Toward cost-efficient Dos-resilient virtual networks with ORE : opportunistic resilience embedding

Abstract

O atual sucesso da Internet vem inibindo a disseminação de novas arquiteturas e protocolos de rede. Especificamente, qualquer modificação no núcleo da rede requer comum acordo entre diversas partes. Face a isso, a Virtualização de Redes vem sendo proposta como um atributo diversificador para a Internet. Tal paradigma promove o desenvolvimento de novas arquiteturas e protocolos por meio da criação de múltiplas redes virtuais sobrepostas em um mesmo substrato físico. Adicionalmente, aplicações executando sobre uma mesma rede física podem ser isoladas mutuamente, propiciando a independência funcional entre as mesmas. Uma de suas mais promissoras vantagens é a capacidade de limitar o escopo de ataques, através da organização de uma infraestrutura em múltiplas redes virtuais, isolando o tráfego das mesmas e impedindo interferências. Contudo, roteadores e enlaces virtuais permanecem vulneráveis a ataques e falhas na rede física subjacente. Particularmente, caso determinado enlace do substrato seja comprometido, todos os enlaces virtuais sobrepostos (ou seja, alocados neste) serão afetados. Para lidar com esse problema, a literatura propõe dois tipos de estratégias: as que reservam recursos adicionais do substrato como sobressalentes, protegendo contra disrupções; e as que utilizam migração em tempo real para realocar recursos virtuais comprometidos. Ambas estratégias acarretam compromissos: o uso de recursos sobressalentes tende a tornar-se custoso ao provedor de infraestrutura, enquanto a migração de recursos demanda um período de convergência e pode deixar as redes virtuais inoperantes durante o mesmo. Esta dissertação apresenta ORE (Opportunistic Resilience Embedding – Mapeamento com Resiliência Oportunística), uma nova abordagem de mapeamento de redes para proteger enlaces virtuais contra disrupções no substrato físico. ORE é composto por duas estratégias: uma proativa, na qual enlaces virtuais são alocados em múltiplos caminhos para mitigar o impacto de uma disrupção; e uma reativa, a qual tenta recuperar, parcial ou integralmente, a capacidade perdida nos enlaces virtuais afetados. Ambas são modeladas como problemas de otimização. Ademais, como o mapeamento de redes virtuais é NP-Difícil, ORE faz uso de uma meta-heurística baseada em Simulated Annealing para resolver o problema de forma eficiente. Resultados numéricos mostram que ORE pode prover resiliência a disrupções por um custo mais baixo.

Recently, the Internet’s success has prevented the dissemination of novel networking architectures and protocols. Specifically, any modification to the core of the network requires agreement among many different parties. To address this situation, Network Virtualization has been proposed as a diversifying attribute for the Internet. This paradigm promotes the development of new architectures and protocols by enabling the creation of multiple virtual networks on top of a same physical substrate. In addition, applications running over the same physical network can be isolated from each other, thus allowing them to coexist independently. One of the main advantages of this paradigm is the use of isolation to limit the scope of attacks. This can be achieved by creating different, isolated virtual networks for each task, so traffic from one virtual network does not interfere with the others. However, routers and links are still vulnerable to attacks and failures on the underlying network. Particularly, should a physical link be compromised, all embedded virtual links will be affected. Previous work tackled this problem with two main strategies: using backup resources to protect against disruptions; or live migration to relocate a compromised virtual resource. Both strategies have drawbacks: backup resources tend to be expensive for the infrastructure provider, while live migration may leave virtual networks inoperable during the recovery period. This dissertation presents ORE (Opportunistic Resilience Embedding), a novel embedding approach for protecting virtual links against substrate network disruptions. ORE’s design is two-folded: while a proactive strategy embeds virtual links into multiple substrate paths in order to mitigate the initial impact of a disruption, a reactive one attempts to recover any capacity affected by an underlying disruption. Both strategies are modeled as optimization problems. Additionally, since the embedding problem is NP-Hard, ORE uses a Simulated Annealing-based meta-heuristic to solve it efficiently. Numerical results show that ORE can provide resilience to disruptions at a lower cost.