Strategies for internet route control: past, present and future

Abstract

Uno de los problemas más complejos en redes de computadores es el de proporcionar garantías de calidad y confiabilidad a las comunicaciones de datos entre entidades que se encuentran en dominios distintos. Esto se debe a un amplio conjunto de razones -- las cuales serán analizadas en detalle en esta tesis -- pero de manera muy breve podemos destacar: i) la limitada flexibilidad que presenta el modelo actual de encaminamiento inter-dominio en materia de ingeniería de tráfico; ii) la naturaleza distribuida y potencialmente antagónica de las políticas de encaminamiento, las cuales son administradas individualmente y sin coordinación por cada dominio en Internet; y iii) las carencias del protocolo de encaminamiento inter-dominio utilizado en Internet, denominado BGP (Border Gateway Protocol).<br/><br/>El objetivo de esta tesis, es precisamente el estudio y propuesta de soluciones que permitan mejorar drásticamente la calidad y confiabilidad de las comunicaciones de datos en redes conformadas por múltiples dominios.<br/><br/>Una de las principales herramientas para lograr este fin, es tomar el control de las decisiones de encaminamiento y las posibles acciones de ingeniería de tráfico llevadas a cabo en cada dominio. Por este motivo, esta tesis explora distintas estrategias de como controlar en forma precisa y eficiente, tanto el encaminamiento como las decisiones de ingeniería de tráfico en Internet. <br/><br/>En la actualidad este control reside principalmente en BGP, el cual como indicamos anteriormente, es uno de los principales responsables de las limitantes existentes. El paso natural sería reemplazar a BGP, pero su despliegue actual y su reconocida operatividad en muchos otros aspectos, resultan claros indicadores de que su sustitución (ó su posible evolución) será probablemente gradual. <br/><br/>En este escenario, esta tesis propone analizar y contribuir con nuevas estrategias en materia de control de encaminamiento e ingeniería de tráfico inter-dominio en tres marcos temporales distintos: i) en la actualidad en redes IP; ii) en un futuro cercano en redes IP/MPLS (MultiProtocol Label Switching); y iii) a largo plazo en redes ópticas, modelando así una evolución progresiva y realista, facilitando el reemplazo gradual de BGP.<br/><br/>Más concretamente, este trabajo analiza y contribuye mediante: <br/><br/>- La propuesta de estrategias incrementales basadas en el Control Inteligente de Rutas (Intelligent Route Control, IRC) para redes IP en la actualidad. Las estrategias propuestas en este caso son de carácter incremental en el sentido de que interaccionan con BGP, solucionando varias de las carencias que éste presenta sin llegar a proponer aún su reemplazo. <br/><br/>- La propuesta de estrategias concurrentes basadas en extender el concepto del PCE (Path Computation Element) proveniente del IETF (Internet Engineering Task Force) para redes IP/MPLS en un futuro cercano. Las estrategias propuestas en este caso son de carácter concurrente en el sentido de que no interaccionan con BGP y pueden ser desplegadas en forma paralela. En este caso, BGP continúa controlando el encaminamiento y las acciones de ingeniería de tráfico inter-dominio del tráfico IP, pero el control del tráfico IP/MPLS se efectúa en forma independiente de BGP mediante los PCEs.<br/><br/>- La propuesta de estrategias que reemplazan completamente a BGP basadas en la incorporación de un nuevo agente de control, al cual denominamos IDRA (Inter-Domain Routing Agent). Estos agentes proporcionan un plano de control dedicado, físicamente independiente del plano de datos, y con gran capacidad computacional para las futuras redes ópticas multi-dominio.<br/><br/>Los resultados expuestos aquí validan la efectividad de las estrategias propuestas, las cuales mejoran significativamente tanto la concepción como la performance de las actuales soluciones en el área de Control Inteligente de Rutas, del esperado PCE en un futuro cercano, y de las propuestas existentes para extender BGP al área de redes ópticas. One of the most complex problems in computer networks is how to provide guaranteed performance and reliability to the communications carried out between nodes located in different domains. This is due to several reasons -- which will be analyzed in detail in this thesis -- but in brief, this is mostly due to: i) the limited capabilities of the current inter-domain routing model in terms of Traffic Engineering (TE); ii) the distributed and potentially conflicting nature of policy-based routing, where routing policies are managed independently and without coordination among domains; and iii) the clear limitations of the inter-domain routing protocol, namely, the Border Gateway Protocol (BGP).<br/> <br/>The goal of this thesis is precisely to study and propose solutions allowing to drastically improve the performance and reliability of inter-domain communications. One of the most important tools to achieve this goal, is to control the routing and TE decisions performed by routing domains. Therefore, this thesis explores different strategies on how to control such decisions in a highly efficient and accurate way. <br/><br/>At present, this control mostly resides in BGP, but as mentioned above, BGP is in fact one of the main causes of the existing limitations. The natural next-step would be to replace BGP, but the large installed base at present together with its recognized effectiveness in other aspects, are clear indicators that its replacement (or its possible evolution) will probably be gradually put into practice.<br/><br/>In this framework, this thesis proposes to to study and contribute with novel strategies to control the routing and TE decisions of domains in three different time frames: i) at present in IP multi-domain networks; ii) in the near-future in IP/MPLS (MultiProtocol Label Switching) multi- domain networks; and iii) in the future optical Internet, modeling in this way a realistic and progressive evolution, facilitating the gradual replacement of BGP.<br/><br/>More specifically, the contributions in this thesis can be summarized as follows. <br/><br/>- We start by proposing incremental strategies based on Intelligent Route Control (IRC) solutions for IP networks. The strategies proposed in this case are incremental in the sense that they interact with BGP, and tackle several of its well-known limitations. <br/><br/>- Then, we propose a set of concurrent route control strategies for MPLS networks, based on broadening the concept of the Path Computation Element (PCE) coming from the IETF (Internet Engineering Task Force). Our strategies are concurrent in the sense that they do not interact directly with BGP, and they can be deployed in parallel. In this case, BGP still controlls the routing and TE actions concerning regular IP-based traffic, but not how IP/MPLS paths are routed and controlled. These are handled independently by the PCEs.<br/><br/>- We end with the proposal of a set of route control strategies for multi-domain optical networks, where BGP has been completely replaced. These strategies are supported by the introduction of a new route control element, which we named Inter-Domain Routing Agent (IDRA). These IDRAs provide a dedicated control plane, i.e., physically independent from the data plane, and with high computational capacity for future optical networks.<br/><br/>The results obtained validate the effectiveness of the strategies proposed here, and confirm that our proposals significantly improve both the conception and performance of the current IRC solutions, the expected PCE in the near-future, as well as the existing proposals about the optical extension of BGP.