Scalability and Resilience Analysis of Software-Defined Networking

Abstract

Software-defined Networking (SDN) ist eine moderne Architektur für Kommunikationsnetze, welche entwickelt wurde, um die Einführung von neuen Diensten und Funktionen in Netzwerke zu erleichtern. Durch eine Trennung der Weiterleitungs- und Kontrollfunktionen sind nur wenige Kontrollelemente mit Software-Updates zu versehen, um Veränderungen am Netz vornehmen zu können. Allerdings wirft die Netzstrukturierung von SDN neue Fragen bezüglich Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit auf, welche in dezentralen Netzstrukturen nicht auftreten. In dieser Arbeit befassen wir uns mit Fragestellungen zu Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit in Bezug auf Unicast- und Multicast-Verkehr in SDN-basierten Netzen. Wir führen eine Komprimierungstechnik für Routingtabellen ein, welche die Skalierungsproblematik aktueller SDN Weiterleitungsgeräte verbessern soll und ermitteln ihre Effizienz in einer Leistungsbewertung. Außerdem diskutieren wir unterschiedliche Methoden, um die Ausfallsicherheit in SDN zu verbessern. Wir analysieren sie auf öffentlich zugänglichen Netzwerken und benennen Vor- und Nachteile der Ansätze. Abschließend schlagen wir eine skalierbare und ausfallsichere Architektur für Multicast-basiertes SDN vor. Wir untersuchen ihre Effizienz in einer Leistungsbewertung und zeigen ihre Umsetzbarkeit mithilfe eines Prototypen.

Software-Defined Networking (SDN) is a novel architecture for communication networks that has been developed to ease the introduction of new network services and functions. It leverages the separation of the data plane and the control plane to allow network services to be deployed solely in software. Although SDN provides great flexibility, the applicability of SDN in communication networks raises several questions with regard to scalability and resilience against network failures. These concerns are not prevalent in current decentralized network architectures. In this thesis, we address scalability and resilience issues with regard to unicast and multicast traffic for SDN-based networks. We propose a new compression method for inter-domain routing tables to address hardware limitations of current SDN switches and analyze its effectiveness. We propose various resilience methods for SDN and identify their key performance indicators in the context of carrier-grade and datacenter networks. We discuss the advantages and disadvantages of these proposals and their appropriate use cases. Finally, we propose a scalable and resilient software-defined multicast architecture. We study the effectiveness of our approach and show its feasibility using a prototype implementation.