11.07.00 - Institut für Informatik

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Programmierbare
und aktive Netzwerke
Jürgen Quittek
Institut für Informatik
Freie Universität Berlin
Vorlesung Rechnernetze
C&C Research Laboratories
NEC Europe Ltd., Berlin
1-1
Programmierbare Netzwerke
o
Dynamisches Konfigurieren von Netwerkelementen
å Forwarding
å Routing
o
Offene Programmierschnittstelle
å Einzug von Programmier- and Middleware- Paradigmen in
Telekommunikationsnetze
o
Abstraktion von speziellen Netzwerkelementen
1
1-2
Motivation
o
Deregulierung
å Wettbewerb in der Telekommunikation
å Öffnung der Wertschöpfungskette
å offenes und flexibleres Dienstemodell
⇒ offene und flexiblere Netzwerkarchitektur
1-3
Motivation
AT&T Labs ‘98
2
1-4
Motivation
o
Schichtenmodell
å Schlüsselkonzept in der Netzwerktechnologie
• z.B. OSI
å Verringerung von Komplexität
Services
Services and
and Applications
Applications Network
Network
Service Abstractions
Multimedia
Multimedia Network
Network
QoS Abstractions
Broadband
Broadband Network
Network
Lazar ‘97
1-5
Nutzen Programmierbarer Netzwerke
o
Flexibilität
å Routing, Zeichengabe, Betriebsmittelvergabe,
Weiterleitung
å Anwender and Diensteanbieter können Netzwerke
entsprechend ihrer Anforderungen verändern.
å Komposition von Netzwerkdiensten
å Virtuelle Netzwerke
å Evolution der Netzwerktechnologien
• Entwicklung ist schnell
• Zukunft ist schwer vorherzusehen
• hohe Investitionen
3
1-6
Nutzen Programmierbarer Netzwerke
o
Einführung von neuen Diensten
å Schnellere Entwicklung durch Technologien der
Objektorientierten und Verteilten Programmierung
•
•
•
•
Modularisierung
Wiederverwendung
unabhängig vom Ort der Ausführung
dynamische Bindung von Programmkomponenten
å Schnellere Installation
• Unabhängigkeit vom Netzwerkhersteller
å Markt für Dienste- und Konfigurationskomponenten
• Angebot größer, Preise geringer
1-7
Protokoll oder
Programmierschnittstelle?
o
Protokoll
å Welche bits werden wie ausgetauscht zwischen
zwei Netzwerkelementen
å Nicht geeignet Komponentenentwicklung
o
Programmierschnittstelle (API)
å Funktionen mit Typen/Signaturen
å natürlichsprachliche Semantik
å abhängig von einer Programmiersprache oder
in CORBA IDL (Interface Definition Language)
4
1-8
Was wird programmiert?
o
Router-Referenzmodell
Reservation
Reservation
Setup
Setup Agent
Agent
Routing
Routing
Agent
Agent
Admission
Admission
Control
Control
Routing
Routing
Table
Table
Input
Driver
Traffic
Traffic Control
Control Database
Database
Classification/
Classification/
Conditioning
Conditioning
Management
Management
Agent
Agent
Output Queue(s)
Packet Scheduler
1-9
o
Traffic Conditioning
ingress
ingressi/fi/f
classify,
classify,
meter,
meter,
action
action
queue
queue
egress
egressi/fi/f
classify,
classify,
meter,
meter,
action
action
queue
queue
routing
routingcore
core
egress
egressi/fi/f
classify,
classify,
meter,
meter,
action
action
queue
queue
ingress
ingressi/fi/f
classify,
classify,
meter,
meter,
action
action
queue
queue
5
1-10
o
Traffic Conditioning
Traffic Conditioning Block
Control flow
Packet flow
Meter
Meter
Classifier
Classifier
Marker
Marker
Shaper
Shaper
Dropper
Dropper
1-11
o
Classifier definiert durch Filter
å address type (IPv4/IPv6)
å destination address, mask
å source address, mask
å Flags (z.B. DSCP)
å protocol (TCP/UDP)
å min/max destination port
å min/max source port
Filter 2
Classifier
Classifier
…
Filter 1
no match
6
1-12
o
Meter definiert durch Profile
å average rate profile
• min/max packet/bit rate
• period
å exponential weighted moving average rate profile
• period and gain
Profile 1
å token bucket rate profile
Profile 2
Meter
Meter
…
• burst size
no match
1-13
o
Queuing Elements
å Priority Queue
• priority
• Part of Priority Queue Set
å Weighted Fair Queue
• bit rate
• Part of Weighted Fair Queue Set
– total min/max bit rate
å Weighted Round Robin Queue
• packet rate
• Part of Weighted Round Robin Queue Set
– total min/max packet rate
7
1-14
Profile 1
Meter
Meter
WFQueue
WFQueue
Profile 2
Filter 1
Monitor
Monitor
Dropper
Dropper
Filter 2
Classifier
Classifier
WFQueue
WFQueue
Meter
Meter
WFQueue
WFQueue
no match
Marker
Marker
WFQueue
WFQueue
Dropper
Dropper
1-15
o
Weiterleitung von Verkehrsdaten kann in Software
oder Hardware realisiert werden.
o
Software
å general-purpose processor
å gespeicherte Programme zur Weiterleitung
o
Hardware
å Field Programmable Gate Array (FPGA)
å Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
å Programmierbare Netzwerkprozessoren
8
1-16
Wie wird programmiert?
o
Einzug von Programmier- und Middleware-Paradigmen
in Telekommunikationsnetze
å strukturiert
• Funktionen, Module, ...
å objektorientiert
• Vererbung, Wiederverwendung, Kapselung
å verteilt
• Transparenter Zugriff auf Objekte auf verschiedenen Rechnern
å z. B. CORBA, IDL, Java, POSIX C
1-17
o
Field Programmable Gate Array (FPGA)
å Logisches Gatter, das nach Herstellung (in der Regel einmalig)
“programmiert” werden kann.
å ANDs, ORs, NORs, NANDs, Flip-Flops
å Verbindungen als Antifuses oder RAM-Zellen
å Software Werkzeuge
• design, verification, optimization, mapping, partitioning, placement,
routing, bit stream generation
• HDL (Hardware Description Language), VHDL (Very High Speed
Integrated Circuit Hardware Description Language), Verilog
9
1-18
o
Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
å Integrierte Schaltungsentwurf für spezielle Funktionen
å FPGA nicht geeignet für Paketverarbeitungs-funktionen
auf den höheren Protokollschichten
å Komposition von vordefinierten Logikbausteinen
å ASIC-Entwurf mit Standard-Designsoftware und
• Simulationsmodellen, Entwurfsregeln, Standardbibliotheken
1-19
o
Programmierbare Netzwerkprozessoren (PNP)
å kürzere Entwicklungszeiten
å schneller und billiger im Vergleich zu ASIC
• ASIC: Modifikation erfordert neuen Chip
• PNP: Modifikation per Software-Update
å Rainier (IBM)
• 16 programmierbare Protokollprozessoren
– z.B. 40 Fast-Ethernet + 4 GigaBit-Ethernet ports
• zentrale Steuerung mit PowerPC
å IXP-1200 (Intel), C5 (C-Port), ...
10
1-20
Standardisierungen
o
IEEE P1520 PIN Working Group
o
MSF Forum
o
Parlay
o
Softswitch Consortium
o
JAIN Technology Initiative
o
CPIX Forum
1-21
IEEE P1520
o
Application Programming Interfaces
for Networks (PIN)
o
Member
å Columbia University
å Ericsson
å KRDL, Singapore
å NEC
å Xbind Inc
å Nortel
å Alcatel
11
1-22
IEEE P1520
End-User
End-UserApplications
Applications
Value-added
Value-addedCommunication
CommunicationServices
Services
Routing,
Routing,Connection
ConnectionManagement,
Management,
Admission
AdmissionControl,
Control,etc.
etc.
CCM Interface
(connection control
and management)
Physical
PhysicalElements
Elements
U Interface
(upper)
L Interface
(lower)
Virtual
VirtualNetwork
NetworkDevices
Devices
V Interface
(value-added)
1-23
IEEE P1520
Generic
Base
Base
Abstractions
Abstractions
Service-Specific
Functional
Functional
Abstractions
Abstractions
Component
Component
Abstractions
Abstractions
12
Service
Service
Binding
Binding
Abstractions
Abstractions
1-24
MSF
o
Multiservice Switching Forum (MSF)
o
Open Multiservice Switching Model
å einheitliche Übertragungs- und Switching-Infrastruktur
å modulares Schichtenmodell
å offene Schnittstellen für 3rd-Party Softwareoptionen
o
Ziel
å Vereinheitlichung und Verbreitung von Protokollen und
Schnittstellen (ATM, Frame Relay, IP, …)
o
Mitglieder: Internationale Diensteanbieter und
Ausstatter
1-25
1-26
MSF
13
Parlay
o
Gründer: BT, Microsoft, Nortel, Siemens, Ulticom
o
Ziel
å Definition von Schnittstellen zur Benutzung von
ausserhalb der gesicherten Betreibernetzes
å Skalierbarkeit
å Erweiterbarkeit
å Integration von Telekommunikation und
Softwareengineering
å Öffnung traditioneller Telekommunikations-infrastruktur
o
basiert auf DCOM und CORBA
1-27
Parlay
3rd Party
Applications
Call
callback
Call control
manager
callback
Call leg
callback
Messaging
manager
callback
Authentication
callback
Event
notification
callback
Integrity
management
callback
User interaction
manager
callback
Parlay
API
Call control
manager
Messaging
manager
User Interact
manager
Authentication
Call
Mailbox
Call user interaction
Discovery
Call
Folder
Generic user
interaction service
Event
notification
Message
Generic call control
service
Operations,
management
Generic messaging
service
Integrity
management
Parlay Framework
14
1-28
Softswitch
o
Internationales Konsortium über offene Standards und
Interoperabilität von Internet-basierten interaktiven
Echtzeitanwendungen
o
Emulation von Circuit Switching in Software
å Call agents, media gateways
å H.323 (ITU), SIP (IETF), RTP (IETF)
o
Ziel
å Verbreitung von Standards
å Durchführung von Interoperabilitätstests
å Entwicklung von Referenzimplementierungen
å keine Standardisierung
1-29
JAIN
o
Initiative zur Entwicklung von offenen
Telekommunikations Standards (vgl. Parlay)
o
geleitet von Sun Microsystems; Java-basiert
o
Ziel
å Konvergenz von sprachorientierten IN-Netzen und
datenorientierten IP-Netzen
å schnellere, einfachere und billigere Entwicklung und
Installation von Diensten in heterogenen Netzen
o
Mitglieder
å Carrier: AT&T, BT, FT, KPN, NTT, Telcordia, ...
å Vendor: Ericsson, Nokia, IBM, Nortel, Sun, Oracle, ...
15
1-30
CPIX
o
Internationale Organisation zur Verbreitung einer
allgemeinen Programmierschnittstelle zwischen
Kommunikationsprozessoren und anderen Datenund Telekommunikationsgeräten
o
Ziel
å API Standards
å Hardware (CSIX), Software (CPIX)
o
Mitglieder
å C-Port, IBM, ...
1-31
Aktive Netzwerke
o
Spezialfall eines programmierbaren Netzwerks
o
Neben der Programmierschnittstelle werden
hier auch Laufzeitumgebungen zur Ausführung
von Programmen angeboten, welche die
Programmierschnittstelle benutzen.
o
Netzwerkinfrastruktur kann dynamisch
rekonfiguriert werden durch Programme
innerhalb der Datenpakete
o
Programmierbarkeit pro Anwendung oder
sogar pro Paket
16
1-32
Was sind aktive Netzwerke?
o
Passive / traditionelle Netzwerke
å Endgeräte des Netzwerks verrichten komplexe Aufgaben
in allen OSI-Schichten.
å Vermittlungsknoten innerhalb des Netzwerks verrichten
vergleichsweise einfache Aufgaben in den OSI Schichten 1- 3.
å Aus Sicht des Netzwerks enthalten übermittelte Pakete nur Daten.
o
Erweiterung zu aktiven Netzwerken
å Auch die Vermittlungsknoten verrichten Aufgaben in allen Schichten.
å Programmcode für die Vermittlungsknoten kann vom Benutzer in das
Netzwerk injiziert werden.
å Der übermittelte Code kann Zustand und Verhalten der
Vermittlungsknoten modifizieren.
⇒ Programmlade- und Laufzeitysteme
für verteilte Netzwerkanwendungen
1-33
Darstellung im OSI-Referenzmodell
Endgerät A
Endgerät B
Verarbeitung
Verarbeitung
Darstellung
Darstellung
Sitzung
Sitzung
Transport
Vermittlungsknoten
Transport
Vermittlung
Vermittlung
Vermittlung
Vermittlung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
17
1-34
Darstellung im OSI-Referenzmodell
Endgerät A
Vermittlungsknoten
Endgerät B
Verarbeitung
Verarbeitung
Verarbeitung
Verarbeitung
Darstellung
Darstellung
Darstellung
Darstellung
Sitzung
Sitzung
Sitzung
Sitzung
Transport
Transport
Transport
Transport
Vermittlung
Vermittlung
Vermittlung
Vermittlung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
1-35
Erwartete Anwendungsgebiete
o
Netzwerkkommunikation:
Schnelle Implementierung und Inbetriebnahme neuer Dienste.
å Horizontale gemeinsame Entwicklung und Inbetriebnahme von
Anwendungen und Diensten, z.B.
•
•
•
•
Verbesserte Übertragungssicherung
Netzwerkweites Caching
Zuverlässigkeit und Adaptivität für Multicast
Unterstützung von Mobilität
å Reduzierter den Bedarf an Standardisierung.
o
Netzwerkbetrieb:
Verteiltes Netzwerkmanagement
å Erhöhung der Skalierbarkeit
å Installation, Wartung und Test von Netzwerkdiensten „vor Ort“
18
1-36
Anwendungsbeispiel 1:
Active Error Recovery
PANAMA Projekt, Litton TASC / Uni Mass.
1-37
Netzwerkweites Caching
John Guttag, MIT
Server
C4
C2
C1
C3
Client
19
1-38
Adaptivität für Multicast
IBR, TU Braunschweig
1-39
Ansätze
o
Diskreter Ansatz
å Codeübertragung unabhängig von der Datenübertragung:
Der Code muss vor Anwendung auf Datenpakete auf die Zielknoten
übertragen und dort gespeichert werden. Eine Kennung der
Datenpakete ermöglicht die Zuordnung von Code zu Daten.
o
Integrierter Ansatz (Inband-Ansatz, Capsules)
å Code integriert in Pakete des Benutzerdatenstroms:
Der Code wird mit dem gleichen Paketstrom wie die Daten übertragen.
Dazu enthält jedes Paket ein optionales Feld mit Auszuführendem Code
(Capsule).
20
1-40
Capsules
o
Extension header
o
Type kann als Fingerprint (MD5) genutzt werden
o
Zustandsänderung an jedem Knoten
Src
Dst
TTL Version
address address
Type
IP header
… Previous Type-dependent
address
header fields
AN header
Payload
higher layers
1-41
Aktive Netzwerke: Realisierung
o
Performanz
å Erhöhte Zeit zur Weiterleitung
å vergrößertes Paket
å MTU (Maximum Transmission Unit)
o
Betriebssystem
å Prozess- und Speicherverwaltung
o
Sicherheit
å Netz an sich ist in Gefahr
å Authentifizierung: von wem?
å Datenintegrität: nicht änderbar
å Vertraulichkeit: nicht lesbar
21
1-42
Weitere Entwurfsentscheidungen
o
Laufzeitumgebung(en)
o
Programmiersprache
o
Netzwerk-Programmierschnittstelle
o
Management
o
Benutzerkreis
o
Sicherheit
1-43
Programmiersprachen
und -schnittstellen
o
Programmiersprachen
å TeleScript, General Magic
å Java, Sun
å PLAN (Packet Language for Active Networks), SwitchWare, UPenn
å NetScript, Columbia Univ.
å MAUDE (Wide-Spectrum Formal Language), Stanford Univ.
o
Programmier-Schnittstellen
å IEEE P1520 PIN (Programming Interfaces for Networks)
å MSF (Multiservice Switching Forum)
å IETF GSMP (General Switch Management Protocol)
å Router Plugins Toolkit, WUSTL, ETH Zürich
å Extensible Routers, Princeton Univ.
22
1-44
Aktive Netzwerke: Systeme
o
Software-Systeme
å Mobile Agentenplattformen: Voyager, Grasshopper, ...
å ANTS (Active Node Transfer System), MIT
å SANE (Secure Active Network Environment), SwitchWare, UPenn
å Active Network Encapsulation Protocol (ANEP), SwitchWare, UPenn
å ABONE (Active Network Backbone), Stanford RI
å ANON (Active Network Overlay Network), Dartmouth, NH
o
Standards (Netzwerkbetrieb)
å CMIP Command Sequencer, ISO/ITU-T
å SNMP Script MIB, IETF – NEC/TU-BS, SNMP Research, Silicomp RI
o
Systeme mit Hardware-Unterstützung
å Stream processor (voll integriert), NEC
å ANN (Active Network Node), WUSTL, ETH Zürich
å AMNet (Active Multicast Network), TU Braunschweig
1-45
o
ANTS
å Java als Programmiersprache; JVM als Ausführungsumgebung
å Wiederverwendung von Code durch mehrere Packete
å PAN: Variation von ANTS für NodeOS
o
Liane
å Prototypimplementierung für eingeschränkes C++
å Safety Assertions
å Anwendung: Multicast
23
1-46
o
Liquid Software
å Java als Programmiersprache; JVM als Ausführungsumgebung
å No bytecode interpretation
å Java-to-C translation; Just-in-time compilation
o
Netscript
å Ünterstützung zur Entwicklung und Installation von Netzwerkdiensten
å Vernetzung von Datenmanipulationsprozessen beschrieben in Java
å Anwendung: dyamische Erstellung von Firewalls und speziellem
Routing-Funktionen
1-47
Aktive Netzwerk: Systeme
o
PLAN
å Programming Language for Active Networks
å Typsicherheit, Terminierung zur sicheren Ressourcenverwaltung
o
Smartpackets
å Mobile Programme werden in IP-Paketen übertragen
å Sprocket als Programmiersprache; Übersetzung in kompaktes
Ausführungsformat
å Sichere Ausführungsumgebung (sandboxing, Authentifizierung)
å Anwendungen: Monitoring and Control
o
SwitchWare
å PLAN and ML zur Programmierung (Alien)
å Zugriff auf lokale Code-Basis
24
1-48
Offene Fragen
o
Standardisierung von
å Ansatz (diskret oder integriert)
å Programmladesystem
å Kopplung von Datenstrom und Laufzeitsystem
å Programmiersprache
å Netzwerkprogrammierschnittstelle
o
Sicherheit
o
Handhabbarkeit (manageability)
o
Produktfähigkeit, Produktgestaltung
o
Wirtschaftlichkeit
1-49
Zusammenfassung
o
Programmierbare Netzwerke erlauben durch offene
Programmierschnittstellen von spezifischen Netzressourcen zu
abstrahieren.
o
Die Kombination und Komposition von abstrakten Ressourcen
vereinfacht die Erstellung und Einführung von neuen
Diensten.
o
Aktive Netzwerke sind spezielle programmierbare Netze, die
eine Programmierung pro Anwendung bzw. Paket
ermöglichen.
25
1-50
Literatur
o
A. T. Campbell et al.: A Survey of Programmable Networks, ACM
SIGCOMM Computer Communication Review, April 1999
o
A. Lazar: Programming Telecommunication Networks, IEEE Network, pp.
8-18, 1997
o
IEEE Communications Magazine, Oct 1998
o
D. L. Tennenhouse et al.: A Survey of Active Network Research, IEEE
Communications Magazine, pp. 80-86, Jan 97
o
J. M. Smith et al.: Activating Networks: A Progress Report, IEEE
Computer, pp.32-41, Apr 1999
o
IEEE Communications Magazine, Mar + Apr 2000
26
1-51

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