Advancing network monitoring and operation with In-band network telemetry and data plane programmability

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Marques, Jonatas Adilson
• Orientador(a): Gaspary, Luciano Paschoal
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Monitoramento de rede; Rede definida por software; Rede : Comunicacao : Dados
• Palavras-chave em Inglês: Network Monitoring; Software-Defined Networking; Data Plane Programmability; P4; In-band Network Telemetry
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/249121

As redes de comunicação modernas operam sob altas expectativas de desempenho e resiliência (por exemplo, latência, largura de banda, disponibilidade), isto principalmente devido à contínua proliferação de aplicações não elásticas altamente distribuídas. Nesse contexto, monitorar de perto o estado, o comportamento e o desempenho dos dispositivos de rede e seus tráfegos, bem como solucionar rapidamente os problemas à medida que estes surgem, são essenciais para a operação das infraestruturas de rede. Infelizmente, as ferramentas e técnicas existentes são limitados no nível de detalhes oferecido, na rapidez de suas reações e na capacidade de manter a sobrecarga de monitoramento baixa o sufi ciente para não afetar a operação da rede. A Programabilidade do Plano de Dados (do inglês Data Plane Programmability – DPP) juntamente com a Telemetria de Redes no modo In-band (In-band Network Telemetry – INT), respaldadas pelos recentes avanços em Software-Defined Networking, surgem neste contexto como plataformas promissoras para atender a essas demandas de monitoramento. A INT permite alcançar níveis de pre cisão e granularidade de monitoramento sem precedentes, mas pode levar à degradação do desempenho significante se aplicada indiscriminadamente a todos os pacotes e fluxos em uma rede. Uma alternativa para evitar esse problema é orquestrar tarefas de teleme tria e usar apenas uma parte do tráfego para monitorar a rede via INT. O problema geral consiste, então, em atribuir subconjuntos de tráfego para realizar INT e fornecer cober tura total de monitoramento, minimizando o overhead. Para atingir este objetivo, como primeiro passo nesta tese, apresentamos e formalizamos o problema In-band Network Te lemetry Orchestration (INTO), provamos que ele é NP-Completo e propomos heurísticas polinomiais em tempo de computação para resolvê-lo. Em nossa avaliação usando topo logias de redes de larga escala reais, observamos que as heurísticas produzem soluções próximas ao ótimo para qualquer rede em menos de um segundo. Observamos também que as redes podem ser cobertas atribuindo um número linear de fluxos em relação ao número de interfaces dos dispositivos e, por fim, que é possível minimizar a carga de tele metria para uma interface por fluxo para a maioria das redes. Continuando nosso trabalho, investigamos ainda mais os recursos disponíveis na DPP e projetamos o INTSIGHT, um sistema para detecção e diagnóstico altamente precisos de violações de SLO. A principal contribuição do INTSIGHT é, com base na telemetria in-band, introduzir o cálculo de mé tricas de rede ao longo do caminho dos pacotes e a exportação seletiva de informações para o plano de controle. Mostramos a eficácia do INTSIGHT por meio de dois casos de uso. Nossa avaliação usando redes reais também mostra que INTSIGHT gera até duas ordens de magnitude menos tráfego de monitoramento do que abordagens do estado da arte. Além disso, seus requisitos de processamento e memória são baixos e, portanto, compatíveis com as plataformas programáveis existentes. Como etapa final desta tese, mudamos nosso foco para a reação rápida e propomos o FELIX, um sistema para recupe ração de falhas que redireciona o tráfego afetado em escalas de tempo de plano de dados enquanto ainda usa os caminhos mais curtos dentre os disponíveis. Nossa avaliação mos tra que nossa abordagem pode se recuperar de falhas até quatro ordens de magnitude mais rapidamente do que as abordagens SDN existentes.