Scalability and robustness in software-defined networking (SDN)
Authors:   , Jiménez Agudelo Yury Andrea 
Published: September 2023

The simplicity of Internet design has led to enormous growth and innovation. In recent decades several network technologies, services and applications have appeared, which demand specific network requirements for their correct operation.
In traditional networks, operators are responsible for providing a network configuration sufficiently robust to deal with a wide range of network events and applications. To achieve this is incredibly difficult because: i) the state of the networks can change continuously and today's networks do not provide a mechanism to automatically respond to the wide range of events that may occur and ii) the static nature of current network devices does not permit detailed control-layer configuration, given that the hardware and software are provided by the manufacturer and can not be customized.
This is the basis of the current, present-day Internet and its architecture, that has grown in an evolutionary fashion from experimental beginnings, rather than from a deliberate strategy. The unpredictable network growth in terms of size and heterogeneity, has exposed a number of fundamental complexities in the current architecture. For instance, the manual configuration of control functions on network devices that may lead to misconfigurations.
This is evident that network management requires more intelligent and efficient management systems to coordinate thousands of network elements and applications, the high demand on network performance and growing configuration complexity. In recent decades, several approaches have been introduced in order to improve the network management, such as: MPLS, virtualization and programmable networks. These latter networks have been proposed as a way of facilitating network evolution. In particular, Software Defined Networking (SDN), a networking paradigm focused on allowing software developers to rely on network resources in an easy manner, unifying the state network distribution and a general-purpose technique to manage any type of network in an transparent manner.
In SDN, network intelligence is logically centralized in software-based controllers (the control layer), and network devices become simple packet forwarding devices (the data layer) that can be programmed via an open interface. By decoupling the control and data layers, network devices can be easily programmed and reconfigured, allowing the behaviour of different types of network devices to be unified. Even though SDN is quite recent, it has already been standardized and implemented in the Internet by several recognized companies such as Google. Several SDN architectures have been proposed to handle current and future network services. However, there are still important research challenges to be addressed in SDN. Some of these current challenges are related to: i) SDN scalability as control is centralized, ii) control layer robustness as any failure can lead to switches to be disconnected from the controller, iii) consistency of network information as wrong decisions can be made affecting network performance and iv) security as controllers can be attacked.
The purpose of this thesis is to address the first three of the aforementioned problems. They are addressed from the first premise, ignoring existing approaches offered in traditional networks to remedy some of these issues. First, a controller placement protocol is proposed, taking into account the network/service requirements. To measure the robustness of a control layer, a robustess metric is designed and evaluated. This metric can also be used to select controller placements in a SDN network that minimize the data loss. Finally, a resource discovery protocol is designed, implemented and evaluated. This protocol discovers any network topology in time efficient, avoiding making assumptions about the network state as it happens in traditional networks.
En las redes tradicionales, los operadores de red son responsables de proporcionar una configuración de red lo suficientemente robusta que permita gestionar los diferentes tipos de eventos que puedan afectar el funcionamiento de esta y los requerimientos de los servicios. Esto es difícil de alcanzar dado que: i) el funcionamiento de las redes puede variar en cualquier momento y las redes actuales no cuentan con un mecanismo que les permita reaccionar eficientemente al amplio rango de eventos que pueden ocurrir y ii) la naturaleza estática de las elementos de red no permite una detallada configuración dado que su hardware/software no pueden ser modificados de una manera eficiente. El impredecible crecimiento de la red en terminos de su tamaño y su heterogeneidad, han expuesto un número de complejidades en la actual arquitectura de red. Primero, los elementos de red tienen que soportar un gran número de comandos/configuraciones sobre un especifico sistema operativo, dificultando la instalación de un nuevo software sobre ellos, debido a incompatibilidades con el hardware o debido a que el software es incapaz de gestionar las capacidades del hardware. Segundo, la configuración manual de las funciones de control sobre los elementos de red pueden llevar a configurar erróneamente las tablas de enrutamiento. Finalmente, la integración vertical de los middleboxes dificulta a los operadores especificar las políticas de alto nivel sobre las tradicionales tecnologías de red. La gestión de la red requiere un sistema inteligente y eficiente que coordine: i) los miles de elementos y aplicaciones presentes en la red, ii) la alta demanda sobre el rendimiento de la red y iii) la creciente complejidad en la configuración de las redes. En las últimas décadas, diferentes soluciones han sido propuestas con el objetivo de mejorar la gestión de la red, tales como MPLS, virtualización y las redes programables. En este último caso, las redes definidas por software o SDNs permiten a los desarrolladores de software gestionar los recursos de red en una manera fácil, dado que la distribución del estado de la red es unificado, lo cual permite gestionar cualquier tipo de red en una manera transparente y en tiempo eficiente. En SDN, la inteligencia de la red esta lógicamente centralizada en unos elementos de red llamados controladores, de modo que los demás elementos que actúan en la red solo transmiten paquetes hacia el destino. Estos elementos, son configurados por los controladores a través de una interface abierta. Es decir, SDN desacopla la capa de control de la capa de datos permitiendo que los elementos de red puedan ser programados y re-configurados independiente del tipo de red. Aún cuando SDN es reciente, este ha sido estandarizado e implementado por diferentes compañías (ej. Google). Sin embargo, hay varios desafios por resolver en SDN aún. Algunos de estos desafios están relacionados con: i) la escalabilidad de los controladores, como estos están centralizados, ii) la robustez de la capa de control, dado que un fallo en esta puede dejar los elementos de red sin conexión con el controlador, iii) la consistencia de la información de control, para evitar tomar decisiones que afecten la operación de la red, y finalmente iv) la seguridad. En esta tesis, los primeros tres desafios son tratados desde el punto de vista de la localización de los controladores en la red, los cuales son seleccionados teniendo en cuenta los requerimientos de los servicios/aplicaciones y las características de la red. La primera contribución de esta tesis es un algoritmo que selecciona el número de controladores y su localización en la red. Un parámetro de robustez que permite seleccionar los controladores desde los cuales se construye una capa de control robusta y también puede medir la robustez de cualquier capa de control, es definida. Finalmente, un protocolo que descubre la topología y características de cualquier red es propuesto y evaluado.