ARCO CH CHIESA UNIVERSIT CATHOLIQUE DE LOUVAIN JO JOINT - - PowerPoint PPT Presentation

To Towards ¡ ¡Decentralized ¡ ¡Fa Fast ¡ ¡Consistent ¡ ¡Upda Updates

MAR

ARCO CH

CHIESA

UNIVERSITÉ ¡CATHOLIQUE ¡ DE LOUVAIN

JO JOINT ¡ ¡WORK ¡ ¡WITH: TH THANH ¡ ¡DANG ¡ ¡NGUYEN ¡ ¡(UC ¡ ¡LOUVAIN), ¡ ¡ MA MARCO ¡ ¡CANINI ¡ ¡(UC ¡ ¡LOUVAIN) ¡ ¡

A ¡fundamental ¡network ¡operations ¡performed ¡whenever:

• ­‑

network ¡policy ¡changes

• ­‑

network ¡devices ¡fail

• ­‑

traffic ¡load ¡changes

• ­‑ security ¡attacks

Updating the network configuration

A ¡fundamental ¡network ¡operations ¡performed ¡whenever:

• ­‑

network ¡policy ¡changes

• ­‑

network ¡devices ¡fail

• ­‑

traffic ¡load ¡changes

• ­‑ security ¡attacks

Updating the network configuration

planned ¡updates

A ¡fundamental ¡network ¡operations ¡performed ¡whenever:

• ­‑

network ¡policy ¡changes

• ­‑

network ¡devices ¡fail

• ­‑

traffic ¡load ¡changes

• ­‑ network ¡attacks

Updating the network configuration

planned ¡updates unplanned ¡ updates

Unplanned network update scenario

current ¡ routing new ¡ routing network ¡ controller protection ¡ routing

Unplanned network update scenario

current ¡ routing new ¡ routing network ¡ controller protection ¡ routing

suboptimal network ¡ event

Unplanned network update scenario

current ¡ routing new ¡ routing network ¡ controller protection ¡ routing

• ptimal

computes suboptimal network ¡ event

Desiderata: fast network update to the new configuration

current ¡ routing new ¡ routing network ¡ controller protection ¡ routing

• ptimal

suboptimal fast ¡update wanted

1 2 3 4 5

One-shot updates are dangerous

1 2 3 4 5

current target

The ¡network ¡is ¡a ¡distributed ¡system Asynchronous ¡update ¡messages If ¡Switch ¡2 ¡updates ¡BLUE ¡before ¡ Switch ¡5 ¡installs ¡the ¡forwarding ¡rule ¡ for ¡BLUE, ¡traffic ¡is ¡blackholed!!

1 2 3 4 5

One-shot updates are dangerous

1 2 3 4 5

The ¡network ¡is ¡a ¡distributed ¡system Asynchronous ¡update ¡messages If If ¡ ¡Switch ¡ ¡2 ¡ ¡updates ¡ ¡BLUE ¡ ¡before ¡ ¡ Sw Switch ¡ h ¡5 ¡ ¡ins nstalls ¡ ¡the he ¡ ¡forwardi ding ng ¡ ¡rul ule ¡ ¡ fo for ¡ ¡BLUE, ¡ ¡traffic ¡ ¡is ¡ ¡bl blackho holed!! !!

updated not ¡updated

current target

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

Flow dependencies must be met to avoid link congestion

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

A ¡simple ¡network:

• Each ¡link ¡capacity ¡is ¡10
• Each ¡flow ¡requires ¡5 ¡units

Goal: ¡update ¡from ¡cu current ¡ ¡to ¡ta target

• GR

GREEN and ¡BL BLUE are ¡updated If ¡Switch ¡1 ¡updates ¡BLUE ¡before ¡ GREEN, ¡link ¡1-­‑2 ¡is ¡congested!!

current target

1 2 3 4 5

Flow dependencies must be met to avoid link congestion

1 2 3 4 5

A ¡simple ¡network:

• Each ¡link ¡capacity ¡is ¡10
• Each ¡flow ¡requires ¡5 ¡units

Goal: ¡update ¡from ¡cu current ¡ ¡to ¡ta target

• GR

GREEN and ¡BL BLUE are ¡updated If ¡Switch ¡1 ¡updates ¡BLUE ¡before ¡ GREEN, ¡link ¡1-­‑2 ¡is ¡congested!!

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

CONGESTION!!

current target

Dy Dyonisus: centralized ¡synchronization ¡ scheduling ¡computation

Sy Synchronization ¡ ¡between ¡ ¡switches ¡ ¡and ¡ ¡ co controller ¡ ¡slows ¡ ¡down ¡ ¡the ¡ ¡update

TI TIME4: ¡one-­‑shot ¡update ¡by ¡means ¡

• f ¡clock ¡synchronization

In Inaccuracy ¡ ¡in ¡ ¡clock ¡ ¡synchronization ¡ ¡lea eads ¡ ¡ to to ¡ ¡anomalies

Most relevant related work

1 2 3 4 5 Controller

Multiple ¡ rounds ¡ depending ¡ on ¡ flow ¡ dependencies

Dy Dyonisus: centralized ¡synchronization ¡ scheduling ¡computation

Sy Synchronization ¡ ¡between ¡ ¡switches ¡ ¡and ¡ ¡ co controller ¡ ¡slows ¡ ¡down ¡ ¡the ¡ ¡update

TI TIME4: ¡one-­‑shot ¡update ¡by ¡means ¡

• f ¡clock ¡synchronization

In Inaccuracy ¡ ¡in ¡ ¡clock ¡ ¡synchronization ¡ ¡lea eads ¡ ¡ to to ¡ ¡anomalies

Most relevant related work

1 2 3 4 5 Controller

Decentralized ¡fast ¡network ¡update Key ¡idea: ¡move ¡simple, ¡yet ¡powerful, ¡ logic ¡from ¡the ¡controller ¡to ¡the ¡ switches

Ez-segway

1 2 3 4 5 Controller

Decentralized ¡fast ¡network ¡update Ke Key ¡ ¡idea Move ¡simple, ¡yet ¡powerful, ¡logic ¡ from ¡the ¡controller ¡to ¡the ¡switches

Ez-segway

1 2 3 4 5 Controller

Ez-segway Separation of concerns

1 2 3 4 5 Controller

• nly ¡one ¡

round

Central ¡controller ¡role:

• detects ¡flow ¡dependencies
• computes ¡flows ¡partial ¡ordering
• sends ¡ordering ¡to ¡the ¡switches

Switches ¡role:

• combine ¡local ¡and ¡global ¡(pre-­‑

computed) ¡information ¡to ¡ perform ¡the ¡update

• coordinate ¡with ¡neighbors

Central ¡controller ¡role:

• detects ¡flow ¡dependencies
• computes ¡flows ¡partial ¡ordering
• sends ¡ordering ¡to ¡the ¡switches

Switches ¡role:

• combine ¡local ¡and ¡global ¡(pre-­‑

computed) ¡information ¡to ¡ perform ¡the ¡update

• coordinate ¡with ¡neighbors

Ez-segway Separation of concerns

1 2 3 4 5 Controller

Central ¡controller ¡role:

• 1. detects ¡flow ¡dependencies
• con
• nstructs ¡

¡a ¡ ¡dependency ¡ ¡graph

• 2. computes ¡flexible ¡scheduling
• pa

partial ¡ ¡orde der ¡ ¡of ¡ ¡upda update ¡ ¡ope perations ns

• if ¡

f ¡there ¡ ¡is ¡ ¡enough ¡ ¡spare ¡ ¡capacity, ¡ ¡most ¡ ¡of ¡ f ¡the ¡ ¡updates ¡ ¡can ¡ ¡ be be ¡ ¡pe performed ¡ d ¡ ¡ ¡in ¡ n ¡an ¡ n ¡arbi bitrary ¡ ¡orde der

• 3. sends ¡scheduling ¡to ¡the ¡switches
• nl

nly ¡ ¡onc nce

Ez-segway the controller perspective

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

current target

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

current target

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

current target

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

5 5 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

5 5 5 5 5 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

5 5 5 5 5 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

congestion ¡if ¡ performed

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role: ¡1. ¡Detects ¡flow ¡dependencies

The dependency graph

5 5 5 5 5 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

congestion-­‑free

• peration

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role:

• 1. detects ¡flow ¡dependencies
• con
• nstructs ¡

¡a ¡ ¡dependency ¡ ¡graph

• 2. computes ¡flows ¡partial ordering
• assi

ssign ¡ n ¡pr priorities ¡ s ¡to ¡ ¡flows

• scheduling ¡to ¡the ¡switches
• nl

nly ¡ ¡onc nce

Ez-segway the controller perspective

Assignign flow priorities

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

5 5 5 5 5 5

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

GREY:5

Assignign flow priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

5 5 5 5 5 5

Update ¡GREY ¡first…

current target

1,4 5 ¡

4,2 ¡ 5-­‑>0 ¡

1,2 ¡ 0 ¡

GREY:5

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Assignign priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

5 5 5 5 5 5

Update ¡GREY ¡first… …leads ¡to ¡link ¡congestion

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 0 1,2 ¡ 0 ¡

GREY:5

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Assignign priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

5 5 5 5 5 5

Update ¡GREEN ¡first…

current target

1,4 5-­‑>0 ¡ 4,2 ¡ 5-­‑>0 ¡ 1,2 ¡ 0-­‑>5 ¡

GREY:5

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Assignign priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡

5 5 5 5 5 5

Update ¡GREEN ¡first… …BLUE ¡second…

current target

1,4 0-­‑>5 ¡ 4,2 ¡ 0-­‑>5 ¡ 1,2 ¡ 5-­‑>0 ¡

GREY:5

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Assignign priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡ GREY:5

5 5 5 5 5 5

Update ¡GREEN ¡first… …BLUE ¡second… ¡then ¡GREY

current target

1,4 5 ¡

4,2 ¡ 5-­‑>0 ¡

1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Assignign flow priorities

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡ GREY:5 ¡

5 5 5 5 5 5

GREY ¡should ¡be ¡given ¡lower ¡priority

current target

1,4 5 ¡ 4,2 ¡ 5 ¡ 1,2 ¡ 0 ¡

Central ¡controller ¡role: ¡2. ¡computes ¡flow ¡partial ¡ordering

Central ¡controller ¡role:

• 1. detects ¡flow ¡dependencies
• con
• nstructs ¡

¡a ¡ ¡dependency ¡ ¡graph

• 2. computes ¡flows ¡partial ordering
• as

assign ¡ ¡priorities ¡ ¡to ¡ ¡flows

• 3. sends ¡scheduling ¡to ¡the ¡switches
• nl

nly ¡ ¡onc nce

Ez-segway: the controller perspective

Switches ¡role:

• coordinate ¡with ¡neighbors
• combine ¡local ¡and ¡global ¡(pre-­‑computed) ¡information ¡to ¡

perform ¡the ¡update

• Perform ¡an ¡update ¡operations ¡only ¡if ¡
• i) ¡th

there ¡ ¡is ¡ ¡enough ¡ ¡spare ¡ ¡capacity ty

• ii) ¡th

the ¡ ¡update te ¡ ¡operati tions ¡ ¡will ¡ ¡not ¡ t ¡prevent ¡ t ¡any ¡ ¡higher-­‑

• ­‑

pr priority ¡ ¡upda update ¡ ¡tha hat ¡ ¡is ¡ s ¡st still ¡ ¡no not ¡ ¡execut utabl ble ¡ ¡

Ez-segway: the switches perspective

1 2 3 4 5

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards Packets ¡are ¡routed ¡on ¡the ¡new ¡path

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards Packets ¡are ¡routed ¡on ¡the ¡new ¡path Old ¡path ¡removed ¡downwards

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards Packets ¡are ¡routed ¡on ¡the ¡new ¡path Old ¡path ¡removed ¡downwards

In-band message passing

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

New ¡path ¡installed ¡upwards Packets ¡are ¡routed ¡on ¡the ¡new ¡path Old ¡path ¡removed ¡downwards

1 2 3 4 5

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5

current target

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths

1 2 3 4 5

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5

current target

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

1st segment 2st segment

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

1st segment 2st segment

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

1st segment 2st segment

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

1st segment 2st segment

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

1st segment 2st segment

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

Update speed up via segmentation

Switch ¡role: ¡coordinate ¡with ¡neighbors

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

current target

1st segment 2st segment

Switch ¡2 ¡is ¡traversed ¡in ¡both ¡paths Parallelizable ¡segment ¡updates

Switches ¡role:

• coordinate ¡with ¡neighbors
• combine ¡local ¡and ¡global ¡(pre-­‑computed) ¡information ¡to ¡

perform ¡the ¡update

• perform ¡an ¡update ¡operations ¡only ¡if ¡
• i) ¡th

there ¡ ¡is ¡ ¡enough ¡ ¡spare ¡ ¡capacity ty

• ii) ¡th

the ¡ ¡update te ¡ ¡operati tions ¡ ¡will ¡ ¡not ¡ t ¡prevent ¡ t ¡any ¡ ¡higher-­‑

• ­‑

pr priority ¡ ¡upda update ¡ ¡tha hat ¡ ¡is ¡ s ¡st still ¡ ¡no not ¡ ¡execut utabl ble ¡ ¡

Ez-segway: the switches perspective

Enforcing priorities

1 2 3 4 5

COLD

1 2 3 4 5

CNEW

RED:5 ¡ GREEN:5 ¡ BLUE:5 ¡ GREY:5 ¡

Switch ¡4 ¡can ¡move ¡both ¡ GR GREEN and ¡GR

• GREY. ¡

It ¡first ¡moves ¡GR GREEN since ¡it ¡ has ¡higher ¡priority ¡than ¡GR GREY

Large-scale simulations

ez-­‑

• ­‑se

segway: ¡ : ¡ ¡ ¡ ¡ ¡switches ¡ ¡ ¡coordinate ¡ ¡the ¡update cen entralized ed: ¡ ¡controller ¡coordinates ¡the ¡update Me Measure re: ¡total ¡update ¡time Se Setting ng:

• 6 ¡real ¡topologies ¡from ¡RocketFuel
• link ¡capacities: ¡1…100 ¡Gbps
• controller ¡placed ¡at ¡centroid ¡
• gravity ¡traffic ¡model
• shortest-­‑path-­‑via-­‑random-­‑node
• updates ¡triggered ¡by ¡link ¡failures
• 10 ¡executions ¡per ¡topology

Update time comparison [ms]

Completion ¡time ¡reduced ¡by ¡15%-­‑50%

Abovenet 25% Abovenet 75% Ebone 25% Ebone 75% Exodus 25% Exodus 75% Sprint 25% Sprint 75% Telstra 25% Telstra 75% Tiscali 25% Tiscali 75% 200 400 Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway Centralized ez−Segway

Update time [ms] Approach

Summary

ezSegway design

• Co

Control ¡ ¡pl plane ne computes ¡flows ¡partial ¡ordering

• Da

Data ¡ ¡plane coordinates ¡the ¡update Better ¡performance: ¡Speeding ¡up ¡the ¡update ¡(up ¡to ¡2x) Ongoing ¡work:

• Mininet evaluation
• Feasibility ¡check ¡on ¡Centec switch ¡
• Formalization ¡