OpenFlowの長所と課題～実証実験で得た知見～

日本電気株式会社
金海好彦

アジェンダ▐ OpenFlowとは▐ OpenFlowにおけるスライス定義▐ OpenFlowの広域ネットワーク展開▐ 実証実験
l JGN-X上のOpenFlowテストベッド• RISE: Research Infrastructure for large-Scale network Experimentsl Interop Tokyo 2011 ShowNet連携デモンストレーション▐ まとめ2

OpenFlow Switching
Controller
OpenFlow Switch specification

OpenFlow Switch
sw SecureChannel
hw FlowTable

3ow
lFn
O pe ocolt
P ro
SLS/PTCPC

OpenFlow とは (1/2)▐ OpenFlowコントローラ (OFC)l ネットワークの制御部
l フローテーブルの配布
l OpenFlowネットワークの把握• LLDP (Link Layer Discovery Protocol)
を用いる▐ OpenFlowスイッチ (OFS)l フローテーブルに従いパケットを転送・廃棄▐ OpenFlowプロトコル
l OFCとOFS間の通信用
l イベント毎(パケットイン)にOFSがOFCに通知
l OFCはフローエントリーをOFSに配信

4▐ L2技術の拡張
l 既存L2ネットワークとの親和性が高いl イーサネットの転送原理を越えることが可能
l STP等のL2での制御プロトコルは不要
l OpenFlowに適したネットワークデザインが必要

OpenFlowとは (2/2)
タプル▐ フローの定義

Ingress
Port

input port

0/3[0x0003]

src mac addr

f04d.a255.c64c

dst mac addr

f04d.a255.c81b

input vlanany

ip prtocol
number0x800

src ip addr

192.168.20.1

IP addrsrc

dst ip addr

192.168.20.11

IP addrdst

src L4 port

45893

dst L4 port

3260

forwarding

hardwareforwarding

matched packets

1879

expire time

30sec

Ether
l 13タプル (= 名前空間)
dst MACl 一般的なTCPフローとは異なる Ether▐ フローテーブルl タプル指定l アクション
• 転送・廃棄l パケットカウント
l OpenFlowコントローラが作成
l OpenFlowスイッチが参照

src MAC
Ethertype
VLAN
Tag

IP
ProtocolIP
ToS
TCP/UDPsrc port
TCP/UDPdst port

5

フローテーブル(例)OpenFlowの特徴▐ OpenFlow is available for forwarding the packets beyond thefundamental rule of traditional L2 forwardingl Increasing the range of route selections for the researchers andapplications• Elastic development of slices

l Multi redundant routes• Full-mesh and/or loop topology on L2 network
利用者C

If it’s possible to connect among OFSes,
there is no problem!

OFS-2

HTTP Flow

利用者A

OFC detects OpenFlow network
topology

利用者A
OFS-1

OFS-4

利用者B

利用者B

Mail Flow

OFS-3

利用者A
6

利用者C

広域OpenFlow ネットワーク▐ Target to provide some slices for every researchers▐ The issues to keep the feature of OpenFlow with widely deploying
OpenFlow network
l Leveraging the large-scale L2 and/or L3 network• I try to interwork to JGN2plus as a large-scale L2 network• I recognize the interwork of a large-scale L3 network including IP/MPLS as one ofthe future works

l Establishment of the logical neighbor relation among all OFSes
By overlay technology, I intend to accomplish the logical neighbor of each OFS

L2 network

L2 network

L2-SW
OFS-3

Terminal C

7

Zoom up

Port 2
VLAN-ID=200

Port 1
VLAN-ID=100
OFS

SOF-SW
L2

L2-S
W

OFS-1

末端

L2 tunnel
OFSOFS-2

端末Terminal B

Terminal A

OpenFlowにおけるスライス▐ Slicel The group of flow-tables is slicel Control of Flow tables is based onsome policies▐ Each slice on OpenFlow network▐ OpenFlow network overlays on anexisting network like JGN2plus

Flow table
Slice 3

OpenFlow NW

JGN-X
8

▐ Traffic Engineeringl TE for every applicationl TE for operation andmanagement▐ Independent network on IP addressl Sensors networkl Video frame over Ethernet▐ VNO (Virtual Network Operator)
servicel Providing the network service on
Slice
Traffic Engineering

Flow Table
Slice 1

Flow Table
Slice 2VNO(Virtual Network Operator)

JGN-X上のOpenFlowテストベッド(RISE: Research Infrastructure for large-Scale network Experiments)

9

JGN-X上のOpenFlowテストベッド (RISE)▐ OpenFlow技術を使った広域新世代テストベッドの構築
l 現在は，設計と評価，構築の段階
l OpenFlowの長所を生かしたテストベッド• フローテーブルにより利用者を識別• コントローラによる集中管理の弱点は存在するが，何とか克服したい．．．．
– OFCのクラスタリング構成，OFSによる冗長化▐ 2011年11月にサービスイン
l VLAN StackingでまずはS-in▐ 最終目標は，各自のデスクトップ上から広域テストベッドが利用可能に
l OpenFlowだけにこだわる必要はない？！

▐ 海外テストベッドとの連携
l EU → OFELIAl US → Internet2, NLR
l アジア → 韓国，タイ

10

JGN2plus上のOpenFlowネットワーク（物理構成）

E-OFS

ksendai2

JGN2plus links
Q in Q trunk links
OpenFlow available vlan links
mgmt and sec-chan seg. links

D-OFS
kkanazawa2

ksendai1

kote2

nfukuoka2
ksendai-gs4k-1

kkanazawa1

kote1

nfukuoka1
kote-ex4200-1

kkanazawa-gs4k-1
nfukuoka-gs4k-1

kote-gs4k-1

nokayama-gs4k-1

note-gs4k-1

ndojima-gs4k-1

nokayama1

nokayama2

11

ndojima1

ndojima2

nnagoya-gs4k-1

note1

nnagoya1

note2

nnagoya2

JGN2plus上のOpenFlowネットワーク（論理トポロジー）

E-OFS

ksendai2

P2P OF direct logical links by Q in Q
OpenFlow native links

D-OFS
kkanazawa2

ksendai1

kote2

nfukuoka2
kote1

kkanazawa1
nfukuoka1

nokayama1

nokayama2

12note1ndojima1

ndojima2

nnagoya1

nnagoya2

note2

実証実験
▐ 2010年と2011年のさっぽろ雪まつり・沖縄プロ野球キャンプ映像伝送実験
l 2010年• 放送局毎に異なったVLANで，スライスを提供• 放送局間の映像伝送で必要な品質要件を満足できるかを確認– 日本国内だけでなく，KORENのOpenFlowネットワークとも相互接続(データプレインのみ)を実施

l 2011年• 全放送局は同一VLAN上で異なったスライスをOFCにて提供• OFCのGUI• OFCから特定フローの動的経路変更• フローエントリーのセットアップ時間の測定• 海外回線を用いた長距離伝送

13

OFC GUI (2011 version)

14

OFC GUI (2011 version)15

1.5 around Japan!
=
KDDI Otemachi -> Fukuoka ->Sapporo -> Sendai -> NTTOtemachi -> Nagoya -> Dojima

RISE2.0に向けて16

RISEとは▐ JGN-X上の大規模OpenFlowテストベッド
l ターゲットユーザ：研究者、学生、開発者、運用者など▐ これまでの狙い
l 当初は、OpenFlow技術の広域展開についての実証• 既存ネットワーク上にトンネル技術を使って設計、構築• OpenFlowネットワークのトラブルシューティング手法などの運用ノウハウを蓄積l 現在は、OpenFlowテストベッドの構築• ユーザによるコントローラ持ち込みを可能にするユーザスライス空間を、スイッチ仮想化技術で実現• ネットワークエミュレーション環境、無線・光通信テストベッド、クラウドインフラな
どの多彩なテストベッド機能との接続• より現実的なアプリケーションやサービスの開発

17

RISE 2.0の計画
ユーザスライスとしてのOpenFlow
ネットワーク

RISE物理インフラ（OFSとVM環境）

下位ネットワーク
インフラ（MPLS PseudoWire）
18

RISE having HD video streaming slice on OpenNetworking Summit
HD video streaming server(Sender in Tokyo POP)

Reproducing Snow Festival Trials

HD video streaming receiverin the venue of ON Summit

The video content forbroadcast
Video streaming slice (Snow Festival)

Logical (almost full -mesh) paths for OFin Japan, LA and additional AP (venue)

Traditional wide-area networks（Physical）

19RISE

OpenNetworking Summitデモ構成

Stanford Univ.

RISE (Research Infrastructure for large-Scale network
Experiments) is a large-scale OpenFlow testbed on JGN-X• RISE is already deployed as large-scale
OpenFlow network.
• RISE has 8 POPes in Japan andBangkok, Thailand.
• We demonstrate the video streaming on
RISE from Tokyo to the venue of ONSummit.
• And L2 network for OpenFlow is extendedby Ether over IPv4.
Tokyo

Stanford

The Pacific
CENIC
SINET

Pacific Wave

SendaiKanazawa

RISE
Okayama
Fukuoka

20

Osaka

JGN-X
NagoyaLA

Interop Tokyo 2011 ShowNetと連携したデモンストレーション21®k£¡§trss°¦£ÙE¼Âîþ■ InteropTokyo2011
ShowNetを利用したデモ事業継続として求められるマルチサイトデータセンタの切り替えや、クラウドのリソース9RSÇ¼Å>ÑÕØ×ýăëäÝïîĉêèćêÊÖ5µÓ±áāÞðÊĂéĉç
ハイブリッド（プライベート・パブリック）で活用するデモンストレーションôÝùĂìðĊúāÝûĉïĈöùĂìáċÆ?E¾×îþćçïĄĉåĀć

１つの物理ネットワーク上に複数の論理的なネットワーク• ďÄÊBDòìïĆĉáÉY.Ê]DFÈòìïĆĉá
• BDFÉhØÂîĉêèćêÆďÄÊ]DòìïĆĉá
物理的に離れたデータセンタで１つの論理ネットワーク●複数のデータセンタを一つの仮想¯Y.ÊîĉêèćêÙÄÊ'
データセンタとしてみせるネット°îĉêèćêÇ¼ÅÏ¿×òìï
ワークの構築°ĆĉáÊ:N


!
!&(&(  !!

!!

●データセンタレベルでも、フローレベ¯îĉêèćêĄûăÆÒ±øąĉĄû
ルでも負荷分散と切り替えが可能°ăÆÒ^V-ÇÖ5µ¶T

適用例
bE●ハイブリッドクラウドでのリソー¯ôÝùĂìðáāÞðÆÊĂéĉス活用（プライベート・パブリック）
kkkkç?EĊúāÝûĉïĈöùĂìáċ●災害対策や節電として求めら¯ALÓMiÇ¼Å>ÑÕ
れるデータセンタの切り替えkkkØ×îĉêèćêÊÖ5µ

実証実験のポイント[jÊüÝćï.,-/

!

!

!
!!  #%'"
#%'"
*!
+* !
 
+

仮想アプ
'Ûúā
ライアンス
ÝÛćç.,-/!

NEC Confidential

!
!!

  #%$)
#%$)*+* +・複数のデータセンタで同じネットワークアドレスを利用。サーバ移設が簡単・ネットワークがシンプル
ĈY.ÊîĉêèćêÆ½òìïĆĉáÛðĄçÙE²äĉõJZ¶OĈòìïĆĉá¶åćúă・ファイアウォール・ロードバランサも仮想化・マルチテナント機能を利用。アプライアンスもプール化ĈøÚÝÛÞßĉăĈąĉðõāćäÒ'Ĉýăëíñćï;TÙE²ÛúāÝÛćçÒúĉă・フロー制御により通常時は二つのセンタのリソースを活用。災害時にはセンターレベルで切り替えĈøąĉ&ÉÔÖ_"4ËÄÊèćêÊĂéĉçÙ?E²A4ÉËèćêĉĄûăÆÖ5µ
22 22Page

!

■プライベートクラウド・パブリッククラウドのハイブリッドモデル
n ShowNetライブデモでは、実際に仮想ＤＣを停止させ切り替え①東京ＤＣ（プライベート）－大阪ＤＣ（パブリック）への切り替え②本社ー大阪ＤＣ（パブリックデータセンター）への切り替え
NECブース 本社

ShowNetネットワークプール

ネットワークプール

ＬＢ

ＦＷ

アプライアンスプール

サーバ

ストレージ
サーバプールShowNet 仮想東京DC（プライベートクラウド）
23ＬＢ

ＦＷ

アプライアンスプール

①サーバ

ストレージ
サーバプールShowNet 仮想大阪DC（パブリッククラウド）②

■ShowNet構成（物理構成）
ShowNetライブデモ 物理ネットワーク図

仮想アプラ
イアンス

24

■ShowNet構成- 論理構成
ShowNetライブデモ 論理ネットワーク図（１つのネットワーク）
x.x.x.x/24

x.x.x.x/24

x.x.x.x/24

大阪ＤＣ

VM1
VM2

LB_OSK2

ShowNetFW_OSK1

vBr2-1

LB_OSK1

vBr3
VM3

FW_HQ1

vR0
vBr1
PC

FW_HQ2

LB_HQ1
LB_HQ2

本社
ファイヤーウォール(Fortigate)25

vBr2-2

ロードバランサ(Big-IP or A10)

VM4

■ShowNet構成- 全体構成
４つの仮想ネットワークを東京、大阪、本社のそれぞれ物理ネットワークにマッピング
VM1

論理構成

VM2 VM3 VM3 VM4
VM1
VM1
VM2 VM2
VM4 VM1
VM3
VM4

vBR3

ShowNetShowNetPC

VM3

論理ネットワーク１

論理ネットワーク2
論理ネットワーク3論理ネットワーク4

VM2vR

vBR1vRShowNetvBR1
FWvR
vBR2vBR1LB FW

FWvBR2vBR3
vBR3

LB
LB

vBR2

PC

PC

物理構成
ServerServer
LB

LB

PFS

PFS

ShowNet大阪DC（パブリッククラウド）
26

LB
FW

FW

本社
（NECブース）

ServerFW

PFS

ShowNet東京DC（プライベートクラウド）

まとめ▐ OpenFlowの基本的な説明とその特長▐ JGN-Xでは，
l データセンタ内だけでなく，広域展開することで，OpenFlow技術を用いたリソースアロケーションを目指す▐ Interop Ｔｏｋｙｏ 2011では，l セキュリティアプライアンスを連携したリソースアロケーションの実証実験▐ 新技術と既存技術の相互接続・相互運用には，構築・実証実験で経験を積むべきl 新技術であるため，構築には一苦労がある．．．．
l 一方，ノウハウは蓄積し，体系化できつつある
27

Open Source OpenFlow Controller: Trema▐ Free Software “Trema” as GPLv2
l Open to public at Apr.2011
l Repository: https://github.com/trema/l ML trema-dev@googlegroups.com
l Twitter @trema_news▐ OpenFlow controller platforml Platform for researcher and developerl ≠ commercial controller▐ Software Developer’s Environmentl Includes network emulator for debugging
l TDD (Test Driven Development)
Frameworkl Support C and Ruby

28

Trema overview▐ Trema + User’s own application = OpenFlow controllerl Trema main body @ https://github.com/trema/tremal Sample application @ https://github.com/trema/apps
Routing control, topology discovery,
Authentication-driven application

User
moduleBasic libraries

UserUsermodulemoduleCore modules

OpenFlow Controller

OpenFlow protocol stack

Trema
InteractiveShell
Debugger

OpenFlow
SwitchHostIntegrated
networkemulator
Real network

29Controller
and network
configuration