SDN
Rede Definida por Software

A Internet surgiu como um conjunto de redes físicas separadas, com sistemas de gerenciamento de recursos de armazenamento e redes tratados de forma distinta das políticas de acesso, sistema e procedimentos por motivos de segurança. Esse modelo funcionou bem por muitos anos, mas começou a apresentar desafios à medida que a demanda por maior acessibilidade financeira a computadores potentes, espaço de armazenamento e redes centralizando informações cresceu.

Nesse contexto, a tecnologia de redes de computadores avançou drasticamente nos últimos anos, com velocidade das linhas, densidade de portas e razão entre desempenho e preço aumentando. No entanto, os mecanismos de controle para as redes não acompanharam esse ritmo. Levam-se anos para projetar e implementar um novo protocolo de controle de rede.

Para superar esses desafios, surgiu um novo paradigma de redes chamado Redes Definidas por Software (SDN). Em uma SDN, o plano de controle da rede é separado do plano de encaminhamento e construído como um sistema distribuído. Isso permite que a rede seja gerenciada de forma mais flexível e eficiente. O surgimento das SDNs está diretamente ligado ao desenvolvimento do protocolo OpenFlow. O OpenFlow é um protocolo que permite que aplicativos externos controlem o fluxo de dados em switches de rede. Com o OpenFlow, os switches de rede passam a ser "programáveis", o que abre um mundo de possibilidades para o gerenciamento de redes.

As SDNs são uma tecnologia promissora que tem o potencial de revolucionar a forma como gerenciamos redes. Nos próximos capítulos, vamos explorar em mais detalhes os conceitos e aplicações das SDNs.

Uma das principais diferenças entre a SDN e as redes tradicionais é a separação da lógica de controle do encaminhamento de pacote de dados. Nas redes tradicionais, a lógica de controle e o encaminhamento de pacotes de dados estão localizados no mesmo dispositivo, geralmente um roteador ou switch. Nas redes SDN, a lógica de controle está localizada em um controlador separado, enquanto o encaminhamento de pacotes de dados é realizado pelos dispositivos de infraestrutura (dados).

Camada de Aplicação

A camada de aplicação é responsável por fornecer serviços aos usuários da rede. Ela é o front-end da rede SDN e é responsável por interagir com os usuários e gerenciar a rede. A camada de aplicação pode ser implementada por meio de aplicações de software ou APIs (Interfaces de Programação de Aplicação).

Alguns exemplos de funções que podem ser implementadas na camada de aplicação incluem:

• Otimização de desempenho: A camada de aplicação pode ser usada para otimizar o desempenho da rede, por exemplo, direcionando o tráfego de acordo com a carga ou garantindo a qualidade do serviço (QoS).
• Segurança: A camada de aplicação pode ser usada para melhorar a segurança da rede, por exemplo, implementando firewalls ou sistemas de detecção de intrusão.
• Gestão: A camada de aplicação pode ser usada para simplificar a gestão da rede, por exemplo, automatizando tarefas de configuração ou monitoramento.

Camada de Controle

A camada de controle é responsável por controlar e gerenciar toda a rede. Ela é o back-end da rede SDN e é responsável por gerenciar a topologia da rede e o estado dos dispositivos.

A camada de controle recebe as solicitações da camada de aplicação e envia instruções para os dispositivos de infraestrutura (dados).

A comunicação do controlador SDN com o switch é feita via API de limite sul, como o OpenFlow.

A camada de controle também é responsável por executar alguns protocolos de roteamento, como o (do inglês, Open Shortest Path First) e o BGP (do inglês, Border Gateway Protocol). Esses protocolos são usados para determinar o caminho mais eficiente para o tráfego de rede.

A fim de melhorar a disponibilidade e a escalabilidade dos recursos de rede, as implementações recentes da arquitetura SDN conseguem suportar múltiplos controladores distribuídos. Na arquitetura com vários controladores, cada controlador é responsável por uma parte da rede.

Os controladores individuais SDN comunicam-se entre si por meio de APIs com limite leste-oeste. Essas APIs são usadas para sincronizar o estado da rede e garantir que todas as decisões de encaminhamento sejam tomadas de forma consistente.

Camada de Dados

A camada de infraestrutura (dados) é responsável por encaminhar os pacotes de dados na rede. Ela é composta por dispositivos de rede, como switches e roteadores.

Os switches são dispositivos simples que encaminham pacotes de rede com base em regras armazenadas na tabela de encaminhamento. A tabela de encaminhamento é composta por itens que possuem três campos:

• .Ação: A ação a ser executada quando um pacote de dados corresponde à regra;
• .Contador: Um contador que é incrementado sempre que um pacote de dados corresponde à regra;
• .Padrão: O padrão de fluxo composto pelo conjunto de valores do cabeçalho do pacote.

Quando um pacote de dados é recebido, o switch busca na sua tabela de fluxo uma regra correspondente aos campos do cabeçalho. Se o switch encontrar a regra certa, a ação é executada. Se o switch não encontrar a regra, ele irá notificar o controlador ou descartar o pacote.

É importante ressaltar que os itens da regra de encaminhamento são criados pelo controlador da camada de controle e enviados para o switch.

Componentes

Dentro da Arquitetura e de cada camada de uma SDN, existem diversos componentes essenciais para o seu funcionamento, sendo eles divididos da seguinte forma:

• Controladores: O controlador é a parte central da camada de controle de uma SDN. Ele recebe informações dos aplicativos e políticas de rede da camada de aplicação e traduz essas políticas em instruções compreensíveis pelos dispositivos de rede na camada de infraestrutura. O controlador SDN também se comunica com a camada de infraestrutura por meio de APIs no sentido sul;
• Dispositivos Programáveis : Esses são os dispositivos (normalmente switches e roteadores) que recebem a informação do controlador através da Southbound para montar seu plano de dados. Após o recebimento das informações do controlador, as decisões do que será feito com os pacotes já pode ser tomada. A capacidade de programar e controlar esses dispositivos por meio de software é uma das principais vantagens da SDN, tornando a rede mais ágil, adaptável e eficiente;
• Protocolos de Comunicação: Os protocolos de comunicação desempenham um papel essencial na SDN ao permitir a comunicação entre os diferentes componentes da SDN, como o controlador, os dispositivos de rede e os aplicativos. Existem muitos protocolos e padrões relacionados que podem ser utilizados em implementações de SDN, sendo o Openflow amplamente utilizado. A escolha do protocolo depende das necessidades específicas da implementação e da interoperabilidade com os dispositivos de rede.

Globalmente, as aplicações SDN estão desempenhando um papel importante na transformação da infraestrutura de rede para atender às crescentes demandas de aplicações e serviços, tornando as redes mais flexíveis, adaptáveis e eficientes. Elas podem proporcionar interfaces de programação de aplicativos em um nível superior, permitindo que outras aplicações ou sistemas interajam com o controle de rede abstraído fornecido pelo SDN. Sendo assim, falaremos a seguir de algumas aplicações que estão surgindo e atraindo cada vez mais o investimento de empresas.

SDMN (A Rede Móvel Definida por Software)

A Rede Móvel Definida por Software (SDMN) baseia-se nos princípios da SDN, que envolvem a separação do plano de controle da rede do plano de dados, mas é aplicada especificamente a ambientes de redes móveis. Ela representa uma evolução significativa no campo das redes móveis, à medida que as operadoras buscam maneiras de melhorar a flexibilidade e a eficiência de suas redes para atender às crescentes demandas dos usuários e às complexas necessidades de serviços móveis, como 5G e IoT (Internet das Coisas). Ela oferece a possibilidade de redes móveis mais ágeis e adaptáveis, capazes de atender às necessidades em constante mudança do mercado.

Esse tipo de rede visa virtualizar e programar a infraestrutura de rede móvel, permitindo que os operadores de rede controlem e configurem recursos de rede de forma flexível, adaptando-se às necessidades específicas de aplicativos e serviços. Além disso, as características específicas dos protocolos, que normalmente estariam incorporadas em hardware especializado, são implementadas em software, fazendo com que a funcionalidade da rede possa ser alterada, atualizada e adaptada mais facilmente, sem a necessidade de hardware personalizado.

Entretanto, a implementação da SDMN em redes móveis enfrenta desafios, como a necessidade de atualizar infraestruturas legadas, questões de segurança e escalabilidade. Além disso, a adoção da SDMN pode variar de acordo com a região e o operador de rede.

SD-(WAN/LAN)

O SD-WAN (Software Defined Wide Area Network) é uma aplicação específica de SDN que se concentra na otimização e gerenciamento de redes em áreas geograficamente distribuídas. Ela simplifica o gerenciamento das redes através do conceito de separação da camada de controle da camada de dados. A simplicidade na implementação, o gerenciamento centralizado e os custos reduzidos fazem do SD-WAN uma escolha atrativa para muitas empresas, sendo mais econômica do que uma arquitetura WAN (Wide Area Network) tradicional. Na ilustração abaixo, podemos comparar ambas arquiteturas.

Já no caso do SD-LAN (Software Defined Local Area Network) é uma abordagem que aplica os princípios da SDN para redes locais, como aquelas encontradas em ambientes corporativos, campi universitários ou instalações industriais, buscando trazer inovação e eficiência para esse tipo de rede e representando uma evolução na forma como as redes locais são projetadas e gerenciadas. Ele permite que as configurações de rede sejam adaptadas dinamicamente, atendendo às mudanças nas necessidades de dispositivos e aplicações.

Ambos têm pontos positivos em comum, tais como a centralização do controle, a redução da dependência de hardware proprietário e a simplificação da gestão, consequentemente resultando em economias significativas.

SDN em datacenter

A SDN em datacenters é uma abordagem que reestrutura o gerenciamento de redes ao centralizar o controle, possibilitando uma gestão mais eficiente e flexível dos recursos de rede. Caracterizada pela programabilidade, virtualização e alocação dinâmica de recursos, a SDN em datacenters ajuda a realizar o cálculo de rotas do datacenter dentro do software, otimizando operações, melhorando desempenho e segurança, além de integrar-se a sistemas de orquestração de nuvem. Essa abordagem promove uma infraestrutura mais ágil e adaptável às demandas de aplicativos e serviços.

SDN em QoS

Ao fornecer uma gestão centralizada e flexível, a SDN em QoS contribui para uma distribuição eficaz de recursos de rede e adaptação dinâmica às demandas variáveis, promovendo uma melhor qualidade de serviço em ambientes de rede. Como a programabilidade da SDN, é possível ajustar dinamicamente as prioridades de diferentes tipos de tráfego na rede e a alocação dinâmica de largura de banda com base nas necessidades em tempo real. Por exemplo, em momentos de alta demanda, a SDN pode priorizar o tráfego de vídeo para garantir uma transmissão contínua, assim como em aplicações críticas, como videoconferências ou transmissões ao vivo, a SDN pode obter mais largura de banda quando necessário.

Ademais, utilizando a segmentação da rede, a SDN pode isolar diferentes tipos de tráfego para garantir que aplicações sensíveis ao atraso não sejam impactadas por outros tipos de tráfego. Pode também monitorar ativamente a rede e responder ao congestionamento ajustando dinamicamente as rotas de tráfego para evitar gargalos, garantindo uma melhor QoS. E se houver mudanças nas condições da rede, como falhas de enlace ou picos repentinos no tráfego, ela pode ajustar automaticamente as políticas de QoS para manter um desempenho otimizado.

Por um longo período, as redes tradicionais desempenharam um papel dominante no cenário tecnológico, impulsionando significativos avanços nesta área. Contudo, ao longo do tempo, tornou-se evidente que essas redes não estavam mais alinhadas com as demandas da era tecnológica, incapazes de se adaptar prontamente às mudanças nas regras de negócios dos clientes, entre outros desafios. As redes definidas por software emergiram como uma solução para essas questões, permitindo que os switches respondessem de maneira ágil e escalável às instruções provenientes da camada de controle. Todas as suas vantagens tornam a SDN uma abordagem atraente para modernizar infraestruturas de rede, especialmente em ambientes onde a agilidade, a eficiência operacional e a capacidade de adaptação são cruciais.