Balanceamento adaptativo de tráfego em redes interdomínios com múltiplos caminhos através de redes definidas por software

Abstract

Resumo: O problema de balanceamento de tráfego entre múltiplos caminhos tem recebido uma considerável atenção junto com os conceitos de Redes Definidas por Software - SDN (do inglês, Software Defined Network) que permite um controle centralizado para a tomada de decisões. Isto é obtido através do uso de algoritmos que utilizam a informação de fluxos disponíveis e a capacidade de caminhos para que se possa alcançar um uso eficiente dos recursos da rede, enlaces e switches. Entretanto, os esforços destes trabalhos, em geral, são mais adequados para redes internas onde as informações da rede, como demanda e capacidade dos recursos, estão mais facilmente disponíveis. No que diz respeito ao roteamento interdomínio, há uma maior dificuldade em obter as informações de capacidade disponível nos caminhos da Internet e a demanda dos fluxos de dados. Além disso, há um obstáculo em tornar uma solução compatível com os diversos Sistemas Autônomos - AS que compõem a Internet e, assim, permitir uma melhor distribuição do tráfego na rede. Esta tese propõe uma solução que permite aos sistemas autônomos realizarem o balanceamento adaptativo de tráfego de saída, procurando redistribuir o tráfego entre múltiplas rotas interdomínios, de acordo com uma medição passiva de desempenho dos caminhos disponíveis. A solução proposta baseia-se em uma arquitetura BGP-SDN que permite uma melhor utilização das rotas disponíveis de um provedor de serviço de Internet - ISP (do inglês, Internet Service Provider) que necessite distribuir grandes conteúdos de dados. A medição da capacidade disponível em cada caminho para qualquer prefixo de destino é realizada utilizando fluxos ativos e a realocação é realizada para grandes fluxos, de modo que cada caminho tenha uma quantidade de fluxos proporcional à sua capacidade. Esta estratégia reduz o tempo médio de conclusão dos fluxos em relação às técnicas de balanceamento de carga de estado da arte utilizadas pelos provedores de Internet, tais como Equal Cost Multipath - ECMP e o uso de um único caminho. Para permitir uma comparação analítica com outras técnicas, foi criado um modelo matemático para calcular o tempo médio de conclusão dos fluxos. Este modelo foi utilizado para comparar a solução proposta com o uso de ECMP e do uso do caminho único mais rápido. Em seguida, foi realizada uma análise dos traços de tráfego de dois provedores de conteúdo para demonstrar as inúmeras vantagens que os fluxos de tráfego reais poderiam se beneficiar com a solução proposta. Além disso, foi realizada uma experiência com troca de tráfego na Internet para mostrar que a solução proposta ainda pode proporcionar uma grande vantagem em comparação com o estado das implementações, mesmo na presença de tráfego de fundo interferente. Um simulador de eventos discretos utilizando as informações dos fluxos reais foi utilizado para avaliar os ganhos da solução proposta através de prefixos com diferentes números de fluxos, e fluxos com tamanhos e tempos de chegada distintos. Os resultados observados mostram que a solução proposta pode reduzir pela metade o tempo médio de conclusão dos fluxos em relação ao ECMP, quando a capacidade dos caminhos diferem por um fator de 3, ou a um sexto quando as capacidades diferem por um fator de 10. Ainda, os recursos necessários para alcançar esses desempenhos, em termos de número de entradas de fluxo em switches SDN, ou o número de requisições de alteração de entrada, estão dentro das limitações de hardware atuais. Palavras-chave: BGP, SDN, balanceamento de tráfego, multicaminhos, otimização

Abstract: The problem of multiple path load balancing has received considerable attention along with the concepts of Software Defined Networks - SDN which allows centralized control for taking networking decisions. This is achieved by the use of algorithms that use the available flows information and path capacity so that an efficient use of network resources i.e. links and switches can be achieved. However, the efforts of these works in general are best suited to internal networks where the network information i.e. demand and capacity of the resources is more usually available. As far as interdomain routing is concerned, there is a greater difficulty in obtaining the prevalent network demand for dataflows and the available capacity information in Internet paths. In addition, there is an obstacle in making a solution compatible with the several Autonomous Systems - AS that compose the Internet and thus allow a better traffic distribution. This thesis proposes a solution to enable autonomous systems to perform adaptive load balancing of egress flows by seeking to redistribute the traffic between multiple interdomain routes according to a passive performance measurement of the available paths. The proposed solution is based on a BGP-SDN Architecture that enables a better use of routes which can be used by an Internet Service Provider - ISP seeking to distribute large data contents. The measurement of available capacity on each path to any destination prefix is performed using active flows and the reallocation is performed for large flows, so that each path has a quantity of flows proportional to its capacity. This strategy reduces the average time to flow completion compared to state-of-art load balancing techniques used by Internet providers such as Equal Cost Multipath - ECMP. To allow an analytical comparison with other techniques, a mathematical model was created to calculate the mean flow completion time. This model was used in order to compare the proposed solution with the state of the art ECMP and the use of the fastest single path. Next, an analysis of the traffic traces of two content providers was performed to demonstrate the numerous advantages that real-world traffic flows could benefit from the proposed solution. In addition, an experiment was carried out with Internet traffic exchange to show that the proposed solution could still provide enormous gains compared to the state of the implementations even in the presence of interfering background traffic. A discrete event simulator using the actual flow information captured was used to evaluate the proposed solution gains through prefixes with different flow numbers, and flows with different sizes and arrival times. The observed results show that the proposed solution can reduce the mean time of flow completion compared to ECMP by half, when the capacity of the path rates differ in a factor of 3, or to one sixth when path rates differ in a factor of 10. Moreover, the resources required to achieve these performances, in terms of the number of per-flow entries on SDN switches, and the the maximum entry change requests are within current hardware limitations. Keywords: BGP, SDN, load balance, multiple paths, optimization