PROJETO DE PESQUISA
Projeto: INSSERTA: Infra-estrutura para o suporte de serviços em redes de tecnologia avançada
Coordenador: Michael Anthony Stanton
Departamento da Ciência de Computação
Instituto de Computação
Universidade Federal Fluminense
Data: 07/05/2000
1. Introdução
Desde que o Brasil passou a integrar a Internet em 1991, passamos a acompanhar sempre mais de perto a evolução da tecnologia usada nesta grande rede. Felizmente, a própria existência da rede propicia meios de fazer eficientemente este acompanhamento, e hoje em dia não deve haver nenhuma instituição de pesquisa sem conectividade. Adicionalmente, com o início em 1995 da operação comercial da Internet no País, cresceu ainda mais a importância da aplicação apropriada desta tecnologia, para que sejam tornados mais produtivos os investimentos feitos em infra-estrutura.
Durante estes últimos anos, os maiores esforços de muitas pessoas foram concentrados na efetiva implantação de redes de comunicação de dados, especialmente usando a tecnologia Internet na comunidade acadêmica. É de conhecimento geral a evolução destas redes, culminando na passagem para taxas de transmissão de 2 Mbps das principais conexões nacionais e internacionais no final de 1995, e com o início de utilização de taxas de 155 Mbps tornadas disponíveis no estado do Rio de Janeiro em abril de 1999. O proponente deste projeto faz parte deste esforço comunitário desde 1987.
Na atual fase da rede acadêmica, a atenção se volta para a chamada Internet2 [Internet2], que se refere à infra-estrutura de redes que deverá servir as novas aplicações, especialmente de multimídia interativa, que cada dia assumem uma importância maior. Para possibilitar o uso destas aplicações torna-se necessário modificar a tecnologia das redes, para afastar-se de tecnologia de melhor esforço e incorporar garantias efetivas de qualidade de serviço (QoS). Cumprir esta meta, e manter compatibilidade e funcionamento dos serviços existentes, são os principais desafios do momento.
Propomos aqui um projeto que visa aproveitar os recursos materiais e humanos do grupo de pesquisa em redes de computadores do Instituto de Computação da UFF para participar nesta jornada, e contribuir para sua efetiva cumprimento. Isto seria feito através de estudos, e experimentação nos laboratórios do IC e de outras instituições vizinhas.
2. A convergência tecnológica
A principal tecnologia de rede de dados em uso hoje é a comutação de pacotes, introduzida no final dos anos 60 para usar eficientemente a banda de transmissão, através da multiplexação estatística dos fluxos variáveis de dados gerados pelas aplicações. Adicionalmente, a comutação de pacotes oferece melhor atendimento a aplicações interativas, por limitar o retardo causado por tráfego cruzado. Finalmente, a comutação de pacotes permite gerenciar banda de transmissão de forma automática, pois a admissão de mais um fluxo a um enlace já multiplexado sempre poderá ser realizado ao custo de uma diminuição pequena na fração da banda total alocada a cada fluxo existente, o que corresponde a uma degradação suave do desempenho da aplicação responsável pelo fluxo. Dizemos que a infra-estrutura de transmissão utiliza o melhor esforço para atender a todos seus clientes. A principal instância do uso desta tecnologia atualmente é a Internet.
Os últimos 10 anos testemunharam uma mudança de enfoque da Internet, que se limitava a prover serviços tradicionais de comunicação de dados, envolvendo transferência de arquivos, consultas a bases de dados e correio eletrônico, para uma preocupação crescente com aplicações mais exigentes do que estes no que tange ao desempenho. Entre estas aplicações novas estão incluídas a transmissão de meios contínuos (voz e vídeo), especialmente a telefonia e a videoconferência, e as de tempo real. Estes aplicações poderão até ser usadas com a infra-estrutura tradicional, desde que não haja contenção para o uso dos recursos da rede. Havendo contenção, as redes tradicionais a resolvem compartilhando os recursos entre os solicitantes, sem haver favorecimento de nenhum, como explicado acima. Infelizmente, as novas aplicações poderão até ser inviabilizadas nesta situação, e certamente serão prejudicadas.
A solução evidente para atender às exigências destas novas aplicações é dedicar recursos de rede para sua transmissão. O caso clássico é a rede de telefonia, baseada na comutação de circuitos, que dedica um canal duplex fim a fim de 64 kbps para cada ligação de voz ativa. Adicionalmente, a rede de telefonia é construída de tal forma que garante não apenas a banda de 64 kbps para cada conexão, mas limita o retardo e a variação do retardo (jitter) do tráfego transmitido. O controle destes itens de banda, retardo e variação de retardo possibilita prover ao cliente garantias de qualidade de serviço (QoS) deste serviço.
A rede de telefonia permite, então, a alocação de recursos para aplicações, porém, a um custo grande, pois sua capacidade de transmissão é totalmente apropriada apenas para aplicações que consomem banda constante e igual nos dois sentidos. Nem uma conversação telefônica tem esta característica, por causa dos períodos de silêncio, que, em média, somam a mais de 50% do tempo de ocupação do circuito. Podemos dizer que o sistema de telefonia consegue garantir sua QoS a um alto custo, porque precisa oferecer pelo menos o dobro da capacidade estritamente necessária para alcançar este objetivo.
A introdução do ATM (Asynchronous Transfer Mode) originou como uma proposta da comunidade das telecomunicações (União Internacional de Telecomunicações - ITU) para adaptar a abordagem de pacotes para dar suporte simultâneo a aplicações de dados e de multimídia. Isto seria feito através da introdução de células, pequenos pacotes de tamanho fixo, como a unidade de transmissão e comutação. Com uso das células, seria possível a multiplexação eficiente do tráfego de diversos tipos, além de limitar o retardo devido ao tráfego cruzado. Finalmente, o ATM prevê a possibilidade de solicitar e conceder garantias de QoS para fluxos individuais. Evidentemente, deverá existir um mecanismo de controle de admissão, pois os recursos de transmissão são sempre limitados. Esta tecnologia já é amplamente usada, principalmente em redes backbone, e seus usuários têm as vantagens de manter e operar uma infra-estrutura de rede única para oferecer, por exemplo, serviços de telefonia, vídeo e dados convencionais, na chamada RDSI-FL - Rede Digital de Serviços Integrados de faixa larga.
O ATM se ofereceu originalmente como alternativa às redes de pacotes e de circuitos. Porém parece pouquíssimo provável que ele venha a suplantar estas, pelo menos na parte "folha" das redes, próximo dos usuários, por razões de custo - para atender a pequeno número de terminais, continua sendo mais barato usar as duas tecnologias tradicionais. Isto explica a limitação do ATM às redes backbone. Esta limitação criou um desafio: como iria ser providenciada a comunicação fim a fim, com garantias de QoS, numa rede heterogênea, onde uma parte, talvez o núcleo, seria implementada com ATM, e as folhas usariam comutação de pacotes ou de circuitos? Neste segundo caso, a interoperação é mais fácil, pois seria apenas para aplicações de telefonia, e a concatenação de circuitos de voz com os circuitos virtuais do ATM é relativamente simples. O caso mais complexo e difícil seria a interoperação de ATM com redes baseadas em comutação de pacotes em redes locais, principalmente, porque, historicamente, estas não costumavam dar garantias de QoS.
Desde a primeira metade dos anos 90 a comunidade Internet aborda o problema de como integrar serviços numa inter-rede (concatenação de redes heterogêneas). A primeira solução proposta se baseou no protocolo RSVP (Resource ReSerVation Protocol) [Braden 1994], que permitiria modificar o modelo tradicional de melhor esforço da Internet, para permitir a reserva de recursos de transmissão para fluxos (aplicações) específicas, que coexistiriam com as aplicações tradicionais. O grupo de trabalho IntServ da Internet Engineering Task Force (IETF) já definiu dois tipos de serviço com garantias, o Guaranteed Service [Schenker 1997] e o Controlled Load Service [Wroclawski 1997].
O problema da integração de redes de pacotes com a ATM teve avanços. Com o aparecimento de tecnologias sempre mais rápido de Ethernet, a IETF e o IEEE procuraram formas de dar suporte para garantir QoS em redes locais. Isto foi realizado com a publicação em 1998 das normas 802.1D e 802.1Q [IEEE], tratando de comutação e redes virtuais usando a tecnologia IEEE 802, respectivamente. O acréscimo principal, do ponto de vista da QoS, foi a inclusão de um campo de prioridade no cabeçalho dos quadros de dados nas redes locais, possibilitando o tratamento diferenciado no escalamento destes quadros nos comutadores.
Criou-se mais um grupo do trabalho do IETF, a partir do reconhecimento que a proposta do GT IntServ não seria escalável para grandes redes backbone, devido à necessidade de manter "estado" referente a cada fluxo individual em cada roteador do seu caminho. O novo grupo criou a proposta de Serviços Diferenciados (DiffServ) [Blake 1998], onde os fluxos individuais seriam classificados e recursos alocados às classes, ou seja, a agregados de fluxos. A classe do fluxo seria identificado por um campo, chamado DS, no cabeçalho do datagrama IP. Haveria um mapeamento simples entre este esquema e a proposta de prioridade em redes IEEE 802 mencionada acima. Uma classe poderá ser associada a um tratamento específico no roteador, chamado de Per-Hop Behaviour (PHB). Foram definidos já vários grupos de PHB, entre as quais estão o Assured Forwarding [Heinanen 1999] e o Expedited Forwarding [Jacobson 1999].
Como seria de se esperar, já começam a aparecer produtos que incorporam estas novas tecnologias, apesar do fato que ainda estão em discussão diversos detalhes das propostas oriundas da IETF. Entre estes detalhes tem os mecanismos gerenciais que deverão ser utilizados para administrar o acesso aos serviços de transmissão com QoS. Afinal, se existem mecanismos que privilegiarão certos fluxos, deverá ser controlado o acesso a eles, como também deverá ser contabilizada sua utilização, para alocação de custos e possível tarifação.
O que estamos observando, portanto, é a realização da sonhada convergência entre duas visões de como deveriam ser providos serviços de comunicação em rede: a rede de melhor esforço, onde é tarifada apenas a capacidade bruta de conectividade, e onde não são dadas garantias de desempenho, e a rede de serviço garantido, onde há controle de admissão, e tarifação baseada no consumo de recursos. Na rede integrada que está emergindo, os dois tipos de serviço existirão lado a lado, usufruindo da mesma infra-estrutura de transmissão e comutação, além de operação e gerenciamento.
Talvez o que mais impulsiona esta convergência seja a aplicação de telefonia sobre IP, que representa a integração entre as duas categorias de rede tradicionais. Considerada por alguns [QoSforum 1999a] como a killer application (a aplicação que vai tornar irresistível a solução tecnológica) das redes convergentes, a telefonia sobre IP possibilita a interoperação entre a rede comutada de telefonia e computadores multimídia em redes IP, além de comunicação entre pares de centrais telefônicas, ou comunicação por voz (e, talvez, vídeo) entre dois computadores, por meio de uma rede de dados [Clark 1997]. Para possibilitar uma comunicação eficaz de voz, será essencial garantir o bom desempenho da comunicação na rede de dados, e, se não houver grande capacidade ociosa na rede de dados, será essencial o emprego de alguma tecnologia que permita reservar recursos, para garantir a QoS do serviço de transmissão de voz. Em particular, deve ser notado que redes locais com compartilhamento de meio físico (com uso de hubs) são totalmente inapropriadas para suportar aplicações requerendo QoS. As redes locais para voz deverão ser comutadas: com carga baixa, poderiam ser usados comutadores antigos; se houver contenção para recursos será necessário o uso de comutadores seguindo as normas 802.1D (1998) e 802.1Q do IEEE.
Os recursos relevantes da UFF consistem dos materiais e humanos. Os recursos materiais são providos pela sua infra-estrutura de rede de comunicação [Stanton 1999] e os laboratórios a ela ligados. As instalações da UFF em Niterói estão espalhadas por 16 locais, o que sempre ocasionou problemas e custos de comunicação. A partir de 1997, estão sendo transformados de ponta a ponta os meios de comunicação da universidade. Em 1997, através da instalação de enlace de rádio digital através da Baía da Guanabara, elevou-se para 2 Mbps a taxa de transmissão da conexão entre a RedeUFF e a Rede-Rio, rede acadêmica regional operado pelo governo do estado do Rio de Janeiro desde 1990. Em 1998, foi montada uma rede de 24 km de cabos de fibra ótica, interligando 12 dos locais ocupados pela UFF, e estendendo-se a mais de 50 prédios. Ao mesmo tempo foram adquiridos equipamentos de comutação para montar uma rede de dados, e atualmente opera-se um backbone ATM com 5 nós, e com taxas de transmissão até 622 Mbps. A partir deste backbone estão ligados todos os prédios alcançados pela rede ótica, com taxa mínima de 100 Mbps, através de um comutador Ethernet ou Fast Ethernet.
No primeiro semestre de 2000, a rede ótica está sendo complementada pelo cabeamento estruturado dos prédios, alcançando um número total de mais de 5300 pontos, cada um dos quais receberá duas tomadas de rede, a princípio, uma para voz (telefonia) e outra para dados. Esta obra deverá ser concluída até julho de 2000, e complementada pela aquisição de um novo sistema de telefonia, para atender, inicialmente, pelo menos 2500 ramais. Há uma grande possibilidade que a solução tecnológica usada para o sistema de telefonia envolva a telefonia sobre IP, aproveitando da rede existente de dados, sobre fibra ótica, para comunicação entre centrais instaladas em campi diferente. Adicionalmente, seria possível a utilização de computadores como terminais telefônicos em certas situações.
Desde 1997, a UFF ambiciona melhorar a capacidade da sua conexão externa. Frustrada temporariamente em sua pretensão de participar numa das REMAVs (REde Metropolitana de Alta Velocidade), organizada pela RNP a partir daquele ano, confia que seja encontrada uma solução para esta barreira a sua participação na montagem da versão nacional da Internet2, a chamada RNP2 [RNP]. Como já conta internamente com instalações pelo menos tão modernas quanto as instituições que já participam da REMAV/RJ, falta-lhe, basicamente, o meio de conexão em alta velocidade, o qual poderia ser suprido facilmente através de enlace de rádio digital de 34 ou de 155 Mbps atravessando a Baía da Guanabara.
O laboratório do Instituto de Computação é nó da rede ótica da universidade, podendo contar com um comutador Fast Ethernet para seu uso interno. Além do usufruto dos equipamentos deste laboratório, o grupo de pesquisa em redes do IC tem perspectivas de interação com órgãos responsáveis para a prestação de serviço de redes acadêmicas usadas pelo IC, tais como o Núcleo de Processamento de Dados da UFF, o Centro de Operações da Rede-Rio, localizado no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF/MCT), e a Coordenação de Operações da RNP, localizada no Instituto de Matemática Pura e Aplicada (IMPA/MCT).
Ainda foram estabelecidas bases de entendimento para colaboração com pesquisadores do Instituto de Artes e Comunicação Social da UFF, especialmente nas áreas de rádio e televisão, que desenvolvem projetos de transmissão destas mídias pela RedeUFF. Adicionalmente este instituto sediará os canais de TV comunitária e universitária de Niterói, com geração com o sinal para a empresa distribuidora de TV a cabo na cidade. Poderão surgir problemas interessantes associados ao entroncamento da RedeUFF com a rede desta empresa, e à transmissão dos sinais de vídeo. Adicionalmente, pode haver um incentivo maior para essa empresa passar a ser provedor de rede de dados para seus clientes, e colaborar com a universidade para obter acesso à Internet.
Em termos de recursos humanos, este projeto conta com um professor-pesquisador do quadro docente do IC, e a colaboração eventual do professor Carlos Alberto Malcher Bastos do departamento da Engenharia de Telecomunicações, cuja tese de doutorado se encaixa bem no tema [Malcher 1997, Malcher 1998]. Deve-se notar que dois dos professores de redes do departamento da Engenharia
de Telecomunicações, Marcos Tadeu von Lützow Vidal e Luís Cláudio Schara Magalhães, cursam atualmente o doutorado, na UFRJ e na U. de Illinois, respectivamente. Espera-se seu retorno ao quadro em 2001. O programa de pós-graduação em computação se iniciou em 1995, e já está em regime estável o curso de mestrado. O proponente deste projeto já teve defendidas 3 dissertações de mestrado por ele orientadas [Barra 1997, Machado 1998, Azevedo 1999], e no primeiro período de 2000 estará orientando mais 5 alunos de dissertação de mestrado. Desde 1997, ele também orientou uma tese de doutorado [Malcher 1997] e 2 dissertações de mestrado [Reis 1999, Oliveira 1999], que foram defendidas no Departamento de Informática da PUC-Rio, e atualmente orienta mais 3 alunos de doutorado desta instituição, dos quais dois estão em fase de tese..
Finalmente, nos últimos anos, há uma história de participação do grupo de pesquisa em redes da UFF em projetos inter-institucionais, especialmente o TRAVEL - Tecnologia de Redes de Alta VELocidade (da fase 2 do ProTeM-CC) [TRAVEL], e o GERENTE - GErenciamento de Redes incluindo aplicações à ENgenharia de TElecomunicações (ProTeM-CC fase 3) [GERENTE]. A coordenação geral deste último projeto foi exercida pelo proponente deste projeto.
O projeto Internet2 [Internet2] canaliza os esforços para desenvolver a infra-estrutura da rede do futuro, que será baseada na tecnologia convergente das redes das novas aplicações, tais como da multimídia interativa. Como mencionado acima, a RNP coordena o esforço nacional correspondente, e está em vias de montar uma infra-estrutura de alta velocidade de alcance nacional, que interligará as REMAVs já operacionais para formar a RNP2 [RNP]. Em função da importância desta iniciativa e das oportunidades que ela abre para pesquisadores em redes, decidiu-se procurar realinhar apropriadamente as atividades do grupo de pesquisa em redes da UFF. Deve-se notar que isto não representa um desvio muito grande das atividades passadas, pois várias das dissertações e teses recentes orientados pelo proponente tocavam em assuntos relevantes [Barra 1997, Malcher 1997, Reis 1999]. Adicionalmente, todo o esforço recente em modernizar a infra-estrutura de comunicação da UFF também caminha em paralelo, e pode-se afirmar que a UFF está com uma rede pelo menos parcialmente da qualidade necessária para participar plenamente da RNP2. Com o aumento recente do tamanho do grupo de pesquisa em redes, e da conseqüente procura por orientação (mestrado e doutorado), a escolha dos novos estudos de pesquisa vêm sendo encaminhada dentro deste contexto.
O fundamental do projeto Internet2 é o suporte dado dentro de um rede única (integrada) a aplicações interativas de multimídia, especialmente áudio e vídeo. Como se mostrou acima, o essencial para permitir esta funcionalidade é a possibilidade de garantir QoS para as aplicações, o que está sendo viabilizado pela adoção de mecanismos, como RSVP ou Serviços Diferenciados. Boa parte destas propostas já se encontra pronta, mas ainda há diversas áreas onde continua a discussão técnica sobre as soluções [QoSforum 1999b, Xiao 1999].
Por exemplo, a solução RSVP, que, como notamos, não é escalável para redes backbone muito grandes, poderia servir muito bem em redes corporativas ou regionais. Se as redes folha usarem RSVP, mas as do núcleo usam Serviços Diferenciados, como é a interface entre estes dois ambientes? Para responder a estas e outras questões de operabilidade e gerenciamento de uma inter-rede grande, precisam existir mecanismos gerenciais. Recentemente foram apresentadas dentro da IETF propostas para gerenciar políticas de QoS, e estas são resumidas em [Rajan 1999]. O assunto de gerenciamento de QoS poderá aproveitar da experiência já adquirida pelo grupo em gerenciamento de redes, que exibe uma certa semelhança de projeto, com o uso de um protocolo padrão, neste caso chamado COPS (Common Open Policy Service), e repositórios de políticas, chamados de PIBs (Policy Information Bases).
O grande objetivo é a montagem de uma infra-estrutura de rede capaz de atender adequadamente aos requisitos das novas aplicações. No caso do projeto Internet2, esta infra-estrutura é chamada de QBone [Teitelbaum 1999], de "QoS backbone" , de forma semelhante ao MBone e ao 6Bone, para suporte para multicast e IPv6. Diferente destes, o QBone não pode ser implementado por tunelamento, pelo túnel não prover garantias de QoS. Portanto, ilhas de conectividade com suporte para QoS somente podem ser unidos por conexões reais que também suportam QoS. Isto significa que terá que ser muito bem coordenada a interoperação de dois domínios autônomos, com suporte para QoS, que se aliam para formar uma rede maior
Outras facetas do suporte para aplicações envolvem o uso de transmissão multicast (difusão seletiva) considerada imprescindível para tornar escalável o uso de certas aplicações distributivas. Há vários problemas ainda não resolvidos de modo definitiva na comunicação um para muitos ou muitos para muitos. Para citar alguns, existe o problema da confiabilidade da transmissão, que se faz necessário em várias aplicações comuns, tais como a distribuição de software, ou o compartilhamento distribuído de aplicações. Na área de multimídia, há o problema de privacidade e controle de acesso à transmissão, um problema que deverá ser resolvido para possibilitar a transmissão de TV via rede de dados, ao invés do uso de uma rede própria.
A princípio, a solução para integração entre a telefonia convencional e as redes de dados está definida, porém, ainda é pouco explorado, e há muito espaço para desenvolver aplicações interessantes nesta área, como para projetar soluções para o serviço convencional de telefonia. No evento da universidade optar por um novo sistema de telefonia baseada em transmissão por uma rede IP, haverá um excelente laboratório de trabalho para explorar estas oportunidades.
Em suma, assuntos relacionados à QoS estão no centro das preocupações dos projetistas da futura geração de infra-estrutura de comunicação, resultante da convergência das tecnologias existentes de redes. Em função da coexistência lado ao lado de pesquisadores de telecomunicações e computação, a UFF está muito bem preparado para atuar nesta área, podendo se tornar um centro de excelência no país.
Como resultado indireto desta orientação espera-se aprimorar objetivamente as condições de formação de recursos humanos altamente especializada em redes na UFF. Isto ajudaria a melhorar o conceito CAPES do programa de pós-graduação do IC, e poderia possibilitar estendê-lo para incluir também o doutorado.
5. Metodologia
Em todos estes casos, adota-se uma metodologia padrão, de monitoramento das listas de discussão técnicas, especialmente dos grupos de trabalho apropriados da IETF, e, eventualmente contribuir a estas discussões baseadas mas experiências realizadas localmente. Normalmente é aqui que aparecem primeiro muitas das idéias usadas na procura das soluções. Isto não significa que será desprezada a literatura mais convencional. Uma grande vantagem da existência da Internet é de facilitar acesso a informações e literatura. Para reforçar este benefício, o grupo de pesquisa realizará reuniões quinzenais para discussões sobre tópicos de interesse ao grupo, inclusive os resultados deste monitoramento da literatura técnica e dos grupos de trabalho.
Havendo a possibilidade de realização de trabalhos experimentais, é intenção fazê-lo. Às vezes pode-se realizar desenvolvimento de ferramentas de software, especialmente para os trabalhos ligados ao gerenciamento. Por exemplo, o software Scotty [Schönwälder 1997] já está sendo utilizado para a confecção de ferramentas de gerenciamento de redes, e este uso deve continuar.
Serão procuradas oportunidades de interagir com grupos responsáveis para a operação de serviços Internet, dentro e fora da comunidade acadêmica, se isto contribuir positivamente para o desenvolvimento dos trabalhos de pesquisa. A RedeUFF seria nosso laboratório principal, mas também imaginamos poder interagir com a Rede-Rio e a RNP. Também é possível a interação com redes corporativas nas empresas, onde trabalham alguns membros do grupo de pesquisa.
Finalmente, é possível que seja necessário realizar investimentos em equipamentos específicos à infra-estrutura, ou às aplicações relevantes para este projeto. Isto poderá incluir placas adaptadores de diferentes tecnologias de rede, placas de captura de vídeo, ou placas para uso em redes de telefonia, além dos computadores onde devem ser colocadas estas placas. Está previsto um pequeno orçamento que permita adquirir estas necessidades.
5. Atividades previstas
Segue a lista de orientados de dissertação ou de tese do proponente deste projeto, junto com uma pequena explicação da linha de trabalho de cada um:
Adicionalmente, o proponente orienta diversos alunos de pós-graduação ainda não em fase de dissertação, como também alunos de graduação em trabalho de fim de curso, De modo geral, estes trabalhos serão agregados aos temas indicados nas seções anteriores.
6 Referências Bibliográficas
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