Σύγχρονες αρχιτεκτονικές δικτύων για παροχή

ετερογενών υπηρεσιώνΔρ. Αναστάσιος Κούρτης Δ/ντής Ερευνών, Ινστιτούτο Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

2

Εργαστήριο Δικτύων Πολυμέσωνhttp://www.medianetlab.gr

• Ένα από τα 6 εργαστήρια του Ινστιτούτου Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών.• Κατά την τελευταία δεκαετία, έχει συμμετάσχει σε 11 ευρωπαϊκά ερευνητικά έργα με

συνολικό προϋπολογισμό για το Δημόκριτο περίπου 10 εκ. ευρώ

Ενδεικτικά Ερευνητικά ενδιαφέροντα:• Αρχιτεκτονικές δικτύων νέας γενιάς για πολυμεσικές υπηρεσίες• Δίκτυα υπολογιστών και ιδεατές δικτυακές υπηρεσίες (Virtual Νetwork Φunctions)• 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 Introduction 1-3

• Εκατομμύρια συνδεδεμένες υπολογιστικές συσκευές

• για τελικό χρήστη (PC, laptop, cellular, handheld)

• Για πάροχο υπηρεσίας (server) Home network

Institutional network

Mobile networkGlobal ISP

Regional ISP

router

PC

server

wirelesslaptopcellular handheld

wiredlinks

access points

Κανάλια επικοινωνίας Οπτικές ίνες Χαλκός Η/Μ ακτινοβολία δορυφόροι

Δρομολογητές : προωθούν πακέτα δεδομένων στις κατάλληλες διευθύνσεις

Βασικά δομικά στοιχεία του Internet

4

Μια υπηρεσία/εφαρμογή αφορά την μεταφορά δεδομένων (data) από τον παραγωγό (service producer) στον καταναλωτή (service consumer) μέσω του δικτύου.

Πως παρέχεται μια υπηρεσία/εφαρμογή

service producer

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

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

5

Παροχή πολλαπλών υπηρεσιών/εφαρμογών

• Τα πακέτα μοιράζονται τους δικτυακούς πόρους

• 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 2: Application Layer 6

• 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• ……….

Μερικές υπηρεσίες/εφαρμογές

• Το δίκτυο είναι «αγνωστικό» του περιεχομένου (content agnostic) • η υπηρεσία είναι «αγνωστική» του δικτύου (network agnostic)

7 2: Application Layer 7

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»

Απαιτήσεις των υπηρεσιών από το δίκτυο

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

8

• 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)

Αντικειμενικές μετρικές ποιότητας υπηρεσιών video και πολυμέσων (Quality of Service QoS)

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

9

Όταν το εύρος ζώνης του δικτύου επαρκεί, η ποιότητα μπορεί να είναι όσο καλή θέλουμε

Ποιότητα υπηρεσιών και δίκτυο

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 δρομολογητών και στις φυσικές συνδέσεις

10

Για δεδομένο εύρος ζώνης η έρευνα προσανατολίζεται στο πως θα δοθεί η καλύτερη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας με :• Διαφοροποίηση της υπηρεσίας στο δίκτυο• Μείωση του ρυθμού κωδικοποίησης

Ποιότητα υπηρεσιών και δίκτυο

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 (DiffServ Code Point, 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

LSP 1 LSP 2LSP 3

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

MPLS (Multiprotocol Label Switching)

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

• Οι καμπύλες προσδιορίζουν και τον τύπο του video (π.χ. δυναμικό περιεχόμενο – ποδόσφαιρο ή στατικό – συνέντευξη)

• 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)

ΑC

B

D

QoS και ρυθμός κωδικοποίησης

17

Μέθοδοι αντιστοίχισης NQoS to PQoS NQoS -> (throughput /packet loss / delay / jitter) Έρευνα αντιστοίχισης NQoS to PQoS σε επίπεδο • ροής μιας υπηρεσίας (per flow) • Aggregate (πολλών υπηρεσιών)

Bit rate υπηρεσίας

PQoS

t

Throughput δικτύου

NQoS και PQoS

18

Χρειάζεται κεντρική διαχείρισηMonitoring πολύ σημαντικό σε όλα τα επίπεδα

Δυναμική (σε πραγματικό χρόνο) πολύ-επίπεδη προσαρμογή

Cross layer adaptationPQoS

monitoring

A/V encoder

Terminal

Manager

Network

configurationMonitoring

data

Bit rate setting

PQoS metric

Physical layerControl layer

• Φυσικό επίπεδο (διαμόρφωση, FEC κλπ) • δικτυακό (διαφοροποίηση υπηρεσίας DiffServ, MPLS) • εφαρμογής (encoding bit rate)

19

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

Content aware networksNetwork aware services

20

LSP 1 LSP 2LSP 3

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

1. Τα πακέτα φτάνουν μαρκαρισμένα από τον εξυπηρετητή της υπηρεσίας

Αναγνωρίζονται και τοποθετούνται στην κατάλληλη διαδρομή (LSPi)

Στο δίκτυο είναι ενεργοποιημένο

το MPLS

21

LSP 1 LSP 2LSP 3

Content aware networks (Δίκτυα με γνώση του περιεχομένου)

Στο δίκτυο είναι ενεργοποιημένο

το MPLS

2. Τα πακέτα δεν είναι μαρκαρισμένα

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 :

1. Αναγνώριση service port (π.χ. Port 21 = ftp)2. 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)

3. Με στατιστικές μεθόδους, όπου υπολογίζονται στατιστικά στοιχεία της ροής (π.χ. Packet inter-arrival time)

4. 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)

SVC A/V encoder Core NetworkSVC

layers

TV access network

Mobile phone access network

WiFi access network

Basic

Enhancement 1

Enhancement 2

Αναγνώριση πακέτων

24

Η μέτρηση (monitoring) των πόρων από 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 υπηρεσίαςΧρειάζεται ένας αφαιρετικός τρόπος παρουσίασης που γίνεται με ένα middleware

Network aware services(Υπηρεσίες με γνώση του δικτύου)

Έξυπνοι agents συλλέγουν πληροφορίες για του πόρους του συστήματοςκαι μετατρέπονται σε γενικευμένες παραμέτρους στο middleware.

2525

Access Network

RawCPU, Memory, ThroughputLoss, Delay, jitterCPU, Memory,

Status, location

Video Server Core Network

terminal

Middleware (Normalised, abstracted monitoring values)

Service manager

monitoringmonitoring

Η υπηρεσία μπορεί να αυτοπροσαρμοστεί ως 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)

agentagent

Αλλαγή εξυπηρετητή

MPEG-DASHTranscoding

Network aware services

26

Ενώ παλαιότερα το λογισμικό ήταν απόλυτα συνδεδεμένο με την αντίστοιχη συσκευή (hardware specific) η σύγχρονη τάση είναι η σταδιακή αποσύνδεσή τους.

Ιδεατά (Εικονικά) δίκτυα (Network Virtualisation)

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

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

Ιδεατά δίκτυα

28

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

Ιδεατά δίκτυα

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 Νetwork Function Store, περιέχει NFs που έχουν αναπτυχθεί από εξωτερικούς προγραμματιστές (developers)

• Tη Brokerage Platform, για τους πελάτες να συναλλάσσονται με τον T-NOVA πάροχο αλλά και τους εξωτερικούς Function Developers

Το Τ-ΝΟVA εισάγει την έννοια του “Network Function Store”, κατ’αντιστοιχία του επιτυχημένου “App Stores”.

Δημιουργείται ένα νέο επιχειρηματικό μοντέλο όπου νέοι προγραμματιστές μπορούν να διαθέσουν τις ιδέες / προϊόντα τους απευθείας σε πελάτες

31

• 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

Μερικά πλεονεκτήματα του NFV/SDN

32

• 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.

Μερικά πλεονεκτήματα του NFV/SDN

33

Ευχαριστώ

για την προσοχή σας !

Δρ. Αναστάσιος Κούρτηςkourtis@iit.demokritos.gr

Tel.: +30 210 650 3166