O Brasil na Futura Internet

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1 O Brasil na Futura Internet César A. H. Loureiro 1 RESUMO O presente realiza um survey sobre algumas tecnologias atualmente envolvidas no amadurecimento da Futura Internet, neste artigo serão abordados os projetos: PlanetLab, focado na realização de testes comportamentais em serviços distribuídos, o OpenFlow, tecnologia de virtualização de canais de comunicação sobre switches e roteadores, a redekyatera no estudo de redes de alta velocidade e o consórcio perfsonar que desenvolve aplicativos de monitoramento de redes, além de situar algumas contribuições do Brasil na futura Internet Palavras-chave: Futura Internet, Openflow, PlanetLob 1. INTRODUÇÃO O número de usuários de internet só no Brasil já ultrapassa 67,5 milhões, segundo o Ibope/Nielsen em dezembro de 2009, já no mundo, este número passa de 1,8 bilhões conforme a Internet World Stats[IWS 2010]. Estes números mostram a necessidade de prover serviços de forma globalizada, os quais necessitam ao mesmo tempo prover segurança, velocidade e interoperabilidades entre os sistemas autônomos existentes. O protocolo IPv6 como proposta para prover estes serviços, já está disponível a mais de 10 anos, mas a migração de IPv4 para IPv6 ainda não ocorreu de forma expressiva, mesmo assim, esta tecnologia não enfraquece os esforços na busca de novas tecnologias, capaz de lançar novos paradigmas que possibilitem atender as novas necessidades requeridas pelo crescente números de usuários [Spyropoulos et al. 2007]. Estes esforços para a criação destes novos paradigmas estão sendo chamados de Futura Internet, onde grupos como o COST da Europa, CANARIE do Canadá, e mais de 300 universidades e parceiros privados só nos Estados Unidos, investem milhões em pesquisas de novas tecnologias [NARA 2010]. A Internet2 é o nome dado a iniciativa norte-americana para estas pesquisas iniciadas em 1996, inicialmente criada na área acadêmica, a qual tem por objetivo 1 Docente do Curso de Sistema de Informação da Universidade Luterana do Brasil

2 2 prover novas tecnologias para todos os usuários da rede. No Brasil esta iniciativa iniciou em março de 2000, quando a RNP(Rede Nacional de Ensino e Pesquisa) e a University Corporation for Advanced Internet Development (Ucaid) assinaram o Memorandum of Understanding (Mo U), que se tornou real em agosto de 2001 através do projeto Americas Path (Ampath). Em 2004, a comunicação com o projeto norte-americano passou a ser feita via Rede Clara (Cooperação Latino-Americana de Redes Avançadas). Atualmente, a RNP também compartilha um link direto à Internet2 com a Clara e com a Ansp(Academic Network at São Paulo), através do projeto Whren-Lila (Western Hemisphere Research and Education Networks - Links Interconecting Latin America)[RNP 2010]. Para a disseminação do projeto Internet2, é necessário criar uma estrutura mínima de transferência de dados nos centros de pesquisa, no Brasil, estas estruturas são chamadas de GigaPoP s, que pretendem prover um backbone de no mínimo 1 Gbps entre os centros de pesquisas. Inicialmente quando o projeto foi criado, estes GigaPoPs contavam com os 622 Mbps providos pela tecnologia ATM, mas atualmente são utilizados canais STM-4 de no mínimo 1 Gbps mas que podem chegar até 10 Gbps utilizando STM64[TELECO 2010]. Com base neste histórico é que o presente abordará quatro projetos em execução que contribuem para as pesquisas da Futura Internet no qual o Brasil de alguma forma participa. Na seção 2 será apresentado o Projeto PlanetLab, na seção 3 o OpenFlow, na seção 4 a rede Kyatera e na seção 5 o projeto perfsonar. 2. PLANETLAB PlanetLab é um laboratório virtual distribuído para o desenvolvimento de novas tecnologias, formadas pelo consórcio entre as empresas: Intel, Charter Hewlett Packard, Charter Google, Charter AT&T, Associate France Telecom, Associate

3 3 AT Corporation, Associate DoCoMo Communications Laboratories USA, Associate Lucent - Bell Labs, Associate NEC Laboratories, Associate Telecom Italia, Associate Este projeto foi criado em 2002 e como se pode verificar na figura 1, possui mais de 1000 pontos espalhados em 500 sites pelo mundo. Esta iniciativa permite reunir esforços comuns entre todos os pontos para realizar experimentos em uma grande rede virtual, praticamente impossível de ser criada individualmente[planetlab 2010]. Figura 1. Locais abrangidos pelo projeto PlanetLab[PLANETLAB 2010] Para entender seu funcionamento, precisamos conhecer a terminologia utilizada neste projeto: Node - É um servidor dedicado ao projeto. Site - Local onde se encontram os nodes do PlanetLab. Slice - É o conjunto de recursos alocados entre vários servidores do PlanetLab. Principal Invertigator (PI) - Os PIs são responsáveis pelo gerenciamento dos slices e dos usuários de cada site. Para a realização de pesquisas nesta plataforma é necessária a submissão de projeto a um PI, o qual depois de aprovado recebe o direito de uso de um Slice contendo N nodes. De acordo com as necessidades do projeto, é permitido ao pesquisador instalar aplicações referentes a sua pesquisa nos nodes que fazem parte de seu Slice. O gerenciamento dos nodes que seu slice é realizado através da uma

4 4 interface no próprio site do PlanetLab e o acesso aos nodes é realizado através de SSH(secure shell). No Brasil o projeto PlanetLab conta com seis equipamentos, distribuídos nos PoPs(Pontos de Presença) da RNP. Cada slice tem dois meses de duração, renováveis[rnp 2010]. Entre os projetos em análise no PlanetLab, podemos citar alguns desenvolvidos no Brasil, os quais de alguma forma estão contribuindo nos estudos da Futura Internet entre as centenas existentes no momento PROJETO: LAPESD O Objetivo deste projeto é testar um novo formato de video streaming Overlay(P2P) chamado SeRViSO o qual possui características inovadoras como: - Retransmissão Seletiva (prioridade) de pacotes perdidos com base em H Uso de diversos algoritmos para realizar a seleção. Responsável: Laboratório de pesquisas de sistemas distribuídos -UFSC PROJETO: CARAVELA O projeto CARAVELA(Contratos para Aplicações em Redes de Alta Velocidade) visa o desenvolvimento de um framework centrado numa linguagem de contratos que permite a descrição de requisitos de QoS(quality of service) em alto-nível. Ele inclui ferramentas para tradução das descrições contratuais em meta-informações, usadas em conjunto com outros elementos do framework para o atendimento desses requisitos no nível de suporte. Adicionalmente foram desenvolvidos, e integrados ao framework, mecanismos reutilizáveis de gerenciamento que usam as meta-informações geradas, completando a infra-estrutura requerida em aplicações sensíveis a QoS. Como potenciais benefícios do framework desenvolvido destacam-se: - simplificação do acesso à tecnologia de redes de alta velocidade facilitando sua disseminação a desenvolvedores não especializados na área de redes; - a redução de custos de desenvolvimento e maior confiabilidade das aplicações desenvolvidas. Responsável: Universidade do Estado do Rio de Janeiro.

5 PROJETO:REDEH - O PROJETO DA FUTURA RNP Este projeto visa a prospecção tecnológica para servir como base para o planejamento de uma futura atualização da rede da RNP, isto é, foram criados 4 grupos de pesquisas os quais alguns utilizam o PlanetLab na sua realização. Estes grupos atuam nas seguintes áreas: Comunidades de usuários e as demandas de suas aplicações, Infraestrutura, Arquitetura e tecnologias de redes e Suporte para aplicações de usuários. O primeiro grupo tem como objetivo levantar e caracterizar demandas de usuários de redes avançadas no Brasil. A análise deste levantamento servirá como base para definição de novos serviços e infra-estrutura da RNP. O grupo de Infraestrutura está trabalhando no término da implantação da Redecomep(Redes Comunitárias de Educacação e Pesquisa) as quais interligam instituições de ensino e pesquisa por fibras óticas de forma autosustentável(onde todas as instituições auxiliam nos custos de manutenção) nas regiões metropolitanas dos estados brasileiros. O grupo de Arquitetura e tecnologias de rede estão realizando estudos sobre tecnologia de transmissão, tecnologia de plano de controle (sinalização), Gerência e operação de serviços de redes. No momento está sendo criado subgrupos que deverão preparar estudos com recomendações e avaliações sobre o que está sendo realizado no âmbito da Internet2. E por fim o grupo de Suporte para aplicações de usuário tem como objetivo fazer um levantamento de áreas em que a RNP pode ter um papel a desempenhar como serviços de suporte a aplicações de rede, e das tecnologias que estão disponíveis para oferecer esses serviços. Este grupo teve seu último cronograma de trabalho para o primeiro semestre de 2009, não obtendo resultados tangíveis até o momento. Responsável:Rede Nacional de Ensino e Pesquisa Como podemos constatar o Planet Lab possibilita a realização de pesquisas sobre uma camada de rede(modelo OSI-Open Systems Interconnection) [ISO 1996] distribuída, emulando uma rede de dimensões intercontinentais, e como projeto sobre camadas inferiores como a de enlace(referenciando a camada OSI) podemos citar o Openflow o qual e apresentado a seguir.

6 6 3. OPENFLOW Esta é uma tecnologia de virtualização de ativos de rede que está sendo o foco das novas pesquisas brasileiras em parcerias com universidades como a Unicamp e centros de pesquisa como o CPqD 2, onde através de parcerias estão auxiliando nas pesquisas para possivelmente se criar um novo ambiente de testes de tecnologias para a Futura Internet. A especificação do Openflow Switch teve sua versão 1.0 lançada em dezembro de 2009, onde permite a fabricantes de hardware implementar esta especificação em seus equipamentos. O funcionamento do Switch OpenFlow consiste em uma tabela de fluxos que contém um conjunto de entradas sobre regras, portas e outros slices e de como deve-se encaminhar os fluxos. Não havendo correspondência da tabela local, o fluxo e enviado a um controlador externo o qual pode tomar uma ação incluindo ou removendo novas entradas na tabela. Os caminhos para envio deste fluxos podem ser portas físicas, ou portas lógicas como VLAN s(virtual Local Area Network), como podemos observar na figura 2 [McKeown et al. 2008]. Figura 2. Fluxo e funcionamento do OpenFlow[OPENFLOW 2010] Este projeto permite criarmos uma espécie de virtualização em nossos switches e roteadores, onde, em equipamentos que atendam a estas especificações, além de processar o tráfego de forma corriqueira, pode executar os processos do 2 1 Fundação de direito privado oriunda do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Telebrás

7 7 Openflow, criando um ambiente propício a pesquisas, testes e até mesmo utilização real sem a necessidade de investimento em novos equipamentos. A proposta atual de trabalho do OpenFlow Switch é auxiliar Universidades a implementarem sua tecnologia em seus campi, como realizado em Stanford. Alguns diferenciais em uso da tecnologia Openflow: Diferentes fluxos são processados em diferentes vias; Ambiente de desenvolvimento aberto; Flexibilidade na definição dos fluxos: divisão por tráfego individual de aplicações; agregação de tráfegos; vários IPs rodando lado-a-lado; Cada fabricante continua com sua tecnologia de mercado protegida, garantido velocidade e confiabilidade, enquanto o controle de fluxo pode ser padrão em todos os equipamentos gerido pelo OpenFlow IMPLEMENTAÇÃO O grupo do OpenFlow vem trabalhando em algumas implementações, chamadas de tipos, a implementação aqui mostrada a qual já possui suas especificações prontas é chamada de Type 0. Esta trabalha como um canal livre para tráfego de dados emulando um novo canal, onde para cada fluxo recebido existe uma regra e uma ação a ser realizada, conforme podemos observar na figura 3. Este canal pode aceitar qualquer tipo de comunicação como se fosse um canal físico, só que virtualizado sobre um pool de roteadores e switches. Os fluxos recebidos os quais não possuírem uma regra de tratamento podem ser enviados para uma porta default ou serem encaminhados para o controlador o qual deve tratar o fluxo, como observado na figura 4.

8 8 Figura 3. Entrada de tabela de fluxo[openflow 2010] 3.2. Visão Geral do Protocolo O protocolo do Openflow implementa 3 tipos de mensagens: controlador para switch, que gerencia e inspeciona o estado do Switch; assíncrona, a qual é enviada pelo switch para informar alguma alteração do seu estado; ou simétrica, que enviada sem solicitação de ambos os lados[openflow 2010] CONTROLADOR PARA SWITCH Pode ser utilizada para: Features: Perguntar ao switch sobre suas especificações; Configuration: Perguntar ou implementar configurações no switch; Modify-State: Adicionar, apagar ou incluir novas regras de fluxo; Read- State: Coletar estatísticas; Send-Packet: Enviar pacotes para determinada porta do Switch; Barrier: controle de envio ou termino de operações.

9 9 Figura 4. Comunicação no OpenFlow[OPENFLOW 2010] ASSÍNCRONA As quatro tipos de mensagens enviadas pelo Switch sem solicitação do controlador são: Packet-in: todos os pacotes que não tiverem regras de fluxos definidas no switch, o mesmo encaminha o cabeçalho do pacote para o controlador para que realize alguma ação, na situação onde o switch não tenha um buffer suficiente para armazenar o pacote enquanto aguarda um retorno do controlador, o pacote completo é enviado ao controlador; Flow-Removed: quando uma regra de fluxo passa muito tempo sem ser utilizada, o próprio switch elimina esta de sua tabela e encaminha uma mensagem de Flow-removed ao controlador, para informar a ação realizada; Port-Status: envio de alteração de status de uma determinada porta, seja por desativação do usuário ou por ativação de nova porta; Error: tipo de canal para envio de erros ocorridos no switch SIMÉTRICA Utilizada por switch e controlador sem solicitação prévia. Hello: enviada no início no estabelecimento de conexão entre switch e controlador;

10 10 Echo: utilizada para indicar latência, largura de banda e estado da conexão entre switch e controlador; Vendor: tipo reservado para implementações futuras. Tecnologias como o OpenFlow apesar de ser um projeto, facilitam a realização de pesquisas sobre a implementação da Futura Internet, pois criam viabilidades técnicas de desenvolvimentos de outros protocolos de camadas superiores, além de incentivar que novos projetos de mesmo conceito venham a ser criados. Como explanado o Openflow é uma pesquisa sobre a Futura Internet que atua na camada de enlace, no próximo tópico veremos o projeto Kyatera o qual referencia pesquisas sobre a camada física(modelo OSI) da rede. 4. REDE KYATERA A rede KyaTera, do tupi kya(rede de pesca) e do grego tera(gigantesco) - interliga 3 grandes centros, USP, USP São Carlos e Unicamp a um backbone de 10Gbps e a vários outros laboratórios e centros de pesquisa como PUC-Campinas, Politécnica da USP e a Fundação CPqD. Esta rede de pesquisa possui suas próprias fibras ópticas, tendo uma largura de banda que permite aplicações que seriam impraticáveis com a Internet tradicional. Um dos objetivos das pesquisas é conseguir taxas de transmissão que cheguem a terabits/s[kyatera 2010]. Tecnologias estas, que futuramente podem se tornar o novo padrão de transmissão de dados da Internet. Como podemos verificar na figura 5, atualmente a kyatera possui como saída, interconexões com a rede Giga da RNP e a com outras redes de pesquisa como a ANSP e a Global Lambda Integrated Facility (GLIF), viabilizando pesquisas que auxiliem no aprimoramento da Futura Internet.

11 11 Figura 5. Interligação da rede Kyatera[KYATERA 2010] Estas estruturas de rede fazem parte da chamada rede estável do projeto kyatera, mas as redes experimentais que interligam os laboratórios da Rede KyaTera são utilizadas para realizar experimentos colaborativos e distribuídos de transmissão óptica reais, ela oferece uma quantidade variável de fibras apagadas(fibras sem uso doadas pelas operadoras de telefonia), monomodo e/ou multimodo, de acordo com as necessidades do laboratório, sendo que a taxa máxima de transmissão na rede experimental foi atingida em abril de 2005, com 320 Gb/s. Este projeto, segundo seu site tem por objetivos: Permitir e incentivar a colaboração interinstitucional, e do trabalho multidisciplinar entre grupos de pesquisa e desenvolvimento. Gerar, qualidade e quantidade de recursos humanos nessas áreas. Estimular a inovação no desenvolvimento de dispositivos, equipamentos e outros itens para as redes. Estimular a inovação no desenvolvimento de aplicações avançadas da Internet. Na linha de pesquisa sobre transmissão na camada física em fibra óptica, os pesquisadores do projeto Kyatera(geralmente físicos ou engenheiros eletricistas)

12 12 continuam seu empenho na busca de velocidades cada vez maiores. Já para a camada de aplicação(modelo OSI) alguns projetos para a Futura Internet estão focados em serviços que auxiliem na gerência da rede, os quais serão abordados a seguir. 5. PERFSONAR PerfSONAR é um consórcio inicialmente desenvolvido pelas redes acadêmicas Internet2 (EUA) e Géant (Europainter) o qual objetiva criar soluções para monitorar a performance da rede de ponta a ponta. Em 2007 o Brasil entrou como colaborador deste projeto através do GT(Grupo de Trabalho) de Medições criado pela RNP. Ele contém um conjunto de serviços de medições de desempenho em um ambiente controlado. Estes serviços agem como uma camada intermediária, entre os instrumentos de medição de desempenho e as aplicações de diagnóstico ou de visualização. Esta camada tem por objetivo fazer o intercâmbio das medições de desempenho entre as redes [PERFSONAR 2010b]. Para a realização destas monitorias existem mais de vinte projetos em execução os quais disponibilizam ferramentas para monitorias de rede, sendo seus principais projetos: Telnet/SSH MP(Secure Shell Measurement Point) PerfSonarUI Authentication Service BWCTL(Bandwidth Test Controller) SmokePing NDT(Network Diagnostic Tool) Para exemplificar algumas tecnologias empregadas, será caracterizado três projetos em execução pelo consórcio perfsonar: o PerfSonarUI, o Telnet/SSH MP e o NDT PERFSONARUI

13 13 PerfSonarUI é o acrônimo de PerfSonar User Interface, uma interface gráfica desenvolvida em código aberto(java) capaz de mostrar em uma única ferramenta dezoito serviços desenvolvidos pelo projeto perfsonar, como recuperação dos dados publicados pelos serviços RRD MA(Round Robin Database Measurement Archive), resumo de utilização de interfaces de forma gráfica, busca de interface através de um range de IP, etc. Na figura 6 está um gráfico de utilização de uma interface apresentada no PerfsonarUI. Figura 6. Camadas do telnet/ssh MP[PERFSONAR 2010a] 5.2. TELNET/SSH MP Este projeto consiste na criação de looking Glass o qual centraliza as ações de telnet e ssh em único ponto da rede, permitindo que NOCs (Network Operation Center) possam gerenciar seus ativos de redes, isto é, qualquer ação de configuração ou coleta de dados a qual necessitaria acessar individualmente roteadores e switches pode ser realizado por esta solução. Ela consiste em um Web Service que conhece a maneira de se conectar aos principais modelos de equipamentos de rede e permite que novos templates possam ser adicionados [PERFSONAR 2010a]. O acesso aos dispositivos passam a ser realizado através de chamadas ao Web Service, abstraindo a camada de acesso padrão realizada por telnet e ssh.

14 14 Figura 7. Taxa de utilização de um link de dados[perfsonar 2010a] Como ilustrado na figura 7, a comunicação entre a aplicação que e o WebService é realizada através de XML(eXtensible Markup Language), em formato documentado pela aplicação, permitindo que o NOC desenvolva sua pr opria interface. Segundo informações do projeto, este serviço está disponível para equipamentos Juniper, Cisco e para a implementação Quagga de roteadores. Este projeto está baseado em um grande problema enfrentado pelos NOCs, como gerenciar uma grande quantidade de ativos, e serve não somente para a Futura Internet, mas para uso nas atuais infraestruturas de rede NETWORK DIAGNOSTIC TOOL (NDT) Este aplicativo desenvolvido pela perfsonar é utilizado por muitos provedores para disponibilizar a seus usuários uma medição de banda Cliente/Servidor. A proposta do projeto é utilizar o total de banda disponível de um canal de comunicação, independentemente das configurações de TCP as quais o Sistema Operacional possui, pois segundo seus estudos, os principais sistemas utilizados

15 15 por usuários como Windows e Linux possuem configurações padrões para possibilitar baixas taxas de transferência, o que em uma medição real de banda pode interferir nos seus resultados finais [NDT 2010]. Seu funcionamento esta baseado em um servidor desenvolvido para Linux, contendo configurações de kernel específicas para assegurar o uso total da banda pelo lado servidor, e por uma cliente Web desenvolvido em Java. Para análise de possíveis problemas existentes no canal de transmissão é utilizado uma segunda ferramenta chamada Web100 [Web ]. Em conjunto estas ferramentas conseguem informar ao usuário sua taxa de transmissão e recepção, configurações detalhadas da camada TCP, além de possíveis problemas como utilização de firewall, retransmissão de pacotes e outras, como pode ser verificado na figura 8. Figura 8. Resultados parciais Ferramenta NDT[NDT 2010] 6. CONCLUSÃO Conforme explanado, existem diversos projetos e consórcios de empresas privadas e publicas, além de muitas Universidades realizando estudos para criar novas tecnologias que possam ser utilizadas na Futura Internet, todas as ferramentas e projetos citados neste artigo são tecnologias que já estão em uso e podem ser implementadas imediatamente. Isto se refere a uma das linhas de pesquisas existente, que propõe a melhora dos serviços existentes de forma evolutiva, outra linha de pesquisa acredita que a nossa Internet atual não pode ser aprimorada com novas tecnologias sobrepostas às usualmente conhecidas, creem que será necessário uma revolução com a utilização de novas técnicas incompatíveis com as atuais, necessitando criar uma nova rede independente com novos limiares.

16 16 Independente de como será o futuro da Internet, todas as idéias e projetos devem ser estudados, pois certamente a transformação destes projetos em tecnologias utilizáveis é o que mantêm a nossa evolução. REFERÊNCIAS Internet World Stats.(2010). acessado em 17/04/2010. ISO, I. (1996). Information technology - open systems interconnection - basic reference model: The basic model Kyatera. (2010). acessado em 21/04/2010. McKeown, Nick. Anderson, Tom. Balakrishnan, Hari at all.(2008) OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks, March 14, NARA - Núcleo de Apoio a rede Acadêmica. (2010). de Apoio a rede Acadêmicaww.nara.org.br/central-de-noticias/rnp-ansp-cpqd-projeto-kyatera-e-gliffirmam-parceria, acessado em 21/04/2010. NDT - Network Diagnostic Tool. (2010). acessado em 09/05/2010. RNP - Rede Nacional de Ensino e Pesquisa. (2010). acessado em 21/04/2010. Planetlab. (2010). https://www.planet-lab.org/db/pub/slices.php, acessado em 25/04/2010. Perfsonar Home Page. (2010) acessado em 09/05/2010. PerfSonar Wiki. (2010). https://wiki.man.poznan.pl/perfsonarmdm/index.php/main_ Page, acessado em 09/05/2010. The OpenFlow Switch Consortium. (2010). acessado em 09/05/2010. Teleco Inteligência em Telecomunicações. (2010). zacaopdh.asp, acessado em 21/04/2010. Spyropoulos, Thrasyvoulos, Fdida, Serge e Kirkpatrick, Scott.(2007) Future Internet: Fundamentals and Measurement, Volume 37-2, páginas , ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Abril/2007. Vale, Tassio., Kogal, Ivo K., Sampaio, Leobino N., Monteiro, José A. Suruagy, Cunha, Paulo.(2009). ICE CUBE: Integrando componentes de acesso e visualização de dados

17 17 de monitoramento de redes. 27º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e de Sistemas Distribuídos( SBRC 2009). Web100. (2010). acessado em 09/05/2010.

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