x
64, versão do kernel
Mininet , versão 1.8r11 customizado; (iv)Protocolo
OpenFlow , versão 1.0; (vii) Controlador OpenFlow
POX , versão 0.2.0; e (viii) Gerador de tráfego iPerf3, versão3.0.7.O ambiente de rede emulado nos experimentos é ilustradona Figura 3. O mesmo é constituído de três hospedeiros,que atuam como origem de tráfego ( H S , H S e H S ), umhospedeiro que atua como destino, um controlador OpenFlowque configura as regras de fluxos de acordo com as instruçõesdo BAMSDN e, por fim, três switches que fazem a conexãoentre os hospedeiros de origem e destino. C. Parâmetros da experimentação
Os parâmetros globais para o cenário de experimentaçãosão os seguintes: (i) enlaces com capacidades de 500 Mbps;ii) três classes de tráfego: CT0, CT1 e CT2, com larguras debanda máxima de LSP de 5 Mbps, 10 Mbps e 20 Mbps, re-spectivamente; e iii) restrições de largura de banda (
BandwidthConstraint (BC)), de acordo com a Tabela II.V. A
NÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados obtidos na alocação de banda pelo BAMSDNutilizando o mecanismo BAM com SDN são analisados atravésda verificação dos parâmetros de utilização, preempção ebloqueio para os modelos MAM e RDM com e sem areconfiguração de BC. A experimentação está disponível noGitHub (https://github.com/EliseuTorres/BAMSDN). http://mininet.org/ http://archive.openflow.org/ https://github.com/noxrepo/pox EEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 18, NO. 5, MAY 2020 858
TABLE IIR
ESTRIÇÕES DE B ANDA (BC)
POR C LASSES DE T RÁFEGO (CT)
MAMMax (%) Max (Mbps) CTs
BC0 50 250 CT0BC1 30 150 CT1BC2 20 100 CT2
RDMMax (%) Max (Mbps) CTs
BC0 100 500 CT0 + CT1 + CT2BC1 50 250 CT1 + CT2BC2 20 100 CT2
A. Resultados do BAMSDN com os modelos MAM e RDM
A Figura 4 apresenta os resultados obtidos pelo BAMSDNpara a utilização e as taxas de bloqueio com a utilização dosmodelos MAM (Fig. 4a) e RDM (Fig. 4b).A Figura 4a apresenta a utilização e a taxa de bloqueio porCT para o modelo MAM e ilustra a baixa eficiência destemodelo. No MAM os recursos de cada classe são privadose não podem ser compartilhados por outras classes. Assimsendo, a adoção do MAM pelo BAMSDN leva a uma menoreficiência em relação à utilização da banda total disponívelpara o enlace. Em efeito, usando o MAM, o enlace fica comuma banda ociosa de 250 Mbps entre os fluxos 50 e 300 jáocorrendo bloqueios da ordem de 15% para CT0. Entre osfluxos 400 e 600 tem-se uma banda ociosa de 150 Mbps eocorrem bloqueios para CT0 da ordem de 20% e para CT1 daordem de 5%. O número de LSPs atendidos correspondem aolimite permitido pela BC configurada para cada CT: (250Mbps- CT0, 150Mbps - CT1 e 100Mbps - CT2). Com os limitesde BC atingidos, a utilização do enlace se mantém constantecom bloqueios acontecendo para a parte da demanda de LSPsque não pode ser atendida pela liberação de banda resultantedo encerramento dos LSPs ativos.A Figura 4b apresenta a utilização e a taxa de bloqueiopor CT com a adoção do modelo RDM. Isso resulta noBAMSDN apresentando uma melhor eficiência na utilizaçãodo enlace e redução do bloqueio em relação ao mesmo cenáriode tráfego da avaliação anterior usando o MAM. No RDM,CTs de classe inferior podem usar a banda disponível nosCTs de classe superiores e isso é verificado na Figura 4bentre os fluxos 0 e 300 (ciclos 1 e 2) quando CT0 chegaa utilizar a totalidade da banda disponível no enlace (500Mbps). No BAMSDN com RDM classes que obtiveram bandade outras classes devolvem o recurso quando solicitado pelaclasse que o emprestou, resultando em preempções de LSPsjá estabelecidas. Este aspecto da operação do BAMSDN comRDM é verificado na Figura 4b entre os fluxos 300 e 400quando LSPs da CT1 começam a ser solicitadas ao BAMSDN.As preempções são observadas na Figura 4b indiretamente pelaredução da utilização do enlace pela classe CT0 (de 500 para250 Mbps). No BAMSDN com RDM os bloqueios acontecemquando as CTs passam a utilizar a sua banda alocada. NaFigura 4b isso acontece entre os fluxo 300 e 1200 com umataxa de bloqueio da ordem de 15% para CT0 e em torno de 5% para CT1. De maneira geral, observa-se comparando asFiguras 4b e 4a que o RDM gerou um número inferior debloqueios em relação ao MAM e gerou uma taxa de 6,12%de preempções em CT0 e 11,63% de preempções em CT1.
B. Resultados do BAMSDN com a reconfiguração de BC
A reconfiguração de restrição de banda (BC) pelo BAMSDNpermite um nível adicional opcional de melhoria da eficiên-cia da rede, mesmo para um modelo rígido como o MAMque, conforme apresentado na seção V-A, não permite umaotimização da utilização da banda disponível do enlace.As Figuras 5a e 5b apresentam a utilização e a taxa debloqueio por CT resultantes da reconfiguração de BC realizadapelo BAMSDN com as abordagens hard e soft respectivamente(Seção II-B). O modelo adotado é o MAM utilizando os BCsdefinidos na Tabela II. Importante ressaltar que a decisão dealterar os BCs foi introduzida na sequência de testes de formaa demonstrar que esta abordagem permite uma melhora nautilização e na taxa de bloqueio. Na operação de uma redeusando o BAMSDN, a decisão de alterar o BC e os valoresda alteração devem ser computados dinamicamente utilizandocritério ou política de operação da rede.A Figura 5a apresenta os resultados do experimento com aabordagem hard . As classes CT0, CT1 e CT2 são saturadasentre os fluxos 0 e 300 com LSPs requisitadas para CT1com bloqueio de até 5%. No ciclo entre os fluxos 200 e 300ocorre a reconfiguração hard de BC1 para 150 Mbps e BC2para 100 Mbps. O resultado é que o bloqueio de CT2 caipara 0% e o bloqueio de CT0 cresce até 10% pois houveuma redução da banda disponível para a classe. Do ponto devista da operação da rede, tal opção de reconfiguração de BCpode subsidiar, por exemplo, uma opção da gerência da redeem alocar dinamicamente mais banda para uma classe maisprioritária que outra na medida em que existe uma demandade LSPs a serem atendidas para a classe mais prioritária.Na experimentação realizada a classe CT0 teve uma taxade preempção de 3,68% após a reconfiguração de BCs. Issorepresenta uma espécie de custo de operação imposto à classeCT0 que é menos prioritária.A Figura 5b ilustra os resultados com a utilização daabordagem soft . Observa-se que a efetivação da reconfiguraçãode BC fica mais alongada pelo fato da liberação e realocaçãodos recursos ocorrer apenas após o encerramento normaldas LSPs ativas. Em outras palavras, não se força nenhumapreempção. Assim sendo, CT1 e CT2 têm um maior númeroabsoluto de bloqueios em relação à opção hard .Por último, cumpre indicar que os resultados obtidos naexperimentação com o MiniNet coincidem com as simulaçõesrealizadas nos trabalhos relacionados [12] e [11] para osmodelos MAM e RDM. Isso sinaliza que, apesar do MiniNetser um mecanismo controlado com algumas limitações deescala, isso não impactou na qualidade dos dados obtidos navalidação do BAMSDN. C. Vantagens da utilização do SDN/OpenFlow no BAMSDN
A adoção do SDN/ OpenFlow na implementação do ar-cabouço BAMSDN apresenta benefícios em relação à uma
EEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 18, NO. 5, MAY 2020 859 (a) Utilização e bloqueio com o MAM. (b) Utilização e bloqueio com o RDM.Fig. 4. Utilização e taxa de bloqueio do BAMSDN usando os modelos MAM e RDM.(a) Abordagem
Hard . (b) Abordagem
Soft .Fig. 5. Reconfiguração de restrição de banda (BC) de CT com abordagens hard e soft . rede MPLS/DS-TE ( DiffServ Aware Traffic Engineering ) clás-sica. Estes benefícios são de dois tipos: i) redução da capaci-dade computacional e da complexidade de configuração damalha de roteadores da rede; e ii) simplificação da estrutura demonitoramento da rede visando a coleta de dados de operaçãopara a alocação de banda.A redução da capacidade computacional e da complexidadede configuração da malha de roteadores é obtida atravésda centralização no BAMSDN do cálculo de rotas para oestabelecimento de novas LSPs, da centralização da execuçãodo procedimento de preempção de LSPs estabelecidas e dacentralização do cálculo de disponibilidade de banda porenlace. Em termos práticos, isso significa que os roteadoresutilizados com o BAMSDN não necessitam de nenhum pro-tocolo associado à operação do DS-TE, tipo o RSVP-TE(
Resource Reservation Protocol with Traffic Engineering ) ou oOSPF (
Open Shortest Path First ), podendo ser implementadoscom switches no estilo do SDN. Isso representa um ganho sig-nificativo em relação à implantação ( deployment ) e operaçãoda rede.A simplificação do monitoramento é obtida através da exe-cução centralizada do OpenFlow numa máquina controladora(BAMSDN). O OpenFlow do BAMSDN coleta e centralizaos dados de operação dos roteadores permitindo uma visãotipo snapshot de todo o conjunto de rotedores utilizados.Além disso, o BAMSDN mantém o estado da rede em termos dos LSPs estabelecidos, da utilização de banda por CT e daconfiguração do BAM para os enlaces.
D. Considerações em relação à escalabilidade do BAMSDN
A escalabilidade do arcabouço BAMSDN depende princi-palmente de como o BAM é utilizado na alocação de bandapara todos os enlaces da rede MPLS.O modelo BAM controla a alocação banda por enlace deforma independente e a alocação de uma nova LSP requer averificação da disponibilidade de banda para todos os enlacesno caminho ( path ). O BAMSDN centraliza todas as infor-mações de banda por CT na sua base de dados. Assim sendo,entende-se que o BAMSDN escala para a alocação de bandanuma rede com “N" roteadores considerando que, tipicamente,redes grandes têm sempre um número relativamente pequeno(N<40) de roteadores por trajetória e que o custo computa-cional do BAM é o acesso de leitura à base de dados doBAMSDN.VI. C
ONSIDERAÇÕES F INAIS E T RABALHOS F UTUROS
Em relação às soluções com BAM existentes, os ganhosprincipais do BAMSDN são a melhor utilização da banda dosenlaces e a redução dos bloqueios com o RDM. Além disso,a reconfiguração de BCs propiciada pelo BAMSDN permiteuma adequação dinâmica da alocação de banda ao perfil de
EEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 18, NO. 5, MAY 2020 860 tráfego de entrada. Isso tanto em relação ao comportamentocomo em relação à configuração do MAM e do RDM.O arcabouço BAMSDN, em resumo, agrupa as vantagens dautilização do MAM e do RDM para a alocação de banda coma utilização do OpenFlow para o controle da rede MPLS. Esteé um resultado inovador em relação às soluções de alocação derecursos com BAM existentes. Em efeito, o BAMSDN permitea redução da capacidade computacional e simplificação daconfiguração dos roteadores da rede, permite a monitoraçãocentralizada de toda a rede e, por último, facilita a migraçãode uma rede MPLS clássica para uma rede MPLS programadapelo OpenFlow.Em termos de trabalho futuro, pretende-se implantar oarcabouço BAMSDN na Rede de Serviços FIBRE e narede experimental BAMBU , visando avaliar a operação doBAMSDN com programação SDN/OpenFlow distribuída.R EFERENCES[1] E. Rachkidi, D. Belaïd, N. Agoulmine, and N. Chendeb, “Cloud ofThings Modeling for Efficient and Coordinated Resources Provisioning,”in
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MSc. Eliseu Silva Torres -
Bachelor in Com-puter Science from Salvador University - UNIFACS(2014). He got his masters at the Graduate Programin Computer Science (PGCOMP) of UniversidadeFederal da Bahia (UFBA), where he participatesin the research group Infrastructure and Systemsfor Networks and Telecommunications (INSERT).He is also a member of BAMBU, a metropolitannetwork of experimentation and innovation in theFuture Internet.
Prof. Dr. Rafael F. Reale -
Professor at InstituteFederal of Bahia (IFBA). PhD. in Computer Sci-ence with DMCC (UFBA/UNIFACS/UEFS), MSc.in Computer Systems by Salvador University -UNIFACS (2011) and bachelor in Informatics byUniversidade Católica do Salvador (2005). Profes-sor at Instituto Federal da Bahia (IFBA). His cur-rent research interests include Bandwidth Alloca-tion Model, MPLS, DS-TE, Autonomy, QoS, FutureInternet Architectures, Software-Defined Networksand Cognitive Networks.
Prof. Dr. Leobino N. Sampaio -
Associate Pro-fessor of Computer Science at Federal Universityof Bahia (UFBA) and Member of the BrazilianComputer Society (SBC). He holds Ph.D. degree inComputer Science at Federal University of Pernam-buco (UFPE) in 2011 and holds B.Sc. and M.Sc.degrees in Computer Science, both at Salvador Uni-versity (UNIFACS) in 1996 and 2002, respectively.His current research interests include Future In-ternet Architectures, Software-Defined Networking,Information-Centric Networks, and Network Perfor-mance Evaluation.