Ambientes experimentais de larga escala para suporte de P&D em redes

Ambientes experimentais de larga escala para suporte de P&D em redes Workshop sobre o "Futuro da Internet" CPqD, abril de 2009 Michael Stanton Rede Nacional de Ensino e Pesquisa - RNP michael@rnp.br 2009 RNP

Sumário Discutimos ambientes de suporte para trabalhos de P&D experimentais em redes e aplicações distribuídas, visto do ponto de vista da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP). A exposição descreve a evolução do tipo de atividade possível, bem como a maneira de que o suporte é dado. Além das atividades já realizadas no país, também examinamos o contexto de algumas redes experimentais usadas no exterior, especialmente relacionadas ao futuro desenvolvimento da Internet No final são dadas sugestões para os próximos passos a serem seguidos no país 2

A RNP e suas redes inovadoras A primeira rede da RNP foi montada em 1992, e foi pioneira em usar tecnologia TCP/IP em escala nacional Desde os primórdios, as diferentes gerações de rede montadas e operadas pela RNP inovaram tecnologicamente, ao menos dentro do Brasil Frequentemente não havia experiência prévia da combinação de tecnologias usadas e a própria rede montada podia ser vista como uma rede experimental, tanto para comunicação, como para suporte de aplicações Com o amadurecimento da indústria de redes, desde o início das redes IP comerciais a partir de 1995, a RNP não ficou mais sozinha como operadora de rede IP, mas continua na dianteira tecnológica, com a procura de novos modelos de infraestrutura 3

Evolução das redes de P&E no Brasil Fase Ano Tecnologia Capacidades de enlace Comentários 0 1988 BITNET até 9.6 kbps primeira rede nacional 1 1992 Internet 9.6 e 64 kbps primeira rede nacional IP (RNP) 2 1995 até 2 Mbps também: rede IP comercial 3 1999 IP/ATM, IP/FR CV até 45 Mbps, acesso até 155 Mbps rede nacional RNP2; 2003 IP/SDH 34, 155, 622 Mbps RNP2 estendida (RNP2+) 4 ReMAVs em 14 cidades (usando ATM/fibra apagada) também: rede experimental IP/WDM interestadual (Projeto GIGA) 5 2005 IP/WDM 2.5 e 10 Gbps rede nacional IPÊ; redes metropolitanas em 27 capitals 4

Evolução das redes de P&E no Brasil Capacidade dos enlaces 10.000.000 Fase 5 IPÊ 1.000.000 Fase 4 RNP2+ kbps 100.000 Fase 3 RNP2 10.000 1.000 Fase 2 Internet comercial 100 10 1 Fase 0 BITNET Fase 1 Internet 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Ano 5

Como se mudava de fase O começo de cada nova fase tecnológica da rede era um pulo no desconhecido os circuitos (ou o serviço, no caso da ATM fase 3) foram entregues e os equipamentos configurados depois de algum trabalho por parte dos engenheiros, começou-se a funcionar a nova rede, e passou-se a ser usada no lugar da anterior o mais rápido possível os usuários podiam então passar a usufruir os recursos da nova rede Problemas: falta de conhecimento das tecnologias novas antes de postas em produção a transição de tecnologia era uma singularidade 6

Novos serviços de aplicação A tecnologia Internet é muito acolhedora de novos serviços de aplicação qualquer usuário poderá desenvolver um novo serviço, implementada como uma aplicação distribuída usando a API de sockets. Isto permite e encoraja a experimentação com aplicações, que podem ser construídas num laboratório (em ambiente de rede local) e depois migrada para a rede de larga escala Eventuais problemas: alguns serviços distribuídos requerem componentes dentro da rede problemas de segurança monitoramento de desempenho poderá ser um problema 7

Soluções alternativas Tanto para preparar uma mudança tecnológica de rede, como para desenvolver uma nova aplicação distribuída de larga escala, a solução ideal é conduzir experimentação numa rede isolada da rede de produção, que reproduza as características desta especialmente sua escala e seu desempenho Esta isolamento poderá ser real ou virtual Real a rede experimental é baseada em infraestrutura própria, independente de rede de produção exemplo: Projeto GIGA Virtual a rede experimental compartilha a mesma infraestrutura usada pela rede de produção exemplo: PlanetLab 8

Projeto GIGA uma rede óptica experimental Projeto em colaboração entre RNP, CPqD, Comunidade de P&D em redes e sist. distrib. Financiamento de R$53 milhões do FUNTTEL 2002 a 2007 Principal característica: rede óptica com infraestrutura própria operadoras cedem as fibras como participação Objetivos suporte para subprojetos de P&D em tecnologias de redes óptica e de IP e aplicações e serviços avançados Suporte de rede: subprojetos consorciados de P&D ganhavam conectividade interna através de VLAN porém: a rede experimental (com exceções) não tinha conectividade externa, limitando sua utilidade FUNTTEL 9

Rede experimental GIGA - localização Universities IME PUC-Rio PUC-Campinas UERJ UFF UFRJ Mackenzie UNICAMP USP R&D Centers CBPF CPqD CPTEC INCOR CTA FIOCRUZ IMPA INPE LNCC LNLS 10

PlanetLab Consórcio: Academia, Governo, Indústria Formalizado em janeiro de 2004, sediada na U. de Princeton participantes incluem algumas centenas de universidades Membros industriais: fundadores HP e Intel AT&T, France Telecom, Polish Telecom, Google, Financiamento do governo dos EUA (NSF and DARPA), e de outros (na UE)

O que é PlanetLab? Facilidade experimental: Redes de sobreposição e subjacente de escala planetária a rede subjacente é a Internet 900+ servidores baseados em Linux em 400+ locais em 40+ países http://www.planet-lab.org/

PlanetLab hoje 900+ servidores em 400+ locais em 40+ países Colocação no mundo todo em univ. & empresas Colocação em PoPs de redes (Internet2, RNP, CERNET, )

Virtualização em PlanetLab? Comunidade de pesquisa: Redes e Sistemas Distribuídos Pesquisador tem acesso a um conjunto de máquinas virtuais nos servidores (FATIA) Numa FATIA o pesquisador pode implantar e avaliar serviços a aplicações de sistemas distribuídos A próxima Internet será criada como rede de sobreposição na atual arquiteturas e protocolos de rede A futura Internet será criada em paralelo à atual (v. mais tarde)

Fatia Fatia Fatia Gerente de Fatias (GF) Fatia Arquitetura de s/w de nó PlanetLab S/w de Virtualização H/w de Servidor x86

Fatias

Fatias

Fatias

Alguns serviços PlanetLab em uso Scalable Large-File Transfer: CoBlitz Princeton, LoCI Tennessee Content Distribution: Coral NYU, CoDeeN Princeton, CobWeb Cornell Distributed Hash Tables: OpenDHT UC Berkeley; Chord-MIT Routing Overlays: I3 Internet Indirection Infrastructure UC Berkeley Multicast Delivery Nets: End System Multicast CMU, Tmesh-U. Michigan Serverless Email: epost Rice University Publish-Subscribe News Access: CorONA Cornell Robust DNS Resolution: CoDNS Princeton, CoDoNs Cornell Mobile Access: DHARMA U. of Pennsylvania Location/Anycast Services: OASIS NYU, Meridian Cornell Internet Measurement: ScriptRoute U. of Maryland Estes serviços comunicam com >1M usuários reais e transmitem ~4TB de dados por dia

Perspectiva sobre o Futuro da Internet O sucesso da Internet tem sido tão grande que é fácil imaginar seu futuro apenas por extrapolação do presente. Porém, há aspectos do seu desenho, baseados em decisões tomadas nos anos 1970, que limitam severamente sua segurança, disponibilidade, flexibilidade e gerenciabilidade. Estas limitações não podem ser removidas por pequenos ajustes incrementais da rede existente, e, se não forem removidas, criarão grandes impedimentos à capacidade de utilizar e explorar a Internet no futuro. 20

Remoção das limitações Durante muitos anos, a abordagem de combate a limitações da Internet tem sido através de um série de remendos, que resolvem problemas pontuais. Infelizmente, estes remendos geram aumento de complexidade, o que resulta num sistema menos robusto, cuja operação se torna mais difícil e cara. Existe um consenso crescente na comunidade de pesquisa em redes que já alcançamos o ponto onde não bastam remendos, e é necessário repensar fundamentalmente a Internet. (do GENI Research Plan, 2007) 21

GENI - http://www.geni.net (Global Environment for Network Innovations) Iniciativa da NSF (EUA) para criar um ambiente compartilhado de experimentação para auxiliar a validação de novas arquiteturas de redes Fase inicial: 2005 a 2007 desenho do ambiente GENI Fase atual: desde 2008, implantação e uso GENI apoiará pesquisa que possa levar a uma futura Internet com características melhoradas: segurança mais compreensiva maior generalidade melhor integração de tecnologias ópticas e de rádio integração com o mundo de sensores e processadores embarcados melhores opções para a saúde econômico do setor de provedores Internet 22

O ambiente experimental de GENI Permitirá experimentos com arquiteturas, serviços e aplicações de rede alternativas, em escala grande e sob condições reais Usando virtualização, GENI permitirá conduzir múltiplos experimentos independentes e simultâneos GENI permitirá experimentos de longa duração, permitindo que protótipos maduros atendam a uma comunidade viva de usuários Com ferramentas extensas de medição e coleta de dados, facilitará pesquisa experimental Em suma, GENI proverá suporte para levar idéias de larga escala de concepção à implantação, por meio de validação 23

Como construir o ambiente GENI O ambiente GENI é inspirado no PlanetLab, e especialmente o Meta-Testbed VINI - http://www.vini-veritas.net VINI estende o escopo de PlanetLab para permitir fatiamento dos enlaces entre os nós (virtualização de enlaces) substituição dos protocolos da camada 3 (IP) 24

VINI Objetivos permite validação experimental de novas arquiteturas suporte simulâneo de usuários reais e desenhos clean slate prover um caminho plausível de implantação Idéias chave virtualização múltiplas arquiteturas numa infraestrutura compartilhada compartilhar custos de gerenciamento participação na base: por usuário / por aplicação atrair usuários reais implantação / adoção dirigidas por demanda 25

Implantação de VINI Infraestrutura PlanetLab provê rede de acesso com alcance global computador do usuário executa proxy que permite participar nó local do PlanetLab funciona como roteador de ingresso NLR/Internet2 provêem troncal de alta capacidade nos EUA popular com roteadores programáveis estender abstração de fatias a esses roteadores Modelo de uso cada arquitetura (serviço) executa em sua própria fatia dois modos de uso experimentos de curta duração arquiteturas e serviços estáveis, de longa duração 26

Extensão de fatias para um experimento VINI

Extensão de fatias para um experimento VINI

Extensão de fatias para um experimento VINI

Participação do usuário Cliente NAT rádio Servidor

Internet numa fatia XORP no Módulo Rede XORP (protocolos de roteamento) Usuário Núcleo IPv4 tabela de encaminhamento Insere rotas à cópia da tabela de encaminhamento IPv4 do núcleo Núcelo encaminha pacotes entre interfaces virtuais Filtros e moldadores Insere atraso e perdas, limita largura de banda Interfaces virtuais (ifv) Filtros, moldadores ifv0 ifv1 ifv2 Aparecem como dispositivos Ethernet numa fatia Reduz MTU para tunelamento Túneis E-GRE túneis E-GRE Modifica túneis GRE padrão para preservar cabeçalhos MAC VM PlanetLab

Ambiente GENI Extensão de VINI: Idéias chave virtualização múltiplas arquiteturas numa infraestrutura compartilhada participação na base: por usuário / por aplicação atrair usuários reais Infraestrutura NLR/Internet2 provêem troncal de alta capacidade nos EUA popular com recursos (processadores, memória) programáveis popular com roteadores programáveis mais sofisticados do que apenas PCs estender abstração de fatias a esses roteadores incorpora extensões a redes sem fio e de sensores 32

GENI: a rede física Uma grande interconexão em rede de sistemas Representação razoável da complexidade da Internet Uma rede óptica nacional ~ 200 universidades Clusters de processamento/armazenamento Redes de acesso sem fio mobilidade, sensíbilidade a localização Redes de sensores Ligado a grande número de comunidades de usuários Parcerias para estender GENI dentro dos EUA novas tecnologias e usuários Federação para estender GENI numa escala global

Esquema de uma rede GENI sítio de borda rede de sensores Core Nodes ambiente internacional federado rede de rádio móvel nós de borda

Programabilidade Todos elementos de rede programáveis via interfaces abertas e/ou código de usuário carregável Plano de controle e gerenciamento GENI Nó sensor programável Plataforma de rádio com API aberta Nó do núcleo programável Nó de borda programável

Fatiamento e Virtualização Rede de sensores Rede sem fio móvel Sítio de borda - compartilhar recursos para suportar muitos experimentos simultâneos

Doações ao GENI de NLR e Internet2 40 Gbps de capacidade nas duas redes nacionais para prover VLANs Ethernet para fatias (IP ou não-ip) 37

Fase 1: operações de integração: 5 esquemas de controle concorrentes 38

Fase 1 de GENI (2008-9) Gerará o primeiro protótipo em escala nacional de um suite interoperável de infraestrutura para experimentação em redes Cria um protótipo em 6 a 12 meses Inclui múltiplos troncais nacionais e regionais, campi, clusters de processamento e armazenamento, redes sem fio metropolitanas e de sensores, com instrumentação e medições, e participação de usuários GENI está financiando múltiplos projetos paralelos para desenvolver versões concorrentes do software de controle da Fase 1 39

Pesquisa usando GENI - FIND Antes de lançar a construção do ambiente GENI, a NSF lançou a iniciativa FIND Future Internet Design, com objetivo de identificar e financiar atividades de pesquisa http://www.nets-find.net/ Um dos produtos desta iniciativa é o GENI Research Plan, que fornece a motivação para o GENI, e algumas das metas da pesquisa tornada possível por ele. http://www.geni.net/gdd/gdd-06-28.pdf 40

Atividades experimentais na UE FIRE - Future Internet Research & Experimentation http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fire/home_en.html Iniciativa européia dirigida ao desenho da Internet do Futuro, semelhante às iniciativas FIND e GENI da NSF dos EUA. Promove o conceito de pesquisa experimental, juntando pesquisa visionária da academia com validação e experimentação típicas da indústria Objetiva criar um ambiente de pesquisa multidisciplinar para investigar e validar experimentalmente idéias inovadoras para novos paradigmas de de redes e serviços Pretende criar a European Experimental Facility (EEF), ambiente formado pela interconexão e federação de redes experimentais, existentes e futuras, para tecnologias Internet emergentes ou futuras Primeiros projetos selecionados em 2008 41

FIRE/Panlab (FOKUS/DE) www.panlab.net 42

FIRE/OneLab (UPMC, FR) www.onelab.eu Histórico: Mar/04: baseado em ENEXT (Identificação de ambientes experimentais críticos para pesquisa em redes) Set/06: OneLab1 financiado como projeto IST da CE (FP6): 10 parceiros, 2 anos Set/08: OneLab2 financiado como projeto IST da CE (FP7): 26 parceiros, 2 anos OneLab1 Metas estender PlanetLab para novas redes, não cabeadas melhorar monitoramento de PlanetLab assumir administração de nós PlanetLab na Europa 43

FIRE/Federica www.fp7-federica.eu 44

Comparação dos protótipos de FIRE 45

Atividades no Japão AKARI - http://akari-project.nict.go.jp/eng/overview.htm pretende implementar uma rede de nova geração até 2015, baseada numa nova arquitetura o projeto supõe o emprego de um ambiente experimental empregando técnicas de virtualização, como descritas em GENI 46

Perspectivas no Brasil Fase 2 do Projeto GIGA (RNP- CPqD) efetivamente, o financiamento do GUGA terminou em dez/2007, embora continue a funcionar a rede experimental desde 2007 a RNP e o CPqD busca recursos para continuar a manter um ambiente experimental para suas comunidades de pesquisadores a proposta da RNP é dar maior ênfase à pesquisa em arquiteturas novas de rede, visando o futuro da Internet 47

Perspectivas no Brasil INCT/Ciência Web (consórcio liderado pela UFRJ) em 2008, grupo de 8 pesquisadores de (RNP, UFF, UFPA, UNIFACS, USP) propôs linha de pesquisa em Arquiteturas de Internet do Futuro ênfase principal em pesquisa experimental, usando ambiente inspirado em PlanetLab / VINI, incluindo extensões para redes de acesso sem fio pretende-se usar infraestrutura da RNP para comunicação a longa distância Notas: VINI requer acesso a uma rede de camada <3 isto depende da nova geração de RNP (FuturaRNP), prevista para 2010 48

FuturaRNP e 2010 A RNP está engajada em várias iniciativas que está mudando a natureza da sua infraestrutura: mudança para rede nacional de camada 2, fornecendo serviço de circuitos fim a fim (estátcos e dinâmicos), além de IP roteado (Rede Híbrida) conclusão da implantação das redes metro, baseadas em tecnologia Ethernet (camada 2) grande aumento de capacidade, quando possível através de múltiplos lambdas em sistemas DWDM Uma possível consequencia desejável seria a reserva de capacidade permanente para atividades experimentais segregadas do tráfego de produção (a la GENI) 49

Federação com outras iniciativas A criação de uma ambiente experimental no Brasil para dar suporte de novas arquiteturas e aplicações facilitará a cooperação internacional com outras iniciativas no exterior Isto seria viabilizado através da interconexão (federação) do ambiente nacional com seus semelhantes Deve se observar que tal federação caracteriza as iniciativas apresentadas da EUA e EU. 50

A Internet do Futuro será híbrida 51

A Internet do Futuro será híbrida 52

PlanetLab Everywhere, Rio, 20/4/2009 http://www.midiacom.uff.br/pleverywhere 53

10º Workshop RNP, Recife, 25 e 26/5 http://www.rnp.br/wrnp/2009/ 54

Obrigado! Michael Stanton (michael@rnp.br) www.rnp.br