Control-plane consistency in software-defined networking: distributed controller synchronization using the ISIS² toolkit

Abstract

Software-defined Networking (SDN) is a recent approach in computer networks to ease the network administration by separating the control-plane and the data-plane. The data-plane only forwards packets according to certain rules specified by the control-plane. The control-plane, implemented by a software called controller, determines the forwarding rules based on a global view of the network. In order to increase fault tolerance and to eliminate a possible performance bottleneck, the controller can be distributed. The synchronization of the data that holds the global view is conventionally realized using distributed key-value stores offering a fixed consistency semantic, not respecting the heterogeneous consistency requirements of the data items in controller state. The virtual synchrony model, an alternative approach to the commonly used state machine replication method, offers a more flexible solution that can result in higher performance when certain assumptions on the data kept in controller state can be made. In this thesis a distributed controller based on OpenDaylight, a state-of-the-art SDN controller and the ISIS² library, that implements the virtual synchrony model, is proposed. The modular architecture of the proposed controller and the usage of a platform independent data model allows to extend or replace parts of the system. The implementation of the distributed controller is described and the macro and micro performance is evaluated with benchmarks.

Software-defined Networking (SDN) ist ein aktueller Ansatz zu Computernetzwerken, der die Netzwerkadministration vereinfacht, in dem die Kontrollschicht von der Weiterleitungsschicht getrennt wird. Die Weiterleitungsschicht ist nur für das Weiterleiten von Paketen nach Regeln zuständig, die von der Kontrollschicht festgelegt werden. Die Kontrollschicht, die von einer Controller genannten Software implementiert wird, legt die Weiterleitungsregeln, basierend auf einer globalen Sicht auf das Netzwerk, fest. Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen und um einen möglichen Leitungsengpass zu eliminieren kann der Controller verteilt werden. Die Synchronisation zwischen den Controllern wird herkömmlicherweise mithilfe von verteilten Key-Value Stores realisiert, die nur eine feste Konsistenzeigenschaft anbieten, was die heterogenen Konsistenzansprüche der Daten im Controllerzustand nicht berücksichtigt. Das Virtual Synchrony Modell, ein alternativer Ansatz zu der üblichen State-Machine Replication Methode, bietet eine flexiblere Lösung die zu höherer Leistung führen kann, wenn bestimmte Annahmen über die Daten im Controllerzustand gemacht werden können. Diese Arbeit stellt einen verteilten Controller basierend auf OpenDaylight, einem aktuellen SDN Controller und ISIS², einer Bibliothek die das Virtual Synchrony Modell umsetzt, vor. Die modulare Architektur des vorgestellten Controllers und die Verwendung eines plattformunabhänigen Datenmodells erlauben es, das System zu erweitern oder Komponenten zu ersetzen. Die Implementierung des verteilten Controllers wird beschrieben und die Komponenten und Gesamtleistung wird durch Benchmark-Tests ausgewertet.