Σύγχρονες αρχιτεκτονικές δικτύων για παροχή ετερογενών υπηρεσιών

1. Σύγχρονες αρχιτεκτονικές δικτύων για παροχή ετερογενών υπηρεσιών Δρ. Αναστάσιος Κούρτης Δ/ντής Ερευνών, Ινστιτούτο Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

2. Εργαστήριο Δικτύων Πολυμέσων http://www.medianetlab.gr • Ένα από τα 6 εργαστήρια του Ινστιτούτου Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών. • Κατά την τελευταία δεκαετία, έχει συμμετάσχει σε 11ευρωπαϊκά ερευνητικά έργα με συνολικό προϋπολογισμό για το Δημόκριτο περίπου 10 εκ. ευρώ Ενδεικτικά Ερευνητικά ενδιαφέροντα: • Αρχιτεκτονικές δικτύων νέας γενιάς για πολυμεσικέςυπηρεσίες • Δίκτυα υπολογιστών και ιδεατές δικτυακές υπηρεσίες (Virtual ΝetworkΦunctions) • Συστήματα ψηφιακής ευρυεκπομπής(DVB-T/T2, DVB-S/S2, DVB-H) • Μηχανισμοί για End-to-end QoS • Μέθοδοι εκτίμησης ποιότητας ψηφιακού video, (MPEG και Η.26x) και αντικειμενικής πρόβλεψης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας υπηρεσιών video (PQoS) Η παρούσα παρουσίαση είναι διαθέσιμη στη διεύθυνση: http://www.medianetlab.gr/education

3. Mobile network Global ISP Home network Regional ISP access points wired links Institutional network router Βασικά δομικά στοιχεία του Internet PC • Εκατομμύρια συνδεδεμένες υπολογιστικές συσκευές • για τελικό χρήστη (PC, laptop, cellular, handheld) • Γιαπάροχο υπηρεσίας (server) wireless laptop cellular handheld server • Κανάλια επικοινωνίας • Οπτικές ίνες • Χαλκός • Η/Μ ακτινοβολία • δορυφόροι • Δρομολογητές :προωθούν πακέτα δεδομένων στις κατάλληλες διευθύνσεις Introduction 1-3

4. Πως παρέχεται μια υπηρεσία/εφαρμογή • Μια υπηρεσία/εφαρμογή αφορά την μεταφορά δεδομένων (data) από τον παραγωγό (service producer) στον καταναλωτή (service consumer) μέσω του δικτύου. • service producer • Τα δεδομένα που αφορούν την κάθε υπηρεσία χωρίζονται σε πακέτα και δημιουργούνται ροές πακέτων από το ένα σημείο του δικτύου (producer) στο άλλο (consumer). • Η «πακετοποίηση» μπορεί να γίνει στο επίπεδο της υπηρεσίας, αλλά και στο επίπεδο του δρομολογητή • service consumer • Τα πακέτα έχουν πληροφορίες για : • την διεύθυνση (IP address) του αποστολέα, • την διεύθυνση του παραλήπτη, • για έλεγχο λαθών • τα κυρίως δεδομένα (payload) • κλπ

5. Παροχή πολλαπλών υπηρεσιών/εφαρμογών • Τα πακέτα μοιράζονται τους δικτυακούςπόρους • Κάθε πακέτο χρησιμοποιεί όλο το εύρος ζώνης του καναλιού Ανταγωνισμός για τους δικτυακούς πόρους : • Οι συνολικές απαιτήσεις των υπηρεσιών μπορεί να υπερβούν το ποσόν των πόρων που είναι διαθέσιμα (π.χ. εύρος ζώνης) • Ανταγωνισμός: τα πακέτα μπαίνουν σε ουρά (ες) περιμένοντας να χρησιμοποιήσουν το κανάλι • Αποθήκευση και προώθηση: τα πακέτα μετακινούνται μόνο κατά ένα άλμα (hop) κάθε φορά • Ο δρομολογητής πρέπει να λάβει όλο το πακέτο πριν το προωθήσει

6. Μερικές υπηρεσίες/εφαρμογές • e-mail • web • streaming of stored video/multimedia • streaming of live video • Video conferencing • Voice over IP • Social networking (facebook, tweeter …) • File transfer (ftp) • P2P file sharing • multi-user network games • ………. • Το δίκτυο είναι «αγνωστικό» του περιεχομένου (content agnostic) • η υπηρεσία είναι «αγνωστική» του δικτύου (network agnostic) 2: Application Layer 6

7. Απαιτήσεις των υπηρεσιών από το δίκτυο Απώλεια πακέτων • Μερικές υπηρεσίες (π.χ. φωνή, video) μπορούν να «ανεχτούν» μερικές απώλειες • Άλλες υπηρεσίες(π.χ. file transfer, telnet) απαιτούν 100% αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων Χρόνος • Μερικές υπηρεσίες (π.χ. Internet telephony, interactive games) απαιτούν μικρή καθυστέρηση πακέτων (low delay) για να είναι «αποτελεσματικές» • Εύρος ζώνης καναλιού (bandwidth, network throughput) • Μερικές υπηρεσίες (π.χ. πολυμέσα) απαιτούν συγκεκριμένο throughput για να είναι «αποτελεσματικές» • Άλλες υπηρεσίες (ελαστικές) χρησιμοποιούν όσο throughput μπορούν να βρούν 2: Application Layer 7

8. Αντικειμενικές μετρικές ποιότητας υπηρεσιών video και πολυμέσων (QualityofServiceQoS) Οι μετρικές που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της ποιότητας υπηρεσιών video είναι υποκειμενικές και υλοποιούνται με τη χρήση ακροατηρίου. Επειδή είναι χρονοβόρες, για την αυτοματοποιημένη μέτρηση της ποιότητας έχουν αναπτυχθεί αντικειμενικές μέθοδοι που προσομοιάζουν την εκτίμηση του ακροατηρίου • PQoS (Perceived QoS/ αντιλαμβανόμενη ποιότητα) • QoE (Quality of Experience / είδος του τερματικού, οθόνη, η θέση, ο φωτισμός κλπ) • Παράμετροι κωδικοποίησης που επηρεάζουν την ποιότητα video • Τύπος κωδικοποίησης (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.265) • Ρυθμός κωδικοποίησης (encoding bit rate) • Ρυθμός των πλαισίων/sec (frame rate)

9. Ποιότητα υπηρεσιών και δίκτυο Όταν το εύρος ζώνης του δικτύου επαρκεί, η ποιότητα μπορεί να είναι όσο καλή θέλουμε • Παράμετροι δικτύου που επηρεάζουν την ποιότητα video • Εύρος ζώνης (throughput, bandwidth) εξαρτάται από την τεχνολογία και το είδος του καναλιού • Απώλεια πακέτων (packet loss) • Καθυστέρηση πακέτων (delay) • Χρονική διαφορά άφιξης πακέτων (Jitter) • Οφείλονται στις ουρές των δρομολογητώνκαι στις φυσικές συνδέσεις

10. Ποιότητα υπηρεσιών και δίκτυο • Για δεδομένο εύρος ζώνηςη έρευνα προσανατολίζεται στο πως θα δοθεί η καλύτερη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας με : • Διαφοροποίηση της υπηρεσίας στο δίκτυο • Μείωση του ρυθμού κωδικοποίησης

11. Τι μπορεί να διαφοροποιηθεί στο δίκτυο, ώστε να βελτιώσει την ποιότητα μιας υπηρεσίας Γενική μέθοδος : Οι ροές, που απαιτούν συγκεκριμένη ποιότητα υπηρεσίας, ταξινομούνται σε διαφορετικές κλάσεις και τι δίκτυο δίνει διαφορετικές προτεραιότητες στις κλάσεις αυτές • Τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται για ταξινόμηση και διαχείρισης QoS είναι : • DiffServ(Differentiated Services) • MPLS (Multiprotocol Label Switching)

12. DiffServ (Differentiated Services) Κάθε πακέτο που εισέρχεται στο δίκτυο DiffServ μαρκάρεται με ένα κωδικό σημείο Διαφοροποιημένων Υπηρεσιών (DiffServCodePoint, DSCP) σε ένα καινούριο πεδίο της επικεφαλίδας ΙΡ, το πεδίο DS, για να δηλώσει ποια κλάση πρέπει να λάβει το πακέτο Οι μαρκαρισμένες κλάσεις έχουν διαφορετική μεταχείριση (διαφορετική πιθανότητα απόρριψης) στην ουρά αναμονής του δρομολογητή. Έτσι, κάποιες υπηρεσίες έχουν καλύτερη QoS

13. MPLS (Multiprotocol Label Switching) Το MPLS προσθέτει μια επικεφαλίδα (label) που περιέχει συγκεκριμένες πληροφορίες δρομολόγησης σε κάθε πακέτο IP και επιτρέπει στους δρομολογητές να δημιουργήσουν διαφορετικές διαδρομές ανάμεσά τους ανάλογα με τις κατηγορίες ροών/υπηρεσιών. Σε κάθε ακραίο (ingress) δρομολογητή μια MPLS επικεφαλίδα εισάγεται στο πακέτο πριν προωθηθεί. Κάθε δρομολογητής αναγνωρίζει την επικεφαλίδα και δρομολογεί το πακέτο ανάλογα.

14. MPLS (Multiprotocol Label Switching) Ο διαχειριστής του δικτύου φτιάχνει εκ των προτέρων «δικτυακές διαδρομές» με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (π.χ. throughput ή delay). Δηλ. ενεργοποιεί το MPLS και φτιάχνει Label Switched Paths (LSP) Ανάλογα με το είδος του πακέτου, αυτό παίρνει το κατάλληλο label και από κει και πέρα ακολουθεί το αντίστοιχο LSP Στο δίκτυο είναι ενεργοποιημένο το MPLS LSP 1LSP 2 LSP 3

15. MPLS (Multiprotocol Label Switching) Me χρήση συγκεκριμένων πλαισίων διαχείρισης (management frameworks) μπορούμε να δώσουμε QoS με έξυπνη χρήση του MPLS. Oι υπηρεσίες MPLS εξυπηρετούνται με προτεραιότητα σε σχέση με τις μη MPLS, προσφέροντας σε αυτές καλύτερη QoS

16. QoSκαι ρυθμός κωδικοποίησης • Μπορούμε να ελαττώνουμε το bit rate (σε κάποιες περιπτώσεις π.χ. Α-> Β) χωρίς να μειώνεται σημαντικά η ποιότητα • Σημαντικό είναι να προσδιοριστεί το σημείο καμπής ( D) Α B C D • Οι καμπύλες προσδιορίζουν και τον τύπο του video(π.χ. δυναμικό περιεχόμενο – ποδόσφαιρο ή στατικό – συνέντευξη)

17. NQoSκαι PQoS PQoS Throughput δικτύου Bit rate υπηρεσίας t • Μέθοδοι αντιστοίχισης NQoS to PQoS • NQoS -> (throughput /packet loss / delay / jitter)Έρευνα αντιστοίχισης NQoS to PQoSσε επίπεδο • ροής μιας υπηρεσίας (per flow) • Aggregate (πολλών υπηρεσιών)

18. Δυναμική (σε πραγματικό χρόνο) πολύ-επίπεδη προσαρμογή Manager Cross layer adaptation PQoS metric Bit rate setting Monitoring data configuration PQoS monitoring Network Physical layer Terminal • Φυσικό επίπεδο (διαμόρφωση, FEC κλπ) • δικτυακό (διαφοροποίηση υπηρεσίας DiffServ, MPLS) • εφαρμογής (encoding bit rate) Control layer A/V encoder Χρειάζεται κεντρική διαχείριση Monitoring πολύ σημαντικό σε όλα τα επίπεδα

19. Content aware networks • Network aware services Η κεντρική διαχείριση είναι μειονέκτημα όσον αφορά τη συνεργασία παρόχων δικτυακών υπηρεσιών Υπάρχει ανάγκη για πιο κατανεμημένες (distributed) τεχνικές λύσεις που οδηγούν σε νέα επιχειρηματικά συνεργατικά μοντέλα, χωρίς κεντρική διαχείριση

20. Content aware networks • (Δίκτυα με γνώση του περιεχομένου) Η γνώση του περιεχομένου στο δικτυακό επίπεδο στηρίζεται σε μεθόδους και τεχνικές βαθειάς επιθεώρησης των πακέτων (Deep Packet Inspection) Η αναγνώριση των πακέτων γίνεται με δύο βασικούς τρόπους Στο δίκτυο είναι ενεργοποιημένο το MPLS 1. Τα πακέτα φτάνουν μαρκαρισμένα από τον εξυπηρετητή της υπηρεσίας LSP 1LSP 2 LSP 3 Αναγνωρίζονται και τοποθετούνται στην κατάλληλη διαδρομή (LSPi)

21. Content aware networks • (Δίκτυα με γνώση του περιεχομένου) Στο δίκτυο είναι ενεργοποιημένο το MPLS 2. Τα πακέτα δεν είναι μαρκαρισμένα LSP 1LSP 2 LSP 3 Αναγνωρίζονται ανάλογα με την υπηρεσία, μαρκάρονται και τοποθετούνται στην κατάλληλη διαδρομή (LSPi)

22. Στη περίπτωση που τα πακέτα δεν είναι μαρκαρισμένα, η αναγνώρισή τους γίνεται με τους εξής τρόπους : Αναγνώριση service port (π.χ. Port 21 = ftp) Με ευρυστικούς αλγόριθμους ,όπου γίνεται προσπάθεια να ταιριάξει μια συγκεκριμένη ακολουθία (string)χαρακτήρων στην κεφαλίδα των πακέτων (π.χ. αναγνώριση πρωτοκόλλου RTP που χρησιμοποιείται σε video) Με στατιστικές μεθόδους, όπου υπολογίζονται στατιστικά στοιχεία της ροής (π.χ. Packet inter-arrival time) Με machine learning τεχνικές, όπου χρησιμοποιούνται πολλαπλά στοιχεία, (π.χ. στατιστικά ροής, packet size, port number, sequence number)

23. Παράδειγμα αναγνώρισης πακέτων σε υπηρεσία SVC (Scalable Video Coding) TV access network Αναγνώριση πακέτων Core Network WiFi access network SVC layers Enhancement 2 Enhancement 1 Mobile phone access network Basic SVC A/V encoder

24. Network aware services • (Υπηρεσίες με γνώση του δικτύου) Η μέτρηση (monitoring)των πόρωναπό άκρη-σε άκρη (CPU, memory των δρομολογητών και των εξυπηρετητών, bandwidth of a link, packet loss, delay, jitter, number of hops κλπ) Στο χαμηλό επίπεδο μπορεί να γίνει με ακρίβεια αλλά είναι άχρηστη για το επίπεδο της υπηρεσίας Χρειάζεται ένας αφαιρετικός τρόπος παρουσίασης που γίνεται με ένα middleware Έξυπνοι agents συλλέγουν πληροφορίες για του πόρους του συστήματος και μετατρέπονται σε γενικευμένες παραμέτρους στο middleware.

25. Network aware services • Η υπηρεσία μπορεί να αυτοπροσαρμοστείως εξής : • Transcoding(αλλαγή encoding bit rate) • MPEG-DASH (το ίδιο video αποθηκευμένο σε διαφορετικό bit rate) • Επιλογή εξυπηρετητή με μικρότερο φόρτο (εφόσον η υπηρεσία βρίσκεται σε 2 τουλάχιστον σημεία) Middleware (Normalised, abstracted monitoring values) monitoring monitoring Service manager Raw CPU, Memory, Throughput Loss, Delay, jitter CPU, Memory, Status, location terminal agent agent Transcoding MPEG-DASH Αλλαγή εξυπηρετητή Video Server Core Network Access Network 25

26. Ιδεατά (Εικονικά) δίκτυα (Network Virtualisation) Ενώ παλαιότερα το λογισμικό ήταν απόλυτα συνδεδεμένο με την αντίστοιχη συσκευή (hardware specific) η σύγχρονη τάση είναι η σταδιακή αποσύνδεσή τους. • Μια γενικής χρήσης συσκευή (π.χ. server) μπορεί να γίνει • δρομολογητής • video streamer • firewall • VPN gateway • traffic analysis tool • ακόμα και mobile network node (GGSN, Node B κλπ) • ανάλογα με το λογισμικό που τρέχει.

27. Ιδεατά δίκτυα Στα δίκτυα η τάση είναι η συγχώνευση πολλών διαφορετικών δικτυακών συσκευών σε τυποποιημένους εξυπηρετητές μεγάλων απαιτήσεων (με πολύ μεγάλη επεξεργαστική ισχύ και αποθηκευτικές δυνατότητες) οι οποίοι εγκαθιστάμενοι στα data centers υλοποιούν δικτυακές λειτουργίες βασισμένοι μόνο στο κατάλληλο λογισμικό Πολλές διαφορετικές συσκευές αντικαθίστανται από τυπικούς servers, storage machines and Ethernet switches

28. Ιδεατά δίκτυα Οι τεχνολογίες που το υποστηρίζουν είναι οι : • Network Functions Virtualisation (NFV) • Software defined Networks (SDN)

29. Το Ευρωπαϊκό έργο Τ-NOVA Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία Network Functions Virtualisation (NFV) δημιουργεί μια πλατφόρμα που επιτρέπει στους παρόχους δικτυακών υπηρεσιών (π.χ. ΟΤΕ) : • Να αναπτύσσουν ιδεατές δικτυακές λειτουργίες (NFs) χωρίς τη χρήση εξειδικευμένων συσκευών για τις δικές τους ανάγκες • αλλά επίσης και να τις προσφέρουν στους πελάτες τους ως υπηρεσίες προστιθέμενης αξίας.

30. Αρχιτεκτονική του T-NOVA • Το Τ-ΝΟVA εισάγει την έννοια του “Network Function Store”, κατ’αντιστοιχία του επιτυχημένου “App Stores”. • Το ΝetworkFunction Store, περιέχει NFs που έχουν αναπτυχθεί από εξωτερικούς προγραμματιστές (developers) • TηBrokerage Platform, για τους πελάτες να συναλλάσσονται με τον T-NOVA πάροχο αλλά και τους εξωτερικούς Function Developers • Δημιουργείται ένα νέο επιχειρηματικό μοντέλο όπου νέοι προγραμματιστές μπορούν να διαθέσουν τις ιδέες / προϊόντα τους απευθείας σε πελάτες

31. Μερικά πλεονεκτήματα του NFV/SDN • Μικρότερο κόστος εξοπλισμού και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της συγχώνευσης των συσκευών και της εκμετάλλευσης της οικονομίας κλίμακας • Η δυνατότητα εκτέλεσης λειτουργιών παραγωγής και δοκιμών στο ίδιο μηχάνημα ταυτόχρονα, ελαττώνει το κόστος ανάπτυξης και τον χρόνο εγκατάστασης • Δυνατότητα εισαγωγής στοχευόμενων υπηρεσιών με γεωγραφικά κριτήρια λόγω του ότι οι υπηρεσίες σε ένα χώρο μπορούν να αυξάνονται ή να ελαττώνονται ανάλογα με τις απαιτήσεις • Βελτιστοποίηση της τοπολογίας του δικτύου αλλάζοντας δυναμικά και σχεδόν άμεσα τους πόρους προστατεύοντας το δίκτυο από διακοπές με ελάχιστο κόστος προσωπικού

32. Μερικά πλεονεκτήματα του NFV/SDN • Υποστήριξη πολλαπλών διαχειριστών επιτρέποντας σε παροχή εξειδικευμένων υπηρεσιών σε πολλαπλούς καταναλωτές καθώς και λειτουργίες εσωτερικές του δικτύου σε άλλους διαχειριστές • Μειωμένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλευόμενοι τις δυνατότητες διαχείρισης της ισχύος, όπως π.χ. η συγκέντρωση του φόρτου εργασίας σε ορισμένους εξυπηρετητές σε ώρες όχι αιχμής, έτσι ώστε άλλοι εξυπηρετητές να κλείνουν • Εύκολη μεταφορά της κίνησης σε άλλο υποδίκτυο για λόγους συντήρησης • Μείωση της ποικιλίας των συσκευών που μειώνει το κόστος συντήρησης και τον σχεδιασμό αγοράς νέου εξοπλισμού.

33. Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Δρ. Αναστάσιος Κούρτης kourtis@iit.demokritos.gr Tel.: +30 210 650 3166