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Comparativa entre red tradicional y red definida por software: Caso de estudio
ESPAM MFL / Comparison between traditional network and software defined
network: Case of study ESPAM...
Article in RISTI - Revista Iberica de Sistemas e Tecnologias de Informacao · May 2020
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tropicales basado en sensorización del entorno y predicciones climáticas) View project
Pedro Alcívar
Telalca
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Marlon Navia
Universidad Técnica de Manabí (UTM)
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1 Telecomunicaciones a su Alcance (Telalca), Guayaquil, 090112, Guayas, Ecuador.
2 Grupo de Investigación SISCOM, Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí Manuel Félix López, 130250 , Calceta, Ecuador.
Pages: 79–90
Resumen: El concepto de redes definidas por software (SDN) no es nuevo, pero se plantea en la actualidad como un modelo disruptivo en la concepción de las redes de computadoras. Este proyecto tuvo por objeto comparar el paradigma de red tradicional con el modelo SDN en una red de área local, para determinar la aplicabilidad de las redes definidas por software en el entorno analizado. Se implementaron dos entornos de simulación en GNS3, basados en la red del sector 8 de la ESPAM MFL: uno de red tradicional, y otro de red SDN con un diseño similar pero con las características propias de este paradigma. Los parámetros obtenidos de las pruebas fueron la latencia, la variación del retardo y la pérdida de paquetes. Los resultados obtenidos de ambos paradigmas determinaron que las SDN requiere menor cantidad de dispositivos de conexión y que beneficia al rendimiento, control y administración de las redes.
Palabras-clave: Redes de computadoras, redes definidas por software, rendimiento de red, simulación.
Comparison between traditional network and software defined network: Case of study ESPAM MFL
Abstract: The concept of software-defined networks (SDN) is not new, but it is currently considered as a disruptive model in the conception of computer networks. This project aimed to compare the traditional network paradigm with the SDN model in a local area network, to determine the applicability of software-defined networks in the analyzed environment. Two simulation environments are implemented in GNS3, based on the ESPAM MFL’s sector 8 network: one of a traditional network, and other of SDN network with a similar design but with the characteristics proper of this paradigm. The parameters obtained from the tests were latency, jitter and packet loss. The performance results of both paradigms determined that SDNs require a smaller number of connection devices and shows advantages in network performance, control and administration.
Keywords: Computer networks, software Defined network, network performance, simulation
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1. Introducción
La idea de las redes definidas por software ya se planteaba desde el siglo pasado con iniciativas como SOFTNET o Active Networks que lograron incluir comandos en el campo de datos de los paquetes transmitidos en la red, dichos comandos se ejecutaban, a medida que eran recibidos (Roncero, 2014). SDN tiene sus inicios con el proyecto Ethane (Barona, Valdivieso, & Guamán, 2014) el cual es definido como la separación entre el plano de control y el plano de reenvío de datos (Salih, Ahmed, & Ahmed, 2014). En otras palabras es la administración centralizada de la red por una plataforma de software (Dixon, 2016).
Por otra parte, en el modelo de red tradicional se considera a la infraestructura como un conjunto de elementos independientes y a su vez relacionados entre sí, que realizan la transferencia de datos entre ellos aplicando protocolos y reglas que estarán determinadas en la mayoria de los casos por el hardware (España, 2016).
Las principales empresas de tecnología a nivel mundial cuentan con proyectos en ejecución con este paradigma, donde uno de los casos de mayor relevancia es la interconexión entre los centros de procesamiento de datos de Google. Empresas como Facebook y Microsoft son participantes activas en los avances en esta área tanto en el ámbito investigativo como práctico (Roncero, 2014).
Así mismo, autores como Rojas et al. (2018) cuestionan su aplicación planteándose si el mercado y los administradores de redes están preparados para los cambios que incorpora este paradigma. Además cuestionan la aplicación de tecnologías y estandares libres que esten basados en los aportes de comunidades y organizacones que no brinden soporte en la implementación y configuración de las soluciones, o que garanticen el mantenimiento del software con sus respectivas actualizaciones.
Latinoamérica no se ha desentendido de la tecnología SDN, incluso es posible asegurar que cada vez su aportación es mayor a esta área (Ruiz, 2015). Por ejemplo la empresa ISP en Cuba ETECSA, en la cual se desarrolló un sistema de monitoreo que controla ciertos parámetros de rendimiento y seguridad de la red SDN (Marín, 2016). Otro caso interesante es el que plantea Duarte & Lobo (2015) en su estudio sobre la migración de toda la infraestructura de red tradicional a SDN dentro de las instituciones de educación superior, dándole prioridad a las redes inalámbricas.
SDN podría tener un impacto importante en el desarrollo de los servicios portadores, es por esta razón que los proveedores de estas infraestructuras en el Ecuador tienen muy pendiente la incursión en SDN como eje para el mejoramiento de la administración y mantenimiento de las redes (Pérez & Marín, 2015). Además se puede destacar la rentabilidad del esquema al no estar atado a un software propietario (España, 2016).
Varias universidades del Ecuador están inmersas en investigaciones y desarrollo de prototipos para migrar su infraestructura de red tradicional a SDN. Un ejemplo relevante a nivel de implementación se da en la Escuela Politécnica Nacional (Bernal & Mejía, 2016), donde se realizó la simulación de una red SDN con Mininet, usando una topología similar a un prototipo implementado posteriormente de manera física (Chico, Mejía, & Bernal, 2014).
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En la ESPAM MFL se han desarrollado estudios relacionados al funcionamiento de la red de la institución, como el de Vidal (2016), donde se mencionan los problemas que presenta la red en cuanto a su organización y configuración.
Sin embargo, no se ha considerado un cambio significativo en la manera en que se gestionan las redes en esta institución, como podría ser la aplicación de SDN. Con este antecedente se plantea el presente trabajo, donde se ha realizado un análisis comparativo del desempeño de red, aplicando tanto el enfoque tradicional como el SDN. Para esto se emplearon entornos simulados de la topología existente en un sector de esta institución de educación superior.
El resto del artículo se estructura de la siguiente manera: En la sección 2 se presenta la metodología de trabajo que se utilizó en el estudio. Después en la sección 3 se muestran los resultados. La sección 4 presenta las conclusiones del artículo.
2. Materiales y Métodos
El desarrollo de este trabajo estuvo basado en la implementación de ambientes simulados, para lo cual se tomo como referencia la topología de la red del sector 8 de la ESPAM MFL. Las herramientas utilizadas para la implementación de los escenarios fueron el simulamor de redes GNS3 y los sistemas de virtualización VMware Workstation y Virtualbox (Laponina & Sizov, 2017).
En cada entorno de simulación se virtualizaron dispositivos equivalentes en la cantidad de PC’s simuladas para cada red LAN, así como los servicios levantados para realizar las pruebas. Las diferencias se presentaron en la cantidad de equipos de interconexión necesarios y que en la red SDN se agregó el controlador de la red. Los servicios vitualizados fueron aula virtual, página web, correo elctrónico y un sistema de resolución de nombres de dominios (DNS).
Para obtener los resultados del análisis comparativo entre el rendimiento de los entornos considerados (red tradicional, y una red SDN), se realizaron consultas a través del protocolo ICMP a dos de los servicios locales en la red simulada y dos servicios reales de la ESPAM MFL. Cada simulación se ejecutó durante 3 horas. La obtención de datos se la realizó en base a la observación de los parámetros capturados por el sistema de monitoreo de red (latencia, jitter y pérdida de paquetes), a los cuales se les aplicó procesamiento estadístico.
2.1. Escenario 1 – Red tradicional
La arquitectura de la red tradicional fue diseñada bajo el modelo de tres capas propuesto por Cisco, los dispositivos fueron emulados con el sistema OpenWRT y el software de la arquitectura X86 de Mikrotik. Estas características permitieron apegarse al diseño original de la arquitectura analizada.
Las redes LAN de cada edificio que conforma el sector 8 de la ESPAM se encuentran estructuradas con su respectivo router de distribución (en ocasiones 2 o 3 equipos), varios switches de acceso y puntos de acceso inalámbrico. En la Figura 1 se muestra el diseño de la topología de este escenario.
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Figura 1 – Diseño de la topología de la red del sector 8 de la ESPAM MFL
2.2. Escenario 2 – SDN
Los entornos de simulación se elaboraron buscando el mayor grado de similitud posible, pero finalmente no resultó posible la replicación exacta del diseño, ya que por definición el paradigma SDN separa el plano de control del plano de datos de los equipos y como resultado se obtiene la optimización de equipos de red. En la Figura 2 se muestra esta configuración de red.
Generalmente, las SDN son diseñadas con el modelo de leaves and spine (hojas y columna vertebral [tronco]), el cuál consiste en implementar un dispositivo controlador de la red para que se comunique con los equipos de reenvio de paquetes mediante el protocolo openflow u otro. Esta comunicación se denomina southbound, mientras que la comunicación entre el controlador y las aplicaciones que envian la configuración de los equipos de reenvio se conoce como northbound.
En tanto a los equipos, sistemas y servicios que complementan la infraestructura fueron los mismos que se utilizaron en el enfoque de red tradicional (teniendo en cuenta la disminución en el uso de los dispositivos de red), al igual que los procesos a realizar para obtener los resultados del rendimiento del paradigma de redes definida por software.
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Figura 2 – Diseño de la topología SDN propuesta para el sector 8 de la ESPAM MFL
3. Resultados
Los equipos de los cuales se obtuvieron los resultados del rendimiento fueron una PC virtual por cada red LAN simulada. En la Figura 3 se muestran los valores correspondientes a la media de la latencia generada al realizar consultas ICMP al servicio de aula virtual. Los equipos con más saltos de red hacia el sistema de monitoreo muestran latencia elevada, esta idea aplica para ambos paradigmas con picos de 9,15ms en el entorno de red convencional y 4,2ms en SDN.
La Figura 4 muestra los valores correspondientes a la media de la latencia generada al realizar consultas ICMP al sitio web instalado de manera local. Al igual que en caso anterior, los puntos más altos de latencia se encuentran en los equipos con más saltos hacia el sistema de monitoreo y los picos están en la red tradicional con 8,95ms y el menor en SDN con 4,15ms.
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Figura 3 – Comparación de latencia hacia el aula virtual, entre ambos paradigmas
Figura 4 – Comparación de latencia hacia el sitio web local, entre ambos paradigmas
La Figura 5 muestra los valores correspondientes al jitter encontrado en las PC de cada red LAN simulada. Para este caso todos los valores de la red SDN son menores a la red tradicional a excepción de la PC 5. El pico de menor valor se da en SDN con 1,2 ms y el valor más alto está en la red tradicional con 4,6 ms.
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Figura 5 – Comparación de latencia hacia el sitio web local, entre ambos paradigmas
La Figura 6 muestra los valores del jitter encontrados al realizar consultas ICMP al sitio web local. En este caso, SDN continúa mostrando mayor cantidad de valores inferiores que la red tradicional, teniendo como pico las PC 4 y 5 de este paradigma con 4,3ms, y el menor valor corresponde a SDN con 2,3ms.
Figura 6 – Comparación de latencia hacia el sitio web local, entre ambos paradigmas
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En la Figura 7 se observa como el paradigma de red SDN presenta ventajas en cuanto al promedio calculado de los valores correspondientes a la latencia y al jitter que se obtuvieron de las pruebas realizadas en el escenario de estudio. Así mismo, se observa la pérdida de paquetes en SDN del 0,28% la cual se dio al inicio de la puesta en marcha de la red, cuando los dispositivos de reenvío aún desconocían las rutas definidas en las tablas de flujo.
Figura 7 – Promedios de valores de los parámetros de rendmiento.
En la Tabla 1 se resumen los valores obtenidos por la herramienta de monitoreo Smokeping al realizar las pruebas, Así mismo se resaltan los mejores valores (menor valor absoluto) de cada prueba realizada.
Equipos
ParadigmasPC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7
SDN MOODLE LOCAL
Latencia Media 5,05 5,30 4,35 4,20 6,50 6,35 7,25
Fluctuación 1,50 2,40 1,90 1,20 3,60 1,70 3,30
SDN WEB LOCAL
Latencia Media 5,35 7,25 4,25 4,15 5,95 7,80 6,70
Fluctuación 1,90 3,50 1,50 1,30 2,30 4,20 2,80
SDN WEB ESPAM MFL
Latencia Media 5,25 4,80 4,00 4,35 4,80 4,55 4,60
Fluctuación 2,70 1,60 1,20 1,90 1,60 1,30 1,60
SDN MAIL ESPAM MFL
Latencia Media 5,00 5,45 5,95 5,45 5,95 5,50 5,15
Fluctuación 2,00 2,30 3,10 2,90 2,70 2,20 2,30
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Equipos
ParadigmasPC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7
TRADICIONAL MOODLE LOCAL
Latencia Media 5,30 5,80 9,15 7,70 5,50 5,10 6,15
Fluctuación 2,20 2,80 3,50 4,60 2,80 2,40 3,50
TRADICIONAL WEB LOCAL
Latencia Media 5,25 5,45 8,35 8,95 5,40 6,10 5,55
Fluctuación 2,30 1,90 4,30 4,30 3,00 3,60 2,10
TRADICIONAL WEB ESPAM MFL
Latencia Media 5,20 5,80 5,70 6,15 4,15 4,90 5,25
Fluctuación 2,00 2,60 2,00 2,30 1,50 1,60 2,10
TRADICIONAL MAIL ESPAM MFL
Latencia Media 5,10 4,90 6,55 7,55 5,10 6,40 5,15
Fluctuación 2,40 2,20 2,50 3,30 2,80 2,40 2,10
Tabla 1 – Latencia y jitter, obtenidos del sistema de monitoreo en ambos paradigmas de red.
5. Discusión
Entre las ventajas de las redes SDN que se mencionan en este trabajo están sus bases en protocolos y estándares abiertos, criterio que es compartido por autores como (Rojas, y otros, 2018). De igual manera este beneficio conlleva ciertos inconvenientes como por ejemplo: la incompatibilidad existente entre diversos protocolos SDN, las características de funcionalidades exclusivas definidas por los proveedores de soluciones de redes, lo que conlleva a estar sujetos a marcas al considerar la escalabilidad de la red para obtener mayores índices de productividad en la infraestructura (Parra, Morales, & Hernández, 2015).
La investigación realizada por Dueñas, Marín, & Cruz (2017) se asemeja en varios aspectos a este documento, ya que se enfoca en el análisis comparativo entre los paradigmas de redes tradicional y SDN, pero ellos lo realizan basándose en la herramienta de simulación Mininet y sin plantear un escenario específico, a diferencia de este trabajo que esta soportado en GNS3 y la comparación es basada en una red universitaria (Holik & Horalek, 2017).
Las SDN se han convertido en una tecnología de red eficiente con la capacidad de adaptarse a la naturaleza cambiante de las funciones de las redes y las aplicaciones inteligentes tal como sustentan en su investigación Sezer y otros (2013), esta capacidad de adopción está acompañada de la reducción de costes en la infraestructura y administración simplificada, este criterio es compartido por los desarrolladores de este trabajo.
Esta investigación fomenta la aplicabilidad de las SDN en entornos de redes LAN y particularmente en escenarios de redes de instituciones de educación superior, esta
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idea también es respaldada por (Duarte & Lobo, 2015) en su investigación sobre la factibilidad de aplicación de una red SDWLAN (Software Defined Wireless Local Area Network) en un campus universitario (Zhao, Zhu, & Xu, 2014) (Chan, y otros, 2014).
Hay que tener en cuenta que SDN presenta inconvenientes, entre los cuales se mencionan: los gastos relacionados a nuevo hardware y software, por ser una tecnología nueva hay varias funciones que no están del todo definidas o entendidas, la falta de personal capacitado para la implementación y administración de la red en base a este paradigma (Parra, Morales, & Hernández, 2015).
Las implementaciones realizadas con el modelo SD-WAN avalan la factibilidad de aplicación de las SDN en redes de área amplia, sin embargo, la extensión de este paradigma hasta los entornos de redes LAN es condicionada en parte por su funcionamiento, teniendo en consideración que muchas de las decisiones de reenvío son definidas por el controlador lo que genera degradación en el rendimiento (El Kamel, Majdoub, & Youssef, 2017) (Manel & Habib, 2017).
6. Conclusiones
El paradigma de SDN plantea un mejoramiento en el esquema analizado desde su diseño al reducir la cantidad de equipos necesarios para el funcionamiento de la red analizada en este estudio. Además, se simplifica la administración de la red SDN mediante el uso del controlador de la red.
Los resultados del rendimiento de ambos paradigmas muestran como la red definida por software presenta ligeramente mejor rendimiento que la red tradicional, para el caso del entorno y topologías analizados, así mismo en el caso de SDN se presentaron pérdidas de paquetes en dos pruebas por el desconocimiento de la ruta de destino en primera instancia.
En la red tradicional se obtuvieron los mayores niveles de latencia en los equipos que estaban separados del sistema de monitoreo por mayor cantidad de routers, de igual manera en SDN la latencia fue mayor en los equipos que estaban a mayor distancia de la aplicación de monitoreo pero separados por dispositivos de reenvío de datos.
El esquema que se simuló bajo el paradigma de SDN en este proyecto puede considerarse como una red híbrida, ya que varios equipos se mantuvieron funcionando de manera tradicional y sin la administración mediante el controlador de la red.
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