On the scalability of LISP and advanced overlaid services
Authors:   , Coras Florin 
Published: July 2023

In just four decades the Internet has gone from a lab experiment to a worldwide, business critical infrastructure that caters to the communication needs of almost a half of the Earth's population. With these figures on its side, arguing against the Internet's scalability would seem rather unwise. However, the Internet's organic growth is far from finished and, as billions of new devices are expected to be joined in the not so distant future, scalability, or lack thereof, is commonly believed to be the Internet's biggest problem.
While consensus on the exact form of the solution is yet to be found, the need for a semantic decoupling of a node's location and identity, often called a location/identity separation, is generally accepted as a promising way forward. Typically, this requires the introduction of new network elements that provide the binding of the two names-paces and caches that avoid hampering router packet forwarding speeds. But due to this increased complexity the solution's scalability is itself questioned.
This dissertation evaluates the suitability of using the Locator/ID Separation Protocol (LISP), one of the most successful proposals to follow the location/identity separation guideline, as a solution to the Internet's scalability problem. However, because the deployment of any new architecture depends not only on solving the incumbent's technical problems but also on the added value that it brings, our approach follows two lines. In the first part of the thesis, we develop the analytical tools to evaluate LISP's control plane scalability while in the second we show that the required control/data plane separation provides important benefits that could drive LISP's adoption.
As a first step to evaluating LISP's scalability, we propose a methodology for an analytical analysis of cache performance that relies on the working-set theory to estimate traffic locality of reference. One of our main contribution is that we identify the conditions network traffic must comply with for the theory to be applicable and then use the result to develop a model that predicts average cache miss rates. Furthermore, we study the model's suitability for long term cache provisioning and assess the cache's vulnerability in front of malicious users through an extension that accounts for cache polluting traffic. As a last step, we investigate the main sources of locality and their impact on the asymptotic scalability of the LISP cache. An important finding here is that destination popularity distribution can accurately describe cache performance, independent of the much harder to model short term correlations. Under a small set of assumptions, this result finally enables us to characterize asymptotic scalability with respect to the amount of prefixes (Internet growth) and users (growth of the LISP site). We validate the models and discuss the accuracy of our assumptions using several one-day-long packet traces collected at the egress points of a campus and an academic network.
To show the added benefits that could drive LISP's adoption, in the second part of the thesis we investigate the possibilities of performing inter-domain multicast and improving intra-domain routing. Although the idea of using overlaid services to improve underlay performance is not new, this dissertation argues that LISP offers the right tools to reliably and easily implement such services due to its reliance on network instead of application layer support. In particular, we present and extensively evaluate Lcast, a network-layer single-source multicast framework designed to merge the robustness and efficiency of IP multicast with the configurability and low deployment cost of application-layer overlays. Additionally, we describe and evaluate LISP-MPS, an architecture capable of exploiting LISP to minimize intra-domain routing tables and ensure, among other, support for multi protocol switching and virtual networks.

En menos de cuatro décadas Internet ha evolucionado desde un experimento de laboratorio hasta una infraestructura de alcance mundial, de importancia crítica para negocios y que atiende a las necesidades de casi un tercio de los habitantes del planeta. Con estos números, es difícil tratar de negar la necesidad de escalabilidad de Internet. Sin embargo, el crecimiento orgánico de Internet está aún lejos de finalizar ya que se espera que mil millones de dispositivos nuevos se conecten en el futuro cercano. Así pues, la falta de escalabilidad es el mayor problema al que se enfrenta Internet hoy en día. Aunque la solución definitiva al problema está aún por definir, la necesidad de desacoplar semánticamente la localización e identidad de un nodo, a menudo llamada locator/identifier separation, es generalmente aceptada como un camino prometedor a seguir. Sin embargo, esto requiere la introducción de nuevos dispositivos en la red que unan los dos espacios de nombres disjuntos resultantes y de cachés que almacenen los enlaces temporales entre ellos con el fin de aumentar la velocidad de transmisión de los enrutadores. A raíz de esta complejidad añadida, la escalabilidad de la solución en si misma es también cuestionada. Este trabajo evalúa la idoneidad de utilizar Locator/ID Separation Protocol (LISP), una de las propuestas más exitosas que siguen la pauta locator/identity separation, como una solución para la escalabilidad de la Internet. Con tal fin, desarrollamos las herramientas analíticas para evaluar la escalabilidad del plano de control de LISP pero también para mostrar que la separación de los planos de control y datos proporciona un importante valor añadido que podría impulsar la adopción de LISP. Como primer paso para evaluar la escalabilidad de LISP, proponemos una metodología para un estudio analítico del rendimiento de la caché que se basa en la teoría del working-set para estimar la localidad de referencias. Identificamos las condiciones que el tráfico de red debe cumplir para que la teoría sea aplicable y luego desarrollamos un modelo que predice las tasas medias de fallos de caché con respecto a parámetros de tráfico fácilmente medibles. Por otra parte, para demostrar su versatilidad y para evaluar la vulnerabilidad de la caché frente a usuarios malintencionados, extendemos el modelo para considerar el rendimiento frente a tráfico generado por usuarios maliciosos. Como último paso, investigamos como usar la popularidad de los destinos para estimar el rendimiento de la caché, independientemente de las correlaciones a corto plazo. Bajo un pequeño conjunto de hipótesis conseguimos caracterizar la escalabilidad con respecto a la cantidad de prefijos (el crecimiento de Internet) y los usuarios (crecimiento del sitio LISP). Validamos los modelos y discutimos la exactitud de nuestras suposiciones utilizando varias trazas de paquetes reales. Para mostrar los beneficios adicionales que podrían impulsar la adopción de LISP, también investigamos las posibilidades de realizar multidifusión inter-dominio y la mejora del enrutamiento dentro del dominio. Aunque la idea de utilizar servicios superpuestos para mejorar el rendimiento de la capa subyacente no es nueva, esta tesis sostiene que LISP ofrece las herramientas adecuadas para poner en práctica de forma fiable y fácilmente este tipo de servicios debido a que LISP actúa en la capa de red y no en la capa de aplicación. En particular, presentamos y evaluamos extensamente Lcast, un marco de multidifusión con una sola fuente diseñado para combinar la robustez y eficiencia de la multidifusión IP con la capacidad de configuración y bajo coste de implementación de una capa superpuesta a nivel de aplicación. Además, describimos y evaluamos LISP-MPS, una arquitectura capaz de explotar LISP para minimizar las tablas de enrutamiento intra-dominio y garantizar, entre otras, soporte para conmutación multi-protocolo y redes virtuales.