Implementasi Dynamic Switch Migration pada Controller
Terdistribusi di Software Defined Network.
Tugas Akhir
diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar sarjana
dari Program Studi Teknik Informatika
Fakultas Informatika
Universitas Telkom
1301144006
Rizal Mochamad Nazar
Program Studi Sarjana Teknik Informatika
Fakultas Informatika
Universitas Telkom
Bandung
Implementasi Dynamic Switch Migration pada Controller Terdistribusi di Software
Defined Network.
Rizal Mochamad Nazar1,Maman Abdurohman2,Erwid Musthofa Jadied3 1,2,3Fakultas Informatika, Universitas Telkom, Bandung
1[email protected],2[email protected], 3[email protected],
Abstrak
Software Defined Networkmerupakan teknologi yang dapat mengelola jaringan skala besar dengan
memi-sahkancontrol planedandata plane. Pengaturan jaringan dilakukan secara terpusatlogically centralized
olehcontroller. ketika sebuahcontrollermengalami kelebihanloaddan terjadiSingle Point of Failure
ma-ka kinerja jaringan ama-kan terganggu. Software Defined Networkdapat mengatasi masalah tersebut dengan mengimplementasikan arsitekturMultiple Distributed Controllermenggunakan metodeDynamic Switch
Mi-gration. ArsitekturMultiple Distributed Controllerdalam penelitian ini menggunakan dua buahcontroller
dengan peranMasterdanSlave. Melalui simulasi menggunakan arsitekturMultiple Distributed Controller
telah diuji kemampuan mekanismeDynamic Switch Migrationdalam menangani masalah kelebihanload
padacontrollerdengan memindahkan sebagianswitchdaricontroller masterkecontroller slavedan
masa-lahSingle Point of Failuredengan memindahkan seluruhswitch controller masterkeController slave.
Kata kunci: Software Defined Network, Dynamic Switch Migration,Multiple Distributed Controller, kele-bihan load, controller slave, controller master
Abstract
Software Defined Network is a technology that can manage large-scale networks by separating control plane and data plane. Network settings are centrally logically centralized by the controller. when a controller is overloaded and a Single Point of Failure occurs, network performance will be disrupted. Software Defined Network can solve this problem by implementing the Multiple Distributed Controller architecture using the Dynamic Switch Migration method. The Multiple Distributed Controller architecture in this study uses two controllers with Master and Slave roles. Through simulation using the Multiple Distributed Controller architecture, the ability of the Dynamic Switch Migration mechanism to handle the problem of overloading the controller by moving a part of the switch to the slave controller and Single Point of Failure by moving all switches to the Slave Controller.
Keywords: Software Defined Network, Dynamic Switch Migration,Multiple Distributed Controller, overlo-aded, controller slave, controller master
1.
Pendahuluan
Latar Belakang
Sebagai teknologi baru,Software Defined Network (SDN) memberi kemudahan dalam pengelolaan jaringan skala besar dengan memisahkancontrol plane daridata palne[9]. Akan tetapi kemampuan dari sebuahsingle centralized controllerterbatas. sebagai contoh ketikaloaddari sebuahcontrollermeningkat akan menyebabkan
controller kelebihanload yang berdampak pada penurunan kinerja jaringan[4]. Disamping itu masalah ketika
controllermengalamifailureyang menyebabkan jaringan akan terputus. Dengan arsitekturMultiple Distributed Controller menggunakan mekanisme Dynamic Switch Migrationpada Software Defined Network(SDN) dapat mengatasi pengelolaan perangkat jaringan semakin mudah[9].
Dynamic Switch Migrationadalah pendekatan yang dapat menangani (Single Point of Failure) danload ba-lancing[1]. Dalam penerapannya,Dynamic switch migrationmemigrasikanswitchkeController slaveketikaload
daricontroller mastermelebihi kapasitasnya[1].
Dengan adanya mekanismeDynamic Switch Migrationyang diterapkan pada arsitekturMultiple Distributed Controllerdapat mencegah terjadinya kelebihanload controllerdanfailurekarena ketersediaancontrolleruntuk mem-backup controllerlainnya tetap terjaga, sehingga kinerja jaringan tidak terganggu.
Topik dan Batasannya
Pada jaringan SDN terdapat desain arsitekturMultiple Distributed Controller yang memungkinkan sebuah jaringan SDN memiliki lebih dari satucontroller. Oleh sebab itu pada penelitian ini akan digunakan dua buah
controllerdengan jenisFloodlight[3] sebagaicontrol planeyang ditempatkan satu level/Flat Architechtureagar memiliki kemampuan dan tanggung jawab yang setara. sedangkan untuk bagianData planemenggunakan mininet sebagai emulator yang dapat mensimulasikanOpen Flowswitch.
Penelitian ini akan melakukan perancangan menggunakan topologiFat treeyang terdiri dari dua buah contro-llerdan empat buahswitchyang masing-masing terhubung kecontroller. Permasalahan yang ditangani berupa kelebihanloadpadacontrolleryang meyebabkan penurunan kinerja sebuahcontrollerdanSingle Point of Failure
yaitu keaadan dimana sebuahcontrollertidak berfungsi akibat dilakukanshutdown. Penelitian ini akan mengana-lisis nilaithroughputyaitu kemampuancontrollerdalam menanganiresponse/sec sebelum dan sesudah dilakukan
switch migrationsertacompletion timeyaitu waktu yang dibutuhkan untuk melakukanswitch migrationdari con-troller masterkecontroller slave.
Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk merancang arsitekturMultiple Dsitributed Controllerpada jaringan SDN dengan menerapkan mekanismeDynamic Switch Migrationuntuk mencegah permasalahan kelebihanloadpadacontroller
danSingle Point of Failureagar fungsi dari sebuahcontrollerpada sebuah jaringan SDN tetap terjaga. Disamping itu dapat diketahui pengaruh arsitekturMultiple Distributed Controllerterhadap performansi jaringan SDN dengan paramaterthroughputdanCompletion Timesaat terjadiswitch migration.
Organisasi Tulisan
Pada bagian selanjutnya terdiri dari studi terkait, sistem yang dibangun, evaluasi dan kesimpulan. Pada bagi-an studi terkait akbagi-an dijelaskbagi-an studi literatur dbagi-an teori dasar mengenai topik ybagi-ang dibagi-angkat pada penelitibagi-an ini. Penjelasan mengenai desain arsitektur dan implementasi sistem yang dibangun akan dijelaskan lebih lanjut pada bagian sistem yang dibangun. Hasil dari implementasi akan dianalisis pada bagian evaluasi. kemudian hasil dari uraian yang didapat dari penelitian akan ditampilkan pada bagian kesimpulan.
2.
Studi Terkait
Pada penelitian sebelumnya,Dynamic Switch MigrationpadaMultiple Distributed Controllerdigunakan un-tuk menangani load balancing menggunakan metodeload infroming strategy[8]. Metode ini diterapkan pada
controllerdengan empat komponen utama yakni,load measurment,load informing,balance decision dan swi-tch migration. metode ini memungkinkan untuk setiap controller berbagi data load informationsatu sama lain. Apabila ditemukancontroller dengan beban trafik yangoverload akan dilakukanbalance descisonyang mana menentukancontrollerdengan beban terberat, menentukanswitchyang akan dipindahkan serta menentukan terget
switch. setelah komponenbalance descisondilakukan, maka akan dijalankanswitch migrationkomponen yang mana memindahkan beban trafikswitchkecontrollerdanswitchyang menjadi target.
Pada penelitian [9],Dynamic Switch Migrationdi implementasikan menggunakan database untuk menyimpan
load informationdan status dari setiapcontroller.Databaseakan melakukanupdatedata setiap saat untuk menye-suaikan fluktuasi data di setiap controller. Algortimaload balancing and failure recoveryakan mealakukanload
data statuscontrollerdanload informationdari database. apabila terdeteksi bahwa beban padaswitch overload, maka algoritmaload balancing and failure recoveryakan dijalankan untuk memindahkan beban trafik ke controller yang memiliki beban trafik paling minimal.
Pada penelitian[10], DALB adalah metode yang memungkinkan setiapcontroller dapat melakukanload ba-lancing decisonsecara lokal. Jika ditemukanoverloaded controllermaka akan mekanismebalance decisionakan dijalankan. Sebelum mekanismebalance decisiondijalankan secara lokal, maka akan dataload informationdari seluruhcontrollerakan dikumpulkan terlebih dahulu sebagai informasi ketika akan dilakukan mekanismebalance decision.
Dynamic Switch Migration
Dynamic Switch Migrationadalah pendekatan yang dapat menangani (Single Point of Failure) danload balan-cing[1]. Dynamic Switch Migrationdapat diimplemtasikan ke dalam tiga studi kasus. Pertama, jika beban trafik melampaui kapasitas semuacontroller, maka ada penambahancontrollerbaru dan beban trafikswitchdipindahkan kecontrollertersebut[7]. kedua, jikacontroller dimatikan atausleepmakaswitchdimigrasikan[7]. ketiga, jika
trafik tinggi kecontrollerlain yang bebannya tidakoverload[7].
Software Defined Network
Software Defined Networkadalah suatu paradigma jaringan yang memisahkan antaracontrol planedandata plane[1]. SDN menggunakanCentralized Control PlanedanDistributed Forwarding Data Plane, dua bagian yang saling terpisah satu sama lain[9]. Protokol antarmuka pada SDN memungkinkan SDN dapat di program. Protokol antarmukanorthboundmenyediakan interaksi antaraApplication planedenganControl plane, sedangkanprotokol antrmuka Southbound menyediakan interaksi antaraControl planedenganData plane[9].
Gambar1. ArsitekturSoftware defined network[3]
Load Balancing
Load Balancingadalah metode yang digunakan untuk pembagian beban trafik data dalam jaringan. metode ini mendistribusikan beban trafik pada dua atau lebih jalur koneksi dengan seimbang agar trafik dapat berjalan secara optimal. Selain ituload balancingmembagi beban secara merata pada sebuah sistem jaringan atau sumber daya lainnya untuk mendapatkan pemanfaatanresourcedanperformansiyang maksimal.
Open Flow Protocol
Open Flow Protocoladalah protokol yang menjadi standar komunikasi padaSoftware Defined Network.Open Flowmenjadi protokol komunikasi yang memungkinkan interaksi antaracontrol planedengandata planesecara baik[6].
3.
Sistem yang Dibangun
3.1
Perancangan Arsitektur Sistem
Perancangan arsitekturMultiple Distributed Controllerterdiri dari dua bagian yaitu perancangan topologi dan perancangansoftware. Perancangan topologi pada penelitian ini menggunakan topologiFat treeyang terdiri dari 2 buahcontrollerdan empat buahOpen Flow Switch. Masing-masingswitchakan terhubung pada keduacontroller
denganroleyang berbeda. Ilustrasi topologiMultiple Distributed Controllerdapat dilihat pada gambar 2
berdasarkan topologi diatas C1 bertindak sebagaicontroller masterdan C2 sebagaicontroller slave. C1 seba-gaicontroller mastermemiliki tanggung jawab penuh terhadap jaringan dengan status ACTIVE dan C2 sebagai
controller slaveakan menjadibackup. Apabila C1 mengalami kelebihanloadyang ditandai dengan banyaknya
Packet inyang diterima maka C2 akan menghandel beberapaswitchdengan mengubah peran dariROLE SLAVE
menjadiROLE MASTER, dan apabila C1 mengalamifailuremakan C2 akan mengubah peran seluruhswitchdari
ROLE SLAVEmenjadiROLE MASTERsehingga kinerja jaringan tidak terputus.
3.2
Load collection
Load collectionadalah modul yang dirancang untuk menanganiarrival packet-in rate. Modul ini akan meng-hitung setiappacket-inyang datang kecontrollerdan menjadikannya sebagailoaddari sebuahcontroller. Modul ini hanya akan berjalan padacontrollerdengan peranROLE MASTERterhadapswitchyang terhubung.
Gambar2. Topologi Multiple Distributed Controller
3.3
Switch Migration
Switch Migrationadalah mekanisme yang dijalankan melaluiREST API Serviceyang disediakan oleh floodli-ght[3].Switchdengan peranROLE MASTERyang terhubung padacontroller masterdan peranROLE SLAVEyang terhubung padacontroller slaveakab dibalik perannya pada masing-masingcontroller. Mekanisme ini dilakukan agar kedua controller dapat bekerja sama dalam meng-handle load(arrival packet in rate) dari setiap switch.
3.4
Spesifikasi Software
Berdasarkan rancangan topologi dan mekanisme yang telah ditentukan, maka diperlukan software untuk men-dukung rancangan tersebut. Berikut adalahsoftwareyang digunakan:
1. Ubuntu 16.04 LTS, sebagai sistem operasi. 2. Floodlight 1.2 sebagai controller
3. Mininet sebagai emulator untuk mensimulasikan jaringan 4. Eclipse sebagaitoolsuntuk memprogram Floodlight.
5. Cbench sebagaiController Benchmarkinguntuk menganalisis performansicontroller
3.5
Skenario Pengujian
Skenario Pengujian ThroughputSkenario pengujian ini dilakukan dengan menjalankan keduacontrolleryang terhubung pada emulatormininet
[5]. Dengan menggunakan Cbench [2] sebagaitoolsuntukbenchmarking controller, makacontrollerakan dites dengan konfigurasi 16 switch, 1000MAC addressserta dijalankan dalam modethroughput. pengujian ini dijalank-an sebelum ddijalank-an sesudah controller melakukdijalank-answitch migrationuntuk mengetahui perbandingan nilaithroughput
antarasingle controllerdandouble Controller.
Skenario Pengujian Completion Time
Skenario pengujian ini dilakukan dengan menjalankan keduacontrolleryang terhubung pada emulatormininet
dengan konfigurasi sesuai arsitektur yang telah dirancang. Controller dibiarkanrunningselama 45 detik. Pada saat detik ke-10 ketikacontrollermenerima peningkatan jumlahpacket-insecara signifikan maka dilakukanswitch migrationdengan menggunakanRest API Serviceseperti pada gambar 3 dan gambar 4
pergantianroledilakukan pada dua buah switch sehinggamasing-masing controller C1 dan C2 akan
meng-handledua buahswitchdenganROLE MASTER. setelah dilakukannya skenario ini, kinicontroller slaveatau C2 ikut meng-handle switchyang terhubung dengan peranROLE MASTER.
Skenario Pengujian Single Point of Failure
Pada pengujian ini keduacontrollertelah berjalan dan terhubung padamininetsesuai degan arsitektur yang sudah dirancang. Untuk mengetahui mekanismeDynamic Switch migrationberjalan ketikacontrollermengalami
Gambar3. Perintah pergantian Role dari Master ke Slave
Gambar4. Perintah pergantian Role dari Slave ke Master
4.
Evaluasi
4.1
Hasil dan Analisis Uji Throughput
Berdasarkan hasil dari skenario pengujianThroughputyang dilakukan selama 100 detik terhadapsingle contro-llerdandouble controllermenghasilkan nilaithroughputyang berbeda. Berdasarkan grafik pada gambar 5, nilai
throughputdaridouble controller lebih besar jika dibandingkan dengansingle controller. rata-rata responses/s yang dapat diterima olehdouble controllersebesar 30.817responses/s sedangkansingle controllerhanya dapat menerima 23.848responses/s. Hal ini terjadi karenadouble controllermembagi tugas dalam mengatur kinerja
switch.seperti yang kita ketahui,switchadalah perangkat yang mengirimkanpacket inkepadacontroller. ketika sebagian switch dimigrasikan kecontroller slavemaka beban daricontroller mastertidak terlalu berat yang mana dalam hal ini dapat meresponpacket inyang lebih banyak.
4.2
Hasil dan Analisis Uji Completion Time
Evaluasi terhadap hasil dari ujicompletion timeadalah untuk mengetahui seberapa lamacontroller slave/C2 dapat meresponpacket inketika terjadiswitch migration. Seperti yang kita ketahui, jumlahPacket inyang diterima olehcontrolleradalah nilailoaddaricontrollertersebut. Berdasrkan grafik pada gambar 6, dapat dilihat bahwa pada detik ke-10 terjadi peningkatan jumlahpacket insecara signifikan yang menyebabkan harus dilakukannya
switch migration.switch migrationdilakukan pada detik ke-10 dengan memigrasikan dua buahswitchkecontroller slave/C2 daricontroller master/C1. terlihat pada detik ke-27controller slave/C2 mulai menerimapacket-inyang menunjukan bahwacontroller slave/C2 sudah meng-handlesetiap aktivitasswitch. Waktu yang dibutuhkan sejak dilakukannyaswitch migrationterhadapcontroller slave/C2 menerimapacket inadalah 17 detik dan hingga detik ke-45 keduacontrollermenerimapacket-insecara bersamaan. Hal ini menunjukan adanya pembagian penanganan
loadpada keduacontrollertersebut.
Gambar6. Uji Completion Time
4.3
Hasil dan Analisis Uji Fungsionalitas
SPoF
Pada pengujian ini keduacontrollerberjalan dan terhubung denganmininetsesuai dengan arsitektur yang telah ditentukan.cotroller master/C1 dan cotroller slave/C2 terhubung masing-masing pada empat buahswitchdengan peranROLE MASTERdanROLE SLAVE. Berdasarkanlog controller slave/C2 pada gambar 7, dapat dilihat bahwa seluruhswitchdaricontroller master/C1 telah dimigrasikan kecontroller slave/C2. Hal ini terjadi berdasarkan skenario yang dijalankan pada pengujianSingle Point of Failureyang manacontroller master/C1 di-shutdown
sehingga mekanismeDynamic Switch Migrationdijalankan agar kinjera jaringan tidak terputus.
Gambar7. Log Controller Slave saat terjadi Switch Migration
5.
Kesimpulan
Berdasarkan dari hasil pengujian terhadap desain arsitekturMultiple Distributed Controllermenggunakan meka-nismeDynamic Switch Migrationdengan melakukan ujithroughput,Completion timedan uji fungsionalitas untuk mengatasi masalahSingle Point of Failure, penggunaan arsitekturMultiple Distributed Controllermempengaruhi performansi dengan menghasilkan nilaithroughputyang lebih besar yaitu 30.817 responses/s jika dibandingkan dengansingle controller. Hal ini menandakan desain arsitektur ini dapat menangani masalah kelebihanload pa-dacontroller. Disamping itu lamanya waktu yang dibuthkan/completion timeuntuk memigrasikanswitchhanya
sekitar 17 detik. Dan desain arsitektur ini dapat mengatasi masalahSingle Point of Failuredengan memigrasikan seluruhswitchdaricontroller master/C1 kecontroller slave/C2 sehingga kinerja jaringan tidak terganggu bahkan terputus. Untuk penelitian selanjutnya yang berkaitan dengan arsitekturMultiple Distributed Controller menggu-nakan mekanismeDynamic Switch Migrationadalah menambahkan mekanisme/metode yang dapat meng-handle
masalah kelebihanloaddanSingle Point of Failureuntukcontrollerdengan jumlah lebih dari dua buah.
Daftar Pustaka
[1] M. F. Bari, A. R. Roy, S. R. Chowdhury, Q. Zhang, M. F. Zhania, R. Ahmed, and R. Boutaba. Dynamic controller provisioning in software dened network. InProceedings of the 9th International Conference on Network and Service Management (CNSM 2013), pages 18–25, Oct 2013.
[2] Cbench. https://floodlight.atlassian.net/wiki/spaces/floodlightcontroller/pages/1343657/cbench+new. Acces-sed: May 08,2018.
[3] Floodlight. https://floodlight.atlassian.net/wiki/spaces/floodlightcontroller/pages/1343542. Accessed: March 10,2018.
[4] W. Lan, F. Li, X. Liu, and Y. Qiu. A load balancing strategy of sdn controller based on distributed decision. In2018 10th International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA), pages 259 – 262, April 2018.
[5] Mininet. https://mininet.org. Accessed: March 20, 2018.
[6] OpenFlow. https://www.opennetworking.org/sdn-definition/. Accessed: December 10,2017.
[7] C. Wang, B. Hu, S. Chen, D. Li, and B. Liu. A switch migration-based decision-making scheme for balancing load in sdn. InIEEE Access ( Volume: 5 ), pages 4537 – 4544, March 2017.
[8] J. Yu, Y. wang, K. Pei, S. Zhang, and J. Li. A load balancing mechanism for multiple sdn controllers based on load informing strategy. In2016 18th Asia-Pacific Network Operations and Management Symposium (APNOMS), pages 1–4, Nov 2016.
[9] H. Zhong, J. Sheng, J. Cui, and Y. Xu. Scplbs: A smart cooperative platform for load balancing and security on sdn distributed controllers. InCybernetics (CYBCONF), 2017 3rd IEEE International Conference on, pages 1–6, July 2017.
[10] Y. Zhou, M. Zhu, L. Xiao, L. Ruan, W. Duan, D. Li, R. Liu, and M. Zhu. A load balancing strategy of sdn controller based on distributed decision. InTrust, Security and Privacy in Computing and Communications (TrustCom), 2014 IEEE 13th International Conference on, pages 851 – 856, sept 2014.
![Gambar 1. Arsitektur Software defined network[3]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3774113.2467383/6.892.319.575.265.493/gambar-arsitektur-software-defined-network.webp)
