Preface xxi

PART I MODERN NETWORKING 3

Chapter 1: Elements of Modern Networking 4

1.1 The Networking Ecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Example Network Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

A Global Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

A Typical Network Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Applications of Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Ethernet Data Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4 Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Applications of Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Wi-Fi Data Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.5 4G/5G Cellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

First Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Second Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Third Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Fourth Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Fifth Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.6 Cloud Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Cloud Computing Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

The Benefits of Cloud Computing . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Cloud Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Cloud Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.7 Internet of Things. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Things on the Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Layers of the Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.8 Network Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.9 Unified Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.10 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.11 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Chapter 2: Requirements and Technology 38

2.1 Types of Network and Internet Traffic . . . . . . . . . . . . . . 39

Elastic Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Inelastic Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Real-Time Traffic Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.2 Demand: Big Data, Cloud Computing, and Mobile Traffic . . . . . . 45

Big Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Cloud Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Mobile Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3 Requirements: QoS and QoE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Quality of Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Packet Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Routing Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Elements of a Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.5 Congestion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Effects of Congestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Congestion Control Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.6 SDN and NFV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Software-Defined Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Network Functions Virtualization . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.7 Modern Networking Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.8 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

PART II SOFTWARE DEFINED NETWORKS 75

Chapter 3: SDN: Background and Motivation 76

3.1 Evolving Network Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Demand Is Increasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Supply Is Increasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Traffic Patterns Are More Complex . . . . . . . . . . . . . . . 78

Traditional Network Architectures are Inadequate . . . . . . . . . 79

3.2 The SDN Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

SDN Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Characteristics of Software-Defined Networking . . . . . . . . . . 85

3.3 SDN- and NFV-Related Standards . . . . . . . . . . . . . . . 85

Standards-Developing Organizations . . . . . . . . . . . . . . 87

Industry Consortia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Open Development Initiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.4 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Chapter 4: SDN Data Plane and OpenFlow 92

4.1 SDN Data Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Data Plane Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Data Plane Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2 OpenFlow Logical Network Device . . . . . . . . . . . . . . . 95

Flow Table Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Flow Table Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

The Use of Multiple Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Group Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.3 OpenFlow Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.4 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Chapter 5: SDN Control Plane 112

5.1 SDN Control Plane Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Control Plane Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Southbound Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Northbound Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.2 ITU-T Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.3 OpenDaylight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

OpenDaylight Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

OpenDaylight Helium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.4 REST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

REST Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Example REST API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.5 Cooperation and Coordination Among Controllers . . . . . . . . 133

Centralized Versus Distributed Controllers . . . . . . . . . . . . 133

High-Availability Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Federated SDN Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Border Gateway Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Routing and QoS Between Domains . . . . . . . . . . . . . . 137

Using BGP for QoS Management . . . . . . . . . . . . . . . 138

IETF SDNi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

OpenDaylight SNDi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.6 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Chapter 6: SDN Application Plane 144

6.1 SDN Application Plane Architecture . . . . . . . . . . . . . . 145

Northbound Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Network Services Abstraction Layer . . . . . . . . . . . . . . 146

Network Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.2 Network Services Abstraction Layer . . . . . . . . . . . . . . 147

Abstractions in SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Frenetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.3 Traffic Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

PolicyCop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.4 Measurement and Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.5 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

OpenDaylight DDoS Application . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.6 Data Center Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Big Data over SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Cloud Networking over SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

6.7 Mobility and Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

6.8 Information-Centric Networking . . . . . . . . . . . . . . . . 168

CCNx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Use of an Abstraction Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6.9 Key Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

PART III VIRTUALIATION 175

Chapter 7: Network Functions Virtualization: Concepts and Architecture 176

7.1 Background and Motivation for NFV . . . . . . . . . . . . . . 177

7.2 Virtual Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

The Virtual Machine Monitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Architectural Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Container Virtualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

7.3 NFV Concepts...