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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Redes Definidas por Software (SDN),
OpenFlow e outros
Controladores de Rede
Anderson Coelho Weller
Universidade Estadual de Campinas
Instituto de Computação

21 de outubro de 2013

Considerações
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Agenda

1

SDN

2

Componentes

3

OpenFlow

4

Controladores

5

Considerações

2/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução

Redes Definidas por Software (SDN) é um novo paradigma no
desenvolvimento de pesquisas em redes de computadores
Grande interesse tanto da área acadêmica quanto industrial
Principalmente por causa do OpenFlow
Porém, SDN é muito mais do que OpenFlow

3/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução

Área de redes encontra-se em situação complexa:
Grande sucesso da área
Necessário estabilidade na Internet
Pesquisas com novos protocolos
tornaram-se arriscadas
Tornando as redes pouco flexíveis

4/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução

Mesmos pesquisas como a Internet2
Têm dificuldades em justificar a adoção em larga escala
de suas novas tecnologias
Devido ao grau de ruptura com as tecnologias atuais

5/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução
Existem várias pesquisas para a criação de redes com maiores
recursos de programação
Que permitam a inserção gradual de novas tecnologias
Exemplos:
Active Networks
PlanetLab
GENI

6/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução

Outra linha de pesquisa:
Fazer pequenas modificações nas operações existentes
Permitindo o desenvolvimento de hardware de alto
desempenho
Porém, possibilitando maior controle da rede (pelo
administrador).

7/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Introdução

Exemplo prático:
Pequenas modificações na operação de encaminhamento de
pacotes (que precisa de alto desempenho)
Popularizado pelo MPLS (Multi-protocol Label Switching)
Chaveamento baseado em rótulos programáveis

8/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Origens
A iniciativa mais bem sucedida foi o OpenFlow.
Nele, os elementos de encaminhamento permitem:
Acesso e controle da tabela de encaminhamento
Utilizada pelo hardware

Porém, a decisão
sobre o destino de
cada pacote pode
ser transferida para
um nível superior

9/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Origens
Essa estrutura permite que a rede possa ser controlada
através de aplicações (software)
Esse novo paradigma ficou conhecido como:
SDN (Software Defined Networks)
Redes Definidas por Software

10/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Motivação

Por que investir no SDN?
Devido às diversas possibilidades de aplicação desse
paradigma, tem atraído a atenção de pesquisadores e
fabricantes.
A comutação de pacotes não fica limitada aos princípios
definidos pelo Ethernet ou IP.

11/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Motivação

Outros motivos:
Já existem implementações
funcionais do OpenFlow:
Como processo de usuário
Ou, integrado ao Kernel, para
ambientes virtualizados
(Open vSwitch)

Vários fabricantes já oferecem
produtos com a interface
OpenFlow: Juniper, NEC, HP,
Netgear, Cisco, Ciena, etc.

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Motivação

Porém, o padrão OpenFlow é apenas uma parte das SDNs.
Uma SDN pode apoiar-se no OpenFlow e criar novas
aplicações para controle dos elementos de comutação.

13/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Motivação

Essas aplicações são conhecidas como:
Controladores de Redes
Sistemas Operacionais de Redes (Networks Hypervisors)

14/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Introdução SDN

Motivação

Os controladores de rede permitem:
Acessar as interfaces de rede compatíveis
Gerar comandos de controle da infraestrutura de chaveamento

O que possibilita (por exemplo):
Criar novas políticas de segurança
Controle e monitoramento de tráfego mais sofisticados
Visões diferentes para cada usuário de um Datacenter

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

SDN

Resumindo SDN:
É uma rede contendo um sistema
de controle (software)
Que disponibiliza métodos para
aplicativos de rede
Realizarem o controle do
mecanismo de encaminhamento
dos elementos de comutação.

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Estrutura do Software
O software poderia ser uma aplicação monolítica.
Mas, normalmente é estruturado com:
Um controlador geral
E várias aplicações específicas

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Estrutura do Software
Outra possibilidade é ter um divisor de visões:
Com vários Controladores
E suas respectivas aplicações

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Estrutura geral de uma SDN
Uma SDN é composta pelos seguintes elementos:
Elementos de comutação programáveis
Divisor de recursos / visões
Controladores
Aplicações de rede

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Elementos de comutação programáveis

Lembrando da operação de encaminhamento nas redes
baseadas em pacotes:
O pacote é recebido pela interface
Depois é inspecionado
É feita consulta à tabela de encaminhamento
Qual o destino (MAC, IP, etc)

Se destino foi identificado:
Envia pacote para a porta de destino

Se não foi encontrado:
O pacote é descartado, ou
é realizada uma operação Default

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Elementos de comutação programáveis

O hardware atual realiza o encaminhamento com alto
desempenho.
∴ É problemático acrescentar novas funcionalidades

Então, como uma SDN pode modificar a rede sem modificar o
hardware?

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Elementos de comutação programáveis

As SDNs se restringem à manipulação simples de pacotes
Baseado no conceito de fluxos
Sequência de pacotes com mesmos valores em seus atributos.

Dessa forma, basta:
Controlar o conteúdo da tabela de encaminhamento.
E indicar ao hardware a ação a ser tomada, ao detectar um
padrão.

22/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Divisores de recursos/visões

Isso foi possível pois:
Manteve-se os “Fluxos de Operação” da rede
E estendeu-se o tratamento para os “Fluxos de Pesquisa”

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Divisores de recursos/visões

Com novos tipos de pesquisa trabalhando em paralelo:
É possível criar visões diferente da rede
Cada uma com sua cota de recursos

Seguindo o princípio de particionamento de tráfego Internet
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SDN

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OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Controlador

O que faz o elemento controlador ?
Oculta os detalhes internos da rede
Centraliza a comunicação com os elementos programáveis
Oferece uma visão unificada da rede
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SDN

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OpenFlow

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Componentes de uma SDN

Controlador

E pode trabalhar de forma distribuída
Através da divisão dos elementos de visão
Ou através de algoritmos distribuídos

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OpenFlow

Controladores

Considerações

Componentes de uma SDN

Controlador

Existem vários tipos de controladores diferentes
Ryu
NOX
Flowvisor
Routeflow
Trema
Maestro
Beacon
Onix

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Considerações

Componentes de uma SDN

Aplicações de Rede

São as funcionalidades acrescentadas às redes. Ex.:
Soluções de roteamento
Controle de interação entre os comutadores
Simulando um único Switch ou Roteador IP

Controle de acesso
Gerência de redes
Gerência de energia
Comutador Virtual
Roteador expansível de alta capacidade
Datacenters multi-usuários

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

OpenFlow

É um padrão aberto para SDN
Funciona como um protocolo de
comunicação entre:
O controlador
E os equipamentos

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

OpenFlow
A evolução das SDNs está diretamente ligada
ao sucesso do OpenFlow.
Ele permite a realização de pesquisas e testes
de novos protocolos
Em equipamentos de redes comerciais
Em paralelo com a operação normal das redes
Isso é possível através de uma API
Que permite aos programadores controlar os
elementos de encaminhamento de pacotes
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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura do OpenFlow
Estrutura de um Switch tradicional [3]:

31/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura do OpenFlow
Estrutura de um Switch tradicional [3]:

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura do OpenFlow
Estrutura de um Switch OpenFlow-Hybrid:

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SDN

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OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura do OpenFlow
Estrutura de um Switch OpenFlow-Only :

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SDN

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Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura do OpenFlow

No OpenFlow existe uma separação bem definida entre:
Plano de Dados
Plano de Controle

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O padrão OpenFlow

OpenFlow - Plano de Dados

Cuida do encaminhamento de pacotes
Utiliza regras simples (Chamada de Ações):
Encaminhar pacote
Alterar parte do cabeçalho
Descartar pacote
Encaminhar para o controlador (inspeção)

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SDN

Componentes

OpenFlow

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Considerações

O padrão OpenFlow

OpenFlow - Plano de Controle

Permite programar as entradas na tabela de encaminhamento
Com padrões que identifiquem:
Os fluxos de interesse
E as regras associadas a eles

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

OpenFlow - Plano de Controle
Esse módulo de software pode ser implementado de forma
independente (em algum ponto da rede)
Ou trabalhar distribuidamente
Controle Centralizado

Controle Distribuído

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

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O padrão OpenFlow

OpenFlow - Especificações
Requisitos do Switch [5]:
Flow Tables
OpenFlow Channel
Tipos de Porta

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SDN

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OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

OpenFlow - Especificações
Tipos de Mensagens:

Controller-to-Switch

Asynchronous

Symmetric

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SDN

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O padrão OpenFlow

Estrutura

Cada entrada da tabela de fluxo contém [5]:
Match Fields: para comparar com o pacotes.
Priority: prioridade do fluxo de entrada.
Counters: estatísticas para o fluxo.
Instructions: ações a realizar.
Timeouts: tempo máximo ou tempo ocioso para excluir da tabela.
Cookie: utilizado somente pelo controlador.

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SDN

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OpenFlow

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O padrão OpenFlow

Exemplo da Tabela de Fluxo

Um Switch OpenFlow utiliza memórias TCAM (Ternary
Content-Addressable Memory ) para as tabelas de fluxo.
Nelas os bits podem ser representados com:
0 (Zero)
1 (Um)
* (Não importa - Don’t care)

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SDN

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O padrão OpenFlow

Funcionamento

Quando o switch recebe um pacote ele deve compará-lo com
a sua tabela de fluxo.

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SDN

Componentes

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Considerações

O padrão OpenFlow

Funcionamento

Se o cabeçalho não for compatível com nenhum fluxo em sua
tabela, ele deve encaminhar o cabeçalho para o controlador.

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SDN

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OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Funcionamento

Ao receber o cabeçalho, o controlador toma uma decisão:
Enviar uma tabela de fluxos para o switch;
Ou indicar uma ação para o pacote (por exemplo: descartá-lo).

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O padrão OpenFlow

Estrutura de Match Fields I
/* OXM Flow match field types for OpenFlow basic class
( oxm_class = O F P X M C _ O P E N F L O W _ B A S I C ) */
enum o x m _ o f b _ m a t c h _ f i e l d s {
OFPXMT_OFB_IN_PORT
= 0 , // Switch input port
O F P X M T _ O F B _ I N _ P H Y _ P O R T = 1 , // Switch physical input port
O F P X MT _ O F B _ M E T A D A T A
= 2 , // Metadata passed between
// tables
OFPXMT_OFB_ETH_DST
= 3 , // Ethernet destination
// address
OFPXMT_OFB_ETH_SRC
= 4 , // Ethernet source address
OFPXMT_OFB_ETH_TYPE
= 5 , // Ethernet frame type
OFPXMT_OFB_VLAN_VID
= 6 , // VLAN id
OFPXMT_OFB_VLAN_PCP
= 7 , // VLAN priority
OFPXMT_OFB_IP_DSCP
= 8 , // IP DSCP (6 bits in ToS
// field )
OFPXMT_OFB_IP_ECN
= 9 , // IP ECN (2 bits in ToS
// field )
O F P X MT _ O F B _ I P _ P R O T O
= 10 , // IP protocol
O F P X MT _ O F B _ I P V 4 _ S R C
= 11 , // IPv4 source address
O F P X MT _ O F B _ I P V 4 _ D S T
= 12 , // IPv4 destination address
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SDN

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Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura de Match Fields II
OFPXMT_OFB_TCP_SRC
OFPXMT_OFB_TCP_DST
OFPXMT_OFB_UDP_SRC
OFPXMT_OFB_UDP_DST
OFPXMT_OFB_SCTP_SRC
OFPXMT_OFB_SCTP_DST
OFPXMT_OFB_ICMPV4_TYPE
OFPXMT_OFB_ICMPV4_CODE
OFPXMT_OFB_ARP_OP
OFPXMT_OFB_ARP_SPA
OFPXMT_OFB_ARP_TPA
OFPXMT_OFB_ARP_SHA

=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=

13 ,
14 ,
15 ,
16 ,
17 ,
18 ,
19 ,
20 ,
21 ,
22 ,
23 ,
24 ,

OFPXMT_OFB_ARP_THA

= 25 ,

OFPXMT_OFB_IPV6_SRC
OFPXMT_OFB_IPV6_DST
OFPXMT_OFB_IPV6_FLABEL
OFPXMT_OFB_ICMPV6_TYPE
OFPXMT_OFB_ICMPV6_CODE

=
=
=
=
=

26 ,
27 ,
28 ,
29 ,
30 ,

//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//

TCP source port
TCP destination port
UDP source port
UDP destination port
SCTP source port
SCTP destination port
ICMP type
ICMP code
ARP opcode
ARP source IPv4 address
ARP target IPv4 address
ARP source hardware
address
ARP target hardware
address
IPv6 source address
IPv6 destination address
IPv6 Flow Label
ICMPv6 type
ICMPv6 code
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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Estrutura de Match Fields III

OFPXMT_OFB_IPV6_ND_TARGET =
OFPXMT_OFB_IPV6_ND_SLL
=
OFPXMT_OFB_IPV6_ND_TLL
=
OFPXMT_OFB_MPLS_LABEL
=
OFPXMT_OFB_MPLS_TC
=
O F P X MT _ O F P _ M P L S _ B O S
=
O F P X MT _ O F B _ P B B _ I S I D
=
OFPXMT_OFB_TUNNEL_ID
=
OFPXMT_OFB_IPV6_EXTHDR
=
OFPXMT_OFB_PBB_UCA

31 ,
32 ,
33 ,
34 ,
35 ,
36 ,
37 ,
38 ,
39 ,

//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
= 41 , //

Target address for ND
Source link - layer for ND
Target link - layer for ND
MPLS label
MPLS TC
MPLS BoS bit
PBB I - SID
Logical Port Metadata
IPv6 Extension Header
pseudo - field
PBB UCA header field

};

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

O padrão OpenFlow

Limitações e futuras versões

Desde a versão 1.0.0 (31/12/2009) até a atual 1.4.0
(14/10/2013, ver [5]), a especificação do OpenFlow já sofreu
várias modificações.
Porém, ainda existem algumas limitações, por exemplo:
Definição do padrão para circuitos ópticos e
Definição de fluxos que englobe protocolos fora do modelo
TCP/IP.

A versão 2.0 está sendo formulada com o intuito de eliminar
essas limitações (entre outras).

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

Controladores de Rede
Como apresentado, existem vários tipos de controladores de
rede, como exemplo temos:
OpenFlow Reference
Stanford/Nicira
Não é projetado para ser extensível

RouteFlow
CPqD (Brasil)
Encaminhamento IP como um serviço (quagga)

NOX
Nicira
Desenvolvendo ativamente

Ryu
Nippon Telegraph and Telephone Corporation
Framework
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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

NOX

É o controlador original do OpenFlow.
Possibilita o desenvolvimento de controladores em C++ ou
Python
Trabalha sobre o conceito de fluxos de dados
Checa o primeiro pacote de cada fluxo
E determina a política a ser aplicada

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

NOX

É um sistema operacional de rede simples
Provê primitivas para:
Gerenciamento dos eventos
Funções para a comunicação com os switches

Os mesmos desenvolvedores do NOX desenvolveram o POX,
com a premissa dele ser completamente escrito em Python.

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

Ryu

É um Framework para desenvolvimento de aplicações SDN,
ao invés de um controlador monolítico [7].
Tem a filosofia de permitir um desenvolvimento ágil.
É um software Open Source (Apache v2), totalmente escrito
em Python.
53/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

Ryu
Disponibiliza um conjunto de componentes para criação das
aplicações SDN
Esses componentes disponibilizam:
Interface para controle, consulta e geração de eventos.
Comunicação por troca de mensagens

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Controladores SDN

Ryu

As componentes e bibliotecas incluídas no Ryu são:

55/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Considerações Finais
A arquitetura SDN está apenas iniciando, porém há um
grande interesse tanto acadêmico quanto empresarial, devido
as possibilidades que ela abre para o futuro das redes de
computadores.
OpenFlow foi a peça que alavancou a SDN e serve como base
para vários controladores atuais.
Porém, não é interesse dos fabricantes deixar seus
equipamentos abertos para software de outra empresa.
Consequentemente, todas estão trabalhando em seus próprios
projetos.
Mais detalhes sobre o assunto podem ser encontrados a partir
das referências bibliográficas.
56/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Referências

Referências I
D. Guedes, L. F. M. Vieira, M. M. Vieira, H. Rodrigues, and R. V. Nunes, “Redes definidas por software:
uma abordagem sistêmica para o desenvolvimento de pesquisas em redes de computadores,” in Minicursos do
XXX Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos - SBRC 2012, Ouro Preto, MG,
April 2012, pp. 160–210. [Online]. Available: http://sbrc2012.dcc.ufmg.br/app/p-04-f.html [Accessed: Sep.
16, 2013]
N. McKeown, T. Anderson, H. Balakrishnan, G. Parulkar, L. Peterson, J. Rexford, S. Shenker, and J. Turner,
“Openflow: Enabling innovation in campus networks,” SIGCOMM Comput. Commun. Rev., vol. 38, no. 2,
pp. 69–74, March 2008. [Online]. Available: http://doi.acm.org/10.1145/1355734.1355746 [Accessed: Oct.
07, 2013]
L. Bertholdo, “Tecnologias, conceitos e serviços emergentes: OpenFlow,” PoP-RS/UFRGS, Ouro Preto MG, April 2012, 13o WRNP - Workshop RNP. [Online]. Available:
http://www.pop-rs.rnp.br/arquivos/2012/WRNP_Openflow.pdf [Accessed: Oct. 17, 2013]
ONF, “OpenFlow - Specifications,” Open Networking Foundation, 2013. [Online]. Available:
https://www.opennetworking.org/sdn-resources/onf-specifications/openflow [Accessed: Sep. 30, 2013]
——, “OpenFlow Switch Specification: Version 1.4.0 (Wire Protocol 0x05),” Open Networking Foundation,
October 2013. [Online]. Available: https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdnresources/onf-specifications/openflow/openflow-spec-v1.4.0.pdf [Accessed: Oct. 20, 2013]
C. Marcondes, “Projeto de Desenvolvimento em OpenFlow: Tutorial de OpenFlow,” Universidade Federal de
São Carlos (UFSCar), Julho 2011. [Online]. Available:
http://www.inf.ufes.br/~magnos/IF/if_files/Tutorial.pdf [Accessed: Oct. 18, 2013]

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SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Referências

Referências II

OSRG, “Build SDN agilely: Ryu, a component-based software-defined networking framework,” Nippon
Telegraph and Telephone Corporation - Open Source Software Computing Group, 2013. [Online]. Available:
http://osrg.github.io/ryu/ [Accessed: Oct. 07, 2013]
K. Ohmura, “OpenStack/Quantum SDN-based network virtulization with Ryu,” Nippon Telegraph and
Telephone Corporation - Open Source Software Computing Group, May 2013, 31. [Online]. Available:
http://osrg.github.io/ryu/slides/LinuxConJapan2013.pdf [Accessed: Oct. 07, 2013]

58/60
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Agradecimentos

Redes Definidas por Software (SDN),
OpenFlow e outros
Controladores de Rede

Anderson Coelho Weller

Considerações
SDN

Componentes

OpenFlow

Controladores

Considerações

Questão

Pergunta sobre SDN

A arquitetura SDN define uma nova forma de estruturar um
sistema em rede, com isso, várias pesquisas são realizadas
para aproveitar essa organização em aplicações de redes de
computadores.
Sabendo disso, pesquise um desses tipos de aplicação que
pode ser melhorado com a utilização de uma SDN, e descreva
sucintamente quais são as vantagens em relação a sua
implementação tradicional.
Para a pesquisa, utilize o artigo de Guedes et al. [1].

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