Slutrapport 2007-2008 ROVER 1 Inledning Detta är ett dokument som beskriver verksamheten under 2007 och 2008 inom forskningsprojektet ROVER, som stöds av.se. Projektrapportering sker enligt den mall som specificerats i projektbeskrivningen för ROVER. Projektet startade 20070101 och slutade 20081231. Projektet ROVER, Routing in Overlay Networks, är ett projekt för forskning med inriktning på mediadistribution i overlay-nätverk, speciellt forskas kring QoS-medvetna algoritmer och mekanismer för vägval i overlaynätverk. Huvudfrågorna handlar om implementering av middleware, forskning kring olika relevanta protokoll, exempelvis distributionsprotokoll för strömmande media och vägvalsprotokoll som tillåter mjuka QoS-garantier för noder i ROVER. Vidare testas några av dessa protokoll med hjälp av en testbädd. 2 Mål och syfte Projektets syfte är att utveckla teorin för att understödja en overlay-baserad testbädd där olika idéer och koncept för utveckling av overlay-vägval som stödjer exempelvis minimering av parametrar som fördröjning eller maximering av bandbredd kan implementeras och testas. Målet är att bedriva forskning på en tjänsteorienterad nätverksarkitektur som är öppen för både forskare och i förlängningen aktörer från industrin. Det övergripande syftet för projektet är att åstadkomma en alternativ lösning för mediadistribution som fungerar i en verklig miljö och som kan användas för att erbjuda tjänster relevanta för Content Distribution Network (CDN), exempelvis strömmande video och on-demand tjänster. Målsättningen är att iordningställa en testbädd för forskning och testning av overlay-vägval för mediadistribution samt även att implementera och forska på vägvalsalgoritmer. 3 Projektbeskrivning Detta är ett projekt för forskning med inriktning på multimedia distribution i overlay-nätverk, speciellt forskas det på QoS-medvetna algoritmer och mekanismer för vägval i overlay-nätverk. Tekniken som används är multicast overlay-vägval med mjuka QoS-garantier kombinerat med avancerad nätverksdiagnostik och automatisk felrapportering till abonnenterna. Särskild fokus läggs på strömmande data och on-demand tjänster. Vi utvecklar nya vägvalsmekanismer med garantier för tjänstekvalitet samt funktionalitet för en-till-flera vägval (multicast). Huvudmålen med projektet är att identifiera trafikegenskaper hos overlay-nätverk samt de relaterade Peer-to-Peer (P2P) nätverken, härleda nya kvantitativa resultat, kostnadseffektiva algoritmer och mjukvara för prestandaanalys och prediktering av vägvalen i overlay-nätverk. Projektet ämnar även tillämpa optimeringsmetoder för att studera och föreslå overlay vägvalsprotokoll med optimala vägval. Overlay-vägval drar nytta av kunskap om prestandan i det underliggande nätverket för att kunna anpassa end-to-end (e2e) beteeendet hos noder som är asymmetriska med avseende på exempelvis konnektivitet, tillgänglig bandbredd och processorkapacitet, samt även brist på struktur mellan dem. Overlay-vägval har möjlighet att tillhandahålla tjänstekvalitet för specifika applikationer utan att göra avkall på Internets besteffort modell. Det är exempelvis möjligt att kringgå de vägval som görs av BGP (Border Gateway Protocol) för att öka prestanda och feltolerans. Vidare kan dessa overlay-nätverk anpassas till det underliggande fysiska 1
nätverket genom kommunikation mellan lagren i nätverksstacken. Detta medför stora fördelar, då det drastiskt minskar mängden signaleringstrafik i dessa. Projektet ämnar utveckla teorin för att understödja en overlay-baserad testädd där olika ider och koncept för utveckling av overlay-vägval som stödjer exempelvis minimering av parametrar som fördröjning eller maximering av bandbredd i multicast miljö kan implementeras och testas. Målet är att bedriva forskning på en tjänsteorienterad nätverksarkitektur som är öppen för både forskare och i förlängningen aktörer från industrin. Projektet är särkild relevant för individer och organisationer med intresse och behov av kvalitetssäkrad överföring av media samt mediadistribution, tex distributionsmekanismer, topologiska konstruktioner och congestion control. Projektet omfattar forskning inom flera relevanta områden, såsom P2P nätverk, optimala overlay-vägval i multicast-miljö, QoS mekanismer, tjänstekvalitetsgarantier, congestion control, insikter om BGP-problematik, topologi och resursupptäckt, tålighet mot förändringar och avbrott i konnektivitet, modellering och prestandaanalys, management och resursorkestrering. Projektet tar däremot inte upp frågor gällande admission control, trust management, samt kryptering och authentisering, t ex Digital Rights Management (DRM). Idag finns det några få, om ens några alls, öppna protokoll för QoS-medvetna overlay-vägval. Samma sak gäller implementationer för IPTV och dess protokoll. Vi vill därför åstadkomma en alternativ lösning för mediadistribution som fungerar i riktig miljö och som kan användas för tjänster relevanta för Content Distribution Networks (CDN), t ex videoströmmande och on-demand tjänster. Dessa tjänster sammankopplas med en mängd nya krav, t ex, multicast, hög och mycket hög bandbredd, låg fördröjning, små paketförluster, billing, autentisering, upphovsrätten osv. Detta gör i sin tur att det krävs arkitekturella lösningar som är oberoende av eventuella förändringar i morgondagens Internet. Dessa lösningar måste vara skalbara, robusta samt kunna erbjuda mjuka kvalitetsgarantier för multimediatjänster. 4 Organisation ROVER-gruppen består av följande personer: 1. Adrian Popescu, projektledare, professor Blekinge Tekniska Högskola (BTH), Karlskrona 2. Doru Constantinescu, TeknDr, idag anställd på HiQ, Karlskrona 3. David Erman, TeknDr, universitetslektor BTH, Karlskrona 4. Dragos Ilie, TeknDr, idag anställd på Business Security, Lund 5. Alex Popescu, doktorand BTH och University of Bradford, Storbritannien 6. Karel de Vogeleer, doktorand BTH, Karlskrona 7. Emiliano Pecchia, exjobbare BTH, på besök från University of Pisa, Italien 8. Elmokashfi Ahmed, exjobbare BTH, på besök vid FOKUS, Berlin, Tyskland 2
5 Leverabler Nr Namn leverabel Beskrivning Leveransdatum Status 1 Start Projektet startar 20070101 OK 2 Arkitekturell beskrivning Kravställning, kravdokumentation, 20070130 OK högnivåbeskrivning av testbädden, komponentval, implementationsplan 3 Gränsnittsbeskrivning Dokument som beskriver vilka 20070215 OK gränssnitt som finns till ROVER-middleware, hur man använder dem, samt stub-gränssnitt för punkt 2 4 Färdigt implementerat Fungerande testbädd för testning av 20070630 OK testbädd overlay-protokoll, med bl a stöd för topologi-, nod- och meddelandehantering 5 Protokollförslag och Distribution för strömmande 20070731 OK specifikationer media på regional och lokal nivå som tillåter mjuka QoS garantier 6 Protokollimplementationer Initiala implementationer 20070930 OK 7 Teoretiska modeller Teoretisk modellering, 20071231 OK och prestandavalidering protokollvalidering, samt publicering i vetenskapliga forum 8 Installation PlanetLab Installation av BTHs 20080430 OK knutpunkt inom PlanetLab 9 Simulatorimplementation Design och implementation av 20080531 OK unicast overlay-vägval en simulator under OMNet++ för overlay-vägval som tillåter mjuka QoS garantier i unicasttopologier 10 Design multicast Design av overlay-vägval som 20080630 OK overlay-vägval tillåter mjuka QoS garantier i multicasttopologier 11 Implementation av PlanetLab Implementation av PlanetLab 20080930 Delvis versionen versionen för overlay-vägval som tillåter mjuka QoS garantier i unicasttopologier 12 Testning av Testning av ROVER 20081215 Delvis ROVER protokoll protokoll i PlanetLab 6 Resultat Vi rapporterar följande resultat: 1. Design av testbädd som används för design och implementering av overlay-algoritmer 2. Implementation av testbädd, dvs middleware infrastruktur 3. Design och implementation av algoritmer för mediadistribution 4. Implementation av PlanetLab versionen samt testning (delvis) 5. Teoretisk modellering samt prestandavalidering av våra modeller 6. Idag deltar vi i två europeiska projekt där vi direkt tillämpar våra i ROVER uppnådda resultat: MOBICOME: EU EUREKA projekt med elva partners från Norge, Spanien och Sverige, http://www.mobicome.org 3
PERIMETER: EU FP7 STREP projekt med tio partners från Spanien, Israel, Schweitz, Österrike, Irland, Sverige, Tyskland, Turkiet och Italien, http://www.ict-perimeter.eu/index.php 7. Ett annat projekt där man direkt tillämpar våra i ROVER uppnådda resultat är Implementation av mekanismer för mediadistribution. TeknDr David Erman är projektledare för detta projekt, som stöds av.se. Mer detaljerade resultat är följande: 1. Middleware för design och implementering av overlay-algoritmer 2. Overlay Routing Protocol (ORP) protokollet, som kan användas för att forska fram och utveckla nya overlay-vägval protokoll med mjuka QoS garantier. ORP protokollet består av två protokoll, Route Discovery Protocol (RDP) och Routing Maintainance Protocol (RMP). 3. Prestandavalidering av ORP via simulering 4. Prestandavalidering av BitTorrent (BT) protokollet via trafikmätningar och simulering 5. Delvis implementation av PlanetLab versionen av ORP samt testning (gäller bara för RDP protokollet) 6. Vi föreslår små ändringar till BT som gör att protokollet kan även användas för videodistribution. Dessa frågor forskas vidare i ett fortsättningsprojekt som kallas Mekanismer för mediadistribution, och som finansieras av.se under tiden 20080801 till 20090731 7. Prestandavalidering via simulering av de tre viktigaste kategorier multicastprotokoll för overlay-nätverk: Application Layer Multicast Infrastructure (ALMI), Narada och NICE 7 Vetenskapliga resultat Vi rapporterar följande vetenskapliga resultat: 1. Tre doktorsavhandlingar 2. Fyra journal-publikationer 3. Fyra tutorial/föredrag 4. Tretton konferens-publikationer 5. Sex tekniska rapport 6. Tre exjobb (MSc) PhD thesis 1. Dragos Ilie, On Unicast QoS Routing in Overlay Networks, October 2008, BTH, Karlskrona 2. David Erman, On BitTorrent Media Distribution, March 2008, BTH, Karlskrona 3. Doru Constantinescu, Overlay Multicast Networks: Elements, Architectures and Performance, December 2007, BTH, Karlskrona Refereed journals and magazines 1. Constantinescu D. and Popescu A., A Comparative Study of Overlay Multicast Networks, submitted for publication to Computer Networks journal, Elsevier, January 2009, still pending 2. Erman D., Saavedra D., Sanchez J.A. and Popescu A., Validating and Extending BitTorrent Models, Telecommunication Systems journal, Springer Netherlands, DOI 10.1007/s11235-008-9115-z, ISSN 1018-4864 (Print) and 1572-9451 (Online), 2008 4
3. Ilie D. and Popescu A., Statistical Models for Gnutella Signaling Traffic, Computer Networks journal, Elsevier, Vol. 51, Issue 17, pp. 4816-4835, December 2007 4. Erman D., Ilie D. and Popescu A., BitTorrent Session Characteristics and Models (Extended Version), accepted for publication, to appear in the special journal issue dedicated to Performance Modelling and Evaluation of Heterogeneous Networks HET-NETs 05 and HET-NETs 06, Elsevier, COMCOM HET- NETs Special Issue 2 Invited tutorials and talks 1. Popescu A., Media Distribution in IP Networks, invited speech, Internetdagarna, Stockholm, Sweden, October 2008 2. Popescu A., Seamless Mobility, invited speech, Universidad Politecnica de Valencia, Spain, June 2008 3. Popescu A., Towards the Next Generation Handover, keynote speech, 5th International Working Conference on Performance Modeling and Evaluation of Heterogeneous Networks (HET-NETs 2008), Karlskrona, Sweden, February 2008 4. Popescu A., ROVER: Towards a New Generation of Content Distribution Networks, tutorial, NoE Euro-FGI Plenary Meeting, Sophia Antipolis, France, February 2007 Refereed conference 1. Pecchia E., Erman D. and Popescu A., Simulation and Analysis of a Combined Mobility Model with Obstacles, 2nd International Conference on Simulation Tools and Techniques (SIMULTOOLS) 2009, Rome, Italy, March 2009 2. Popescu Adrian, Ilie D., Erman D., Fiedler M., Popescu Alex and de Vogeleer K., An Application Layer Architecture for Seamless Roaming, 6th International Conference on Wireless On-Demand Network Systems and Services, Snowbird, Utah, USA, February 2009 3. Popescu Adrian, Erman D., Ilie D., Fiedler M., Popescu Alex and de Vogeleer K., Seamless Roaming: Developments and Challenges, Euro-NF Workshop on Wireless and Mobility, Stockholm, Sweden, October 2008 4. Constantinescu D. and Popescu A., On the Performance of Overlay Multicast Networks, 5th Swedish National Computer Networking Workshop SNCNW2008, Karlskrona, Sweden, April 2008 5. Erman D., De Vogeleer K. and Popescu A., On Piece Selection for Streaming BitTorrent, 5th Swedish National Computer Networking Workshop SNCNW2008, Karlskrona, Sweden, April 2008 6. De Vogeleer K., Erman D. and Popescu A., Simulating BitTorrent, 1st International Workshop on the Evaluation of Quality of Service through Simulation in the Future Internet (QoSIM), Marseille, France, 2008 7. De Vogeleer K., Ilie D. and Popescu A., Constrained-Path Discovery by Selective Diffusion, 5th International Working Conference on Performance Modeling and Evaluation of Heterogeneous Networks (HET-NETs 2008), Karlskrona, Sweden, February 2008 8. Popescu Alex, Ilie D. and Kouvatsos D., On the Implementation of a Content-Addressable Network, 5th International Working Conference on Performance Modeling and Evaluation of Heterogeneous Networks (HET-NETs 2008), Karlskrona, Sweden, February 2008 9. Elmokashfi A., Kleis M. and Popescu A., NetForecast: A Delay Prediction Scheme for Provider Controlled Networks, IEEE GLOBECOM 2007, Washington DC, USA, November 2007 10. Ilie D. and Popescu A., A Framework for Overlay QoS Routing, 4th Euro-FGI Workshop on New Trends in Modelling, Quantitative Methods and Measurements (WP IA.7.1), Ghent, Belgium, May/June 2007 5
11. Constantinescu D. and Popescu A., Implementation of Application Layer Multicast in OverSim, 4th Euro-FGI Workshop on New Trends in Modelling, Quantitative Methods and Measurements (WP IA.7.1), Ghent, Belgium, May/June 2007 12. Erman D., Extending BitTorrent for Streaming Applications, 4th Euro-FGI Workshop on New Trends in Modelling, Quantitative Methods and Measurements (WP IA.7.1), Ghent, Belgium, May/June 2007 13. Popescu A., Constantinescu D., Erman D. and Ilie D., A Survey of Reliable Multicast Communication, 3rd Euro-FGI Conference on Next Generation Internet Networks NGI 2007, Trondheim, Norway, May 2007 Diverse 1. Ilie, D., Optimization Algorithms with Applications to Unicast QoS Routing in Overlay Networks, technical report Blekinge Institute of Technology, ISSN 1103-1581, No. 2007:09, Karlskrona, Sweden, 2007 2. Constantinescu D., Erman D., Ilie D. and Popescu A., Congestion Control in Overlay Networks, research report Blekinge Institute of Technology, ISSN 1103-1581, No. 2007:01, Karlskrona, Sweden, 2007 3. Popescu, A., Multimedia Distribution over IP, technical report Blekinge Institute of Technology, ISSN 1103-1581, No. 2007:02, Karlskrona, Sweden, 2007 4. Erman, D., Replication Strategies for Streaming Media, technical report Blekinge Institute of Technology, ISSN 1103-1581, No. 2007:03, Karlskrona, Sweden, 2007 5. Ilie D. and Erman D., ROVER Middleware API, internal report Blekinge Institute of Technology, February 2007 6. Ilie D. and Erman D., ROVER High-Level Architecture, internal report Blekinge Institute of Technology, January 2007 MSc thesis 1. Emiliano Pecchia, Simulation and Analysis of a Combined Mobility Model with Obstacles, November 2008 2. Karel de Vogeleer, QoS Routing in Overlay Networks, June 2007 3. Ahmed Elmokashfi, Scalable, Decentral QoS Verification Based on Prediction Techniques and Active Measurements, January 2007 8 Utvärdering och analys Med referens till ovan nämnda resultat, kan man påstå att ROVER är ett framgångsrikt projekt. summera, våra resultat består av följande: För att Leverans av utlovade leverabler Tre doktorsavhandlingar Stort antal publikationer Tillämpning av i ROVER uppnådda resultat i två europeiska projekt samt i ett.se fortsättningsprojekt Ett mindre positivt resultat är att PlanetLab implementationen av våra overlay-vägval protokoll samt deras testning i PlanetLab inte blev färdigt. Detta beror på stor arbetsbelastning samt även generations skifte av våra doktorander. 6
9 Framtida arbeten Våra resultat i ROVER projektet används nu i två europeiska projekt samt ett.se fortsättningsprojekt. Dessa projekt handlar om IMS (MOBICOME), sömlös kommunikation (PERIMETER) och mekanismer för mediadistribution (.SE projektet). Vi planerar dessutom för att söka om ytterliggare stöd till ROVER projektet för att kunna implementera färdigt och testa ORP protokollet i PlanetLab. Ett annat fortsättningsprojekt där vi kan använda ROVER resultaten handlar om styrning av kognitiva radionätverk. Vi planerar därför för att söka stöd (EU FP7 Call 5) även för detta projektet. 7