Decoupling state from control in software-defined networking
Authors:   , Rodríguez Natal Alberto 
Published: July 2023

Software-Defined Networking (SDN) arose as a solution to address the limitations of traditional networking. In SDN networks, the control-plane is decoupled from the data-plane devices and logically centralized in a new network element, the SDN controller. SDN enables easier network operation and allows forwarding devices and control logic to evolve independently. The centralization of the control permits to have a global view of the network and act on it as a whole, but at the same time requires a careful design to keep the controller scalable. Commonly, a logically centralized controller is instantiated over a physically distributed infrastructure that leverages on a distributed network state database. Control applications running on top of the controller modify this state to make it compliant with their control policies or to react to network events. The controller programs the data-plane devices to reflect these state changes.
Interestingly, current SDN approaches keep the network state architecturally as part of the controller. However, this thesis arguments that the network state can be an SDN component on its own, logically separated from the controller. In the same way that originally SDN decoupled control from data, this thesis lays the foundations to explore the decoupling of state from control. This logical separation entitles state and control to scale independently and allows focusing on their individual functionality and requirements. This may be beneficial, at least, when the control has to be asynchronous and when the control has to be decentralized. For those scenarios this thesis describes two architectures driven by specific use-cases.
On one hand, when data-plane devices are subject to a high churn they require an asynchronous control communication with the controller. This is the case for end-nodes (e.g. smartphones, home-routers) since they are transient and/or highly mobile. In this case, pushing the state to the data-plane devices presents an architectural challenge. As a consequence, to enable SDN for end-nodes we advocate for a design where the state is rather pushed to a standalone database disjointed from the controller. Data-plane devices directly access this state database and retrieve the state they need on demand. Following this idea, we propose an SDN architecture that leverages on distributed and symmetric controller nodes offering an intent-driven northbound to the control applications, and on a state database with a connectionless pull-based southbound towards the data-plane nodes.
On the other hand, SDN centralization comprises several challenges besides keeping the controller scalable. The control signaling required introduces an inherent latency burden and the aggregation of local information conceals local details. Therefore, SDN centralization may result unsuitable for scenarios that require fine local control with minimal latency. This is the case of Network Function Virtualization (NFV) in operator networks. For that scenario this thesis describes an architecture where the state remains centralized, but the control is decentralized and moved close to the data-plane devices. The architecture seeks to find a balance among the traditional decentralized networks and the centralization brought by SDN. In contrast to existing SDN deployments, the control is distributed over the network but federated and coordinated thanks to the central state database.
In both described architectures we use the Locator/Identity Separation Protocol (LISP) for state exchange. Therefore, another contribution of this thesis is to analyze LISP as an SDN protocol. Besides, in the second part of the thesis we delve deeper into the implications of deploying SDN for end-nodes. Particularly, we analyze the mobility aspects of LISP signaling along with its inherent privacy concerns and we introduce OpenOverlayRouter, a LISP-capable overlay software for end-nodes SDN deployments.
Las redes definidas por software (SDN) aparecen como solución a las limitaciones de las redes tradicionales. En SDN el control se extrae de los dispositivos del plano de datos y se centraliza a un nuevo dispositivo llamado controlador. La centralización del control permite tener una visión y gestión global de la red, sin embargo el controlador se ha de diseñar con cuidado para que sea escalable. Normalmente, un controlador centralizado lógicamente se despliega sobre una infraestructura distribuida físicamente, en parte haciendo uso de una base de datos que almacena el estado de la red. Las aplicaciones de control que se ejecutan sobre el controlador modifican este estado conforme a sus políticas de control o como reacción a eventos en la red. En respuesta, el controlador programa el plano de datos para reflejar estos cambios en el estado. Las propuestas SDN existentes consideran arquitecturalmente el estado como parte del controlador. Esta tesis, sin embargo, defiende que el estado de la red puede ser un elemento por si mismo, separado del controlador. De la misma manera que originalmente SDN separó el plano de control del plano de datos, esta tesis abre el camino para explorar la separación de estado y control. Esta separación conceptual hace posible escalar estado y control por separado y permite centrarse de manera individual en las funcionalidades y requerimientos de cada uno. Esto sirve de ayuda cuando el control tiene que ser asíncrono y/o cuando el control tiene que ser descentralizado. Para esos dos escenarios, esta tesis describe dos arquitecturas motivadas por casos de uso concretos. Por un lado, cuando los dispositivos del plano de datos no están siempre disponibles, necesitan comunicarse con el controlador de manera asíncrona. Este escenario se da con dispositivos de red finales (móviles, routers domésticos, etc) que se conectan transitoriamente a la red y/o cambian de conexión con frecuencia. Este escenario dificulta que el controlador programe de manera pro-activa el estado en estos dispositivos. Así pues, para integrar estos dispositivos en despliegues SDN, esta tesis aboga porque el controlador almacene el estado en una base de datos independiente, separada del controlador, a la que los dispositivos acceden directamente para obtener el estado que necesiten cuando lo necesiten. Siguiendo esta idea, proponemos una arquitectura SDN para dispositivos finales basada en un controlador distribuido con una interfaz declarativa hacia las aplicaciones de control y en una base de datos con una interfaz sin conexión y bajo demanda hacia el plano de datos. Por otro lado, la centralización de SDN presenta varios desafíos más allá de la escalabilidad del controlador. En concreto, la señalización de control requerida introduce una latencia adicional y la agregación de la información oculta los detalles locales. Esta centralización resulta inadecuada cuando se necesita un control local preciso con mínima latencia. Este es el caso de la virtualización de funciones de red (NFV) en redes de operadores. Para ese escenario esta tesis describe una arquitectura donde el estado permanece centralizado pero el control se descentraliza y mueve cerca del plano de datos. Se busca equilibrar la descentralización de las redes tradicionales y la centralización de SDN. En contraste con los despliegues SDN existentes, el control está distribuido por la red pero federado y coordinado gracias a la base de datos central. En las dos arquitecturas descritas usamos el Protocolo de Separación de Localización e Identidad (LISP) para el intercambio de estado, por tanto otra contribución de esta tesis es analizar LISP como protocolo SDN. En la segunda parte de esta tesis profundizamos en las implicaciones de desplegar SDN para nodos finales. Particularmente, analizamos LISP en entornos de movilidad junto con su problemática en términos de privacidad y presentamos OpenOverlayRouter, un software para despliegues SDN basados en LISP.