REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202502201616
Enoque Gumbe Horácio Felisberto
Resumo
Atualmente, as redes de computadores se tornaram parte essencial da infraestrutura de TI. Hoje, inúmeras aplicações “rodam” sobre a Internet, aplicações essas que não foram imaginadas no projeto inicial das redes de computadores. Com o objetivo de suportar o número crescente de aplicações e usuários, diversos “remendos” foram sendo feitos ao longo dos anos. Entretanto, substancialmente, o núcleo da rede se manteve o mesmo. Os softwares de switches e roteadores não podem ser reprogramados e novas ideias e protocolos não podem ser testados em uma rede em produção, fato esse sugerimos nas redes definidas por software.
Este trabalho vem analisar o comportamento das principais métricas de desempenho da rede neste novo paradigma. Uma rede SDN é emulada à plataforma Mininet. A carga de trabalho é introduzida e as métricas de desempenho de rede como vazão, latência e jitter foram colhidas e analisadas. Isto é muito importante para a observação da qualidade de serviço. A pesquisa na Internet, o método experimental e a abordagem qualitativa fizeram parte da metodologia adotada. Verificou-se que as redes SDN apresentam valores das principais métricas de desempenho equiparáveis às redes tradicionais e quando se toma em consideração o controle central e programação, conseguem garantir um desempenho geral da rede que pode constituir uma mais valia.
Palavras-chave: análise e desempenho, Arquitetura de redes; Redes definidas por software.
Abstract
Nowadays, computer networks have become an essential part of IT infrastructure. Today, countless applications “run” on the Internet, applications that were not imagined in the initial design of computer networks. In order to support the growing number of applications and users, several “patches” have been made over the years. However, substantially, the core of the network remained the same. Switch and router software cannot be reprogrammed and new ideas and protocols cannot be tested on a production network, which gives rise to software-defined networks.
This work analyzes the behavior of the main network performance metrics in this new paradigm. An SDN network is emulated on the Mininet platform. The workload is introduced and network performance metrics such as throughput, latency and jitter were collected and analyzed. This is very important for observing the quality of service. Internet research, the experimental method and the qualitative approach were part of the methodology adopted. It was found that SDN networks present values of the main performance metrics comparable to traditional networks and when central control and programming are taken into account, they are able to guarantee an overall network performance that can constitute an added value.
Keywords: analysis and performance, Network architecture; Software defined networks.
Introdução
Redes Definidas por Software ou (SDN) representa um novo conceito para pesquisa e implementação de redes de computadores e vem ganhando a atenção da comunidade acadêmica e da indústria da área. É um paradigma relativamente novo e visa aperfeiçoar a forma como as redes são construídas, proporcionando facilidades de implementação e gerenciamento. Característica decisiva nesta rede é o desacoplamento das funções de controlo da rede em relação às de encaminhamento, ao contrário do que acontece em redes tradicionais (Androli, 2017).
Este facto introduz uma realidade muito importante que é a visão de toda rede a partir de um único ponto que se denomina como controlador. O controlador, em posse desta versão privilegiada pode tomar decisões na base da natureza de cada fluxo de rede e impor a execução destas decisões pelos elementos de encaminhamento. Desta forma, consegue-se ter um controlo maior e melhor da rede, o que permite gerir em tempo real grande parte dos problemas que possam surgir. A interação entre o controlador de rede e os elementos ativos é feita com o uso de protocolos OpenFlow e existem vários tipos de controladores de rede cuja interface de comunicação API pode aparecer em variadas linguagens de programação como são o Python, Java, C++ e outros.
O uso da Rede Definida por Software (DNS) vem atraindo cada vez mais investimentos de empresas que buscam diminuir custos com instalação e manutenção de redes e aumentar a qualidade da sua infraestrutura e dos seus serviços. Por consequência, elas têm a necessidade de garantir que os seus programas ou serviços sejam suportados por uma rede com os principais indicadores de desempenho melhores ou superiores do que os habituais. Manter as condições de desempenho e segurança passa por seguir os parâmetros que determinam a qualidade de serviço como são a perda de pacotes, jiiter, latência e a vazão. A monitoração destes parâmetros já ocorre em redes tradicionais, este trabalho estuda o comportamento destas métricas quando se trata de uma estrutura onde as funções de rede são implementadas em software.
Desenvolvimento
A rede de dados constitui a parte principal da infraestrutura de TI, responsável por fornecer serviços de rede como suporte aos aplicativos. Esses serviços baseiam-se na garantia de atributos como são a vazão, latência, perdas de pacotes e jitter que decisivamente determinam o bom ou mau funcionamento do aplicativo na rede. A arquitetura, o modelo de funcionamento estão determinam consideravelmente as condições de rede.
As redes atuais são compostas por equipamentos físicos como são os switches, roteadores, firewalls e balanceadores de rede. Estes equipamentos são caracterizados por utilizarem o suporte de hardware na execução de certas tarefas como são a comutação de pacotes.
Pacotes
No contexto de rede de computadores, um pacote é uma unidade de informação que é transmitida pela internet ou por uma rede de telecomunicações.
Pacotes de IP
O IP (Protocolo de Internet) é um protocolo da camada de rede relacionado ao roteamento. É usado para garantir que os pacotes cheguem ao destino correto.
Métrica de desempenho
Os parâmetros que afetam o desempenho normalmente podem incluir taxa de transferência, jitter, taxa de erros de bit e latência.
Em redes comutadas por circuito, o desempenho da rede é sinônimo de grau de serviço. O número de chamadas rejeitadas é uma medida de quão bem a rede está funcionando sob cargas de tráfego pesadas. Outros tipos de medidas de desempenho podem incluir o nível de ruído e eco.
Virtualização de Rede
A virtualização de rede é a transformação de uma rede que antes dependia de hardware em uma rede baseada em software.
Rede definida por Software (SDN)
SDN é um novo paradigma de redes que separa o plano de controle do plano de encaminhamento. No modelo tradicional de redes, o plano de controle e o plano de encaminhamento estão integrados em um único dispositivo: o roteador. Isso torna difícil gerenciar e adaptar a rede às mudanças nas demandas de tráfego (Sakir, 2013).
Em uma SDN, o plano de controlo é executado em um controlador SDN, que é um software que gerencia a rede de forma centralizada. O plano de encaminhamento é executado em switches de rede, que são dispositivos que encaminham os pacotes de dados de acordo com as instruções do controlador SDN.
Uma rede definida por software (SDN) é um enfoque de rede que usa controladores com base em software ou interfaces de programação de aplicativos (APIs, pela sigla em inglês) para direcionar o tráfego na rede e se comunicar com a infraestrutura de hardware subjacente (Casado, 2009).
Do ponto de vista histórico, as redes definidas por software têm sua origem na definição da arquitetura de redes Ethernet, que determinava uma forma de se implementar políticas de controle de acesso, de forma distribuída, a partir de um mecanismo de supervisão centralizado (Guedes, 2012).
O paradigma SDN é baseado em tecnologias abertas. Isso garante maior interoperabilidade, inovação e flexibilidade na implementação em provedores de serviços (ISP). Se a rede está em conformidade com os padrões SDN, ela pode ser totalmente gerenciada por diversos controladores: (Olivera D. V., 2017)
SDN e SD-WAN
A SD-WAN é uma tecnologia que distribui tráfego de rede em WANs usando conceitos SDN para determinar automaticamente a maneira mais eficaz de direcionar o tráfego de e para filiais e locais de data center.
SDN e SD-WAN compartilham semelhanças. Por exemplo, ambas separam o plano de controle e o plano de dados, e ambas suportam a implementação de funções adicionais de rede virtual. (www.computerweekly.com/br, 2024)
No entanto, enquanto a SDN se concentra principalmente nas operações internas dentro de uma rede local, a SD-WAN se concentra em conectar as diferentes localizações geográficas de uma organização. Isso é feito por meio de aplicativos de roteamento para o WAN.
Outras diferenças entre SDN e SD-WAN incluem o seguinte:
Os clientes podem programar a SDN, enquanto o fornecedor programa a SD WAN.
Métrica de análise de SDN
Para realizar uma análise de desempenho da SDN eficaz, é importante monitorar e avaliar uma série de métricas-chave, como a taxa de transferência de dados, a latência, o jitter, a perda de pacotes, a largura de banda disponível, entre outros. Essas métricas fornecem insights valiosos sobre o funcionamento da SDN e ajudam a identificar possíveis problemas de desempenho que precisam ser corrigidos.
Latência
Latência, simplesmente, é o tempo que uma mensagem leva para viajar de uma extremidade à outra da rede.
Perda de Pacote
A perda de pacotes ocorre quando um ou mais pacotes de dados não conseguem chegar ao seu destino através de uma rede. Se a extremidade receptora detectar dados faltantes, ela solicitará uma retransmissão dos pacotes perdidos com base em seus números de sequência.
Fonte: FiberMall 2023
Jitter
Jitter na rede refere-se à variação no atraso entre a chegada dos pacotes, causada por congestionamento da rede, desvio de tempo ou mudanças de rota. Um jitter é usado para avaliar a estabilidade de uma rede; quanto menor o jitter, mais estável é a rede.
Metodologia
Durante a realização deste trabalho foi utilizado o método indutivo, é um método responsável pela generalização, isto é, partimos de algo particular para uma questão mais ampla, mais geral. Prodanov e Freitas (2013)
Indução é um processo mental por intermédio do qual, partindo de dados particulares, suficientemente constatados, infere-se uma verdade geral ou universal, não contida nas partes examinadas. Portanto, o objetivo dos argumentos indutivos é levar a conclusões cujo conteúdo é muito mais amplo do que o das premissas nas quais se basearam. Lakatos e Marconi (2007)
Para responder ao problema do presente trabalho e atingir os objectivos definidos, usou-se a pesquisa bibliográfica, que acontece quando elaborada a partir de material já publicado, constituído principalmente de: livros, revistas, publicações em periódicos e artigos científicos, jornais, boletins, monografias, dissertações, teses, material cartográfico, internet, com o objetivo de colocar o pesquisador em contato direto com todo material já escrito sobre o assunto da pesquisa. Prodanov e Freitas (2013).
Resultado
Na elaboração dos testes usou-se as seguintes ferramentas
• Mininet
• Virtual Box
• Linux Ubuntu 22.10
Para usarmos o Mininet iniciamos um terminal linux dentro do VirtualBox clicando no ícone do terminal linux na barra de tarefas.
Fonte: Própria
Nesta seção, usamos o aplicativo Mininet para a implementação da topologia ilustrada. O terminal Linux é um programa que abre uma janela e permite que você interaja com uma interface de linha de comando (CLI). Uma CLI é um programa que recebe comandos do teclado e os envia ao sistema operacional para execução
Para iniciar uma topologia mínima, insira o comando “sudo” mn mostrado abaixo.
Fonte: Própria
Quando solicitado a fornecer uma senha, digite password e pressione enter. Observe que a senha não ficará visível conforme você a digita.
O comando acima inicia o Mininet com uma topologia mínima, que consiste em um switch conectado a dois hosts, conforme mostrado abaixo.
Fonte: Própria
Fonte: Criação de rede no Mininet
Primeiramente foram verificados os ips de cada host com o comando “dump” onde encontramos hos1 (10.0.0.1) e host2(10.0.0.2) verificando o Switch e o controlador de acordo com a imagem abaixo.
Fonte: Fonte Própria
Além de comando de destaque podemos criar tráfego na rede como por exemplo utilizando comando “ping” para o teste devemos nos referir com alguns identificador geralmente o mininet uma letra seguida de número S1 para Switch, h1 e h2 para host.
Fonte: Própria
Acima temos um teste de envio de 3 pacotes do host1 para o host2 e verifica se que não houve perda de pacote.
Objetivo desse procedimento é verificar a perda de pacote e a latência dos erros intrínsecos de cada caminho, para que se tenha uma base de comparação para os próximos procedimentos.
A recolha dos dados de vazão foi feita com a execução por diversas vezes do comando iperf -c , depois do servidor ajustado para o efeito. Desta forma se conseguiu valores.
Parte-se de princípio que conhecemos a largura da banda. O que se pretende é verificar o tamanho da janela, para o qual as métricas de desempenho da rede estarão sob valores aceitáveis e comparáveis com aquilo que se conhece nas redes convencionais. Os testes foram executados trocando paulatinamente os valores da janela do pacote
Fonte: Própria
Pode-se verificar que o teste foi feito com valor de janela 85.3 Kbyte, durou 10 s e foi transferida a carga de 67.9 GBytes
Fonte: Própria
Conclusão
Esse trabalho teve como objetivo introduzir um paradigma diferente da atual implementação de redes de computadores, modelo esse que pode vir a ser o predominante em poucos anos. O objetivo da SDN (Rede Definida por Software) é reduzir custos por virtualização, automação e simplificação.
Recomendações
No trabalho futuro estaremos a aprofundar o estudo sobre os mecanismos de ajuste das métricas de desempenho sempre que se verificar a sua degradação. Como sugestões futuras, poderemos citar a implementação e avaliação de novas funções da rede SDN. Também será oportuna a realização de testes com a função em ambiente de experimentação em larga escala.
Referências Bibliográficas
Androli. (2017). Redes Definidas por Software .5ª ed. Rio de Janeiro: Elsevier Prodonov , F. (2013). metodologia do trabalho Científico Métodos e Técnicas da Pesquisa e do Trabalho Acadêmico. Universidade Federal de Pernambuco, Lakatos, M. & (2001). Fundamentos de Metodologia Científica. Universidade Federal Rural de Pernambuco
Guedes, D. (2012). Redes Definidas por Software: uma abordagem sistêmica para o desenvolvimento das pesquisas em Redes de Computadores. Oliveira, D. v. (2017). Redes Definidas por Software: A evolução das arquiteturas de redes. Serpro.