Advances for Resilient Real-Time Networks using Network Softwarization

Abstract

Herkömmliche Netzwerkgeräte, wie beispielsweise Router und Switche, unterstützen einen während der Produktion festgelegten Umfang an Protokollen und Mechanismen. Network Softwarization, und insbesondere Software-Defined Networking (SDN) und Data Plane Programming, hat sich in den letzten Jahren immer stärker durchgesetzt und überwindet durch die Trennung von Data und Control Plane die zuvor bestehende Herstellerabhängigkeit. Dadurch kann die Paketverarbeitungslogik von kompatiblen Netzwerkgeräten direkt programmiert werden, was die Entwicklung neuartiger Netzwerkmechanismen ohne direkte Unterstützung durch den Hersteller ermöglicht. Heutzutage ist Programming Protocol-Independent Packet Processors (P4) eine der gängigsten Technologien zur Programmierung der Data Plane. Die Forschung in dieser Arbeit konzentriert sich auf zwei Hauptziele, die darauf abzielen, den Stand der Technik für robuste Echtzeitnetzwerke mit Hilfe von Network Softwarization zu verbessern. Das erste Ziel ist die Entwicklung und Auswertung bestehender und neuartiger ausfallsicherer Weiterleitungsmechanismen unter Verwendung von Data Plane Programming. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Unterstützung von Echtzeitkommunikation, d.h. die effiziente Unterstützung von BIER in P4, sowie Konzepte und Algorithmen zur Datenübertragung mit QoS Anforderungen. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind in fünf peer-review Publikationen veröffentlicht. Sieben weitere peer-review Publikationen decken zusätzliche Forschungsergebnisse ab, die mit den Hauptpublikationen dieser Arbeit zusammenhängen, einschließlich einer umfassenden P4-Literaturstudie. Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse wurden im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter den Förderkennzeichen ME2727/1-2, ME2727/2-1 und ME2727/3-1, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 16KIS1161 (Verbundprojekt KITOS) und dem Projekt bwNET2020+, das vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK) gefördert wird, finanziert.

Traditional network devices, e.g., routers and switches, provide support for a fixed set of protocols and mechanisms. Network softwarization, and in particular software-defined networking (SDN) and programmable data planes, has emerged in recent years and breaks the previously existing vendor lock-in by decoupling the data and control plane of network devices. Thereby, the packet processing logic of network devices may be directly programmable, which enables the design of novel networking mechanisms without the manufacturer‘s direct support. As of today, Programming Protocol-Independent Packet Processors (P4) is one of the most common data plane programming technologies. The research of this thesis focuses on two main objectives that aim to improve the state of the art for resilient real-time networks using network softwarization. The first objective is to develop and evaluate existing and novel resilient forwarding mechanisms using data plane programming. The second objective of this thesis is the support of real-time communication, i.e., the efficient support of BIER in P4, and concepts and algorithms for data transmission with Quality of Service (QoS) requirements. The main results of this thesis are published in five peer-reviewed publications. Seven additional peer-reviewed publications cover additional research results related to the main publications of this thesis, including a comprehensive P4 literature study. The research presented in this thesis has been funded by different research projects by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) under grant ME2727/1-2, ME2727/2-1, and ME2727/3-1, the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) under support code 16KIS1161 (Collaborative Project KITOS), and the bwNET2020+ project, which is funded by the Ministry of Science, Research and the Arts BadenW¨urttemberg (MWK).