seminário de redes multimidia
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Seminário Redes Multiḿıdia
”Network Function Virtualization Enabled Multicast Routing on
SDN”
Marco Aurélio Freesz Júnior
Universidade Federal de Juiz de Fora
15 de Dezembro de 2015
Marco Aurélio Freesz Júnior Seminário Redes Multiḿıdia 1/ 42
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Sumário:
1 IntroduçãoMotivaçãoObjetivo
Arquitetura
2 Definição do Problema
3 Algoritmos para o Problema
4 Resultados Numéricos
5 Implementação
6 Conclusão
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
Motivação
Atualmente há uma grande utilização de tráfego multiḿıdia osquais necessitam da utilização de roteamento multicast paramelhor performance.
Distribuição Live Streaming.Monitoramento de evento em tempo real.IPTV.
Caracteŕısticas/Vantagens da comunicação Multicast:
Pacotes são enviados para múltiplos destinos simultaneamente.Para isso pacotes são replicados em cada roteador eencaminhados ao destino em uma mesma sessão multicast.Economia na largura de banda em relação a múltiplasconexões unicast.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
Serviços que farão uso da topologia multicast necessitam deconfiabilidade.
SDN surge como uma opção para definir topologias multicast:Maior controle devido separação do plano de dados x controle.Centralização das regras de roteamento com atualização databela de fluxo nos elementos de rede(switches/routers).Economia de recursos no núcleo da rede por estes não
realizarem as decisões de roteamento.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
Enquanto SDN provê implementações eficientes e flex́ıveis demecanismos multicast, diversos serviços atuais de multimı́dia
(e.g. video streaming), requerem comunicação multicast quenecessitam de funções intermediárias na rede, como:
Inspeção de Pacotes.Transcodificação de V́ıdeo.
Neste contexto, surge o NFV que possibilita uma
implementação eficiente destes serviços.
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I d
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
NFV (Virtualização das Funções de Rede) trata daVirtualização sobre elementos de rede:
Máquinas Virtuais.Servidores de alto volume.
Software substitui a funcionalidade de um equipamento f́ısicona rede.
Economia de Energia e Operação.Gerenciamento Escalável.Disponibilidade de Compartilhamento de Recursos.
Por exemplo, considere um multicast de v́ıdeo o qualnecessita, antes de chegar ao usuário, alterar a sua codificaçãopara atendê-lo.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
Objetivo
Propor uma abordagem para construção de um mecanismomulticast onde os fluxos são processados por um NFV antes
de alcançar o usuário final, assim:Tratar disposição dos nós NFV.Roteamento Multicast.
Atualmente, muitas técnicas de roteamento multicast estãosendo desenvolvidas a fim de gerar uma árvore de custoḿınimo, equivalente a Steiner Tree (Problema NP Dif́ıcil).
Abordar tanto o multicast dinâmico como estático.
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I t d ˜
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IntroduçaoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
MotivaçãoObjetivoArquitetura
Arquitetura
Controlador SDN será responsável pela definição do caminho
de roteamento e seleção de nós NFV.Nó intermediário NFV será uma máquina virtual.
Implementação do mecanismo multicast usando ViNO, uminiciador SDN que usa VXLAN para conectar switchs baseados
em software(Open vSwitch). Possibilita a criação dinâmica detopologias de rede a partir da especificação do usuário.
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Introducão
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IntroduçaoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Definição do Problema
Rede: G = (V , E )
Conjunto de nós NFV candidatos: H ⊆ V
Sessão Multicast:
1 origem: s ∈ V N Destinos: D ⊆ V
Topologia Multicast: Subgrafo G ⊆ G
Para cada G :
Função: f
: D →
H
Mapeia cada destino d ∈ D para um nó NFV h ∈ H
Nós NFV de G : H ⊆ H
G entrega conteúdo multicast para todo d usando doiscaminhos: um de s para h e outro de h para d .
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Introducão
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IntroduçaoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Definição do Problema
Custo aresta: w (e )
Custo de ativação do nó NFV(Uso de recursos e sobrecarga dedesempenho): c (h)
Somatório das Arestas:
Somatório dos Nós NFV:
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Introducão
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IntroduçaoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Definição do Problema
Custo Total é a soma de todas arestas + soma de cada nó
NFV:
O objetivo é encontrar um topologia U que minimiza a somaacima(NEMP - NFV Enabled Multicast Problem).
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Introducão
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IntroduçaoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Definição do Problema
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Introdução
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¸Definição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Definição do Problema
Diferente dos outros problemas tradicionais de árvoremulticast, em NEMP cada link pode ser atravessado mais deuma vez. Por exemplo:
NFV : 4 , D = {2, 3, 5}, s = 1.
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Introdução
http://find/
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Definição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmos para o Problema
O Artigo propõe 3 soluções para resolver NEMP:Algoritmo de aproximação com taxa de 2.Algoritmo com solução exata baseado em branch-and-bound.Heuŕıstica dinâmica: Controle de entrada e sáıda de usuáriosna sessão multicast.
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Introdução
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Definição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo de Aproximação
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IntroduçãoD fi i ˜ d P bl
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Definição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo de Aproximação
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IntroduçãoD fi i ˜ d P bl
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Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo de Aproximação
Teorema: Dado que existe uma topologia multicast ótimaG opt para NEMP, o custo total de T H não é maior que 2x o
custo total de G
opt .Lema 1: Seja G opt a topologia ótima para NEMP, existe umaárvore multicast T opt tal que, cada caminho entre a raiz e afolha em T opt é idêntico ao caminho da origem até um usuáriofinal em G opt , sendo os custos totais idênticos.Lema 2: Seja T uma árvore com m ≥ 1 arestas. Então existeum loop, v 1, v 2, ..., v 2m, onde todo v i , 1 ≤ i ≤ 2m, é um vérticeem T , tal que toda aresta em T aparece exatamente 2x noloop.
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IntroduçãoDefinicão do Problema
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Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo de Aproximação
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IntroduçãoDefinicão do Problema
http://find/
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Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo de Aproximação - Prova Teorema
C (L) = 2 ∗ C (T opt )
C (T H ) ≤ C (T best ) ≤ C (M 1) + C l (M 2) ≤
C
(M
1) +C
(M
2) ≤ C
(L
) = 2C
(T opt ) = 2
C
(G opt )
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IntroduçãoDefinicão do Problema
http://find/
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Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo Branch and Bound
Formular NEMP como problema de otimização.
A ideia inicial é representar o grafo não direcionado comodirecionado, onde cada link se torna dois links em direçõesopostas mas de mesmo peso/custo.
Em seguida o problema é formulado como programação
inteira binária.
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IntroduçãoDefinicão do Problema
http://find/
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Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo Branch and Bound
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IntroduçãoDefinição do Problema
http://find/
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¸Algoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo Branch and Bound
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IntroduçãoDefinição do Problema
http://find/
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¸Algoritmos para o Problema
Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Algoritmo Branch and Bound
4: Custo Total (link+NFV);
5 e 11: Garante único caminho entre s e usuário final;6 e 7 : Garante que o fluxo passa em pelo menos 1 NFV antesde atingir destino;
8 e 9 : Garante que topologia é composta pela composição de
cada caminho único de s
a cada d
i ;10: Apenas nós em H podem ser NFV.
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IntroduçãoDefinição do Problema
http://find/
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Algoritmo Branch and Bound
Diferente do primeiro algoritmo, este computa uma soluçãoótima, porém com uma maior sobrecarga.
Por ser um problema de programação quadrática binária édif́ıcil aplicar algoritmos tradicionais para resolvê-lo.
A proposta é fazer com que o problema se torne linear atravésda combinação, a priori, de nós NFV.
A caracteŕıstica principal do algoritmo é a possibilidade depodar o espaço de busca em duas ocasiões:
Podar o espaço de busca dos nós NFV.Podar o espaço de busca dos links.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Al i P bl
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Algoritmo Branch and Bound - Poda de Nós NFV
T link = min P T 1 (Y 1 + Y 2).
T link é a melhor topologia multicast desconsiderando o custodos nós NFV.
Dentro desta topologia acima, resultante da solução doproblema de programação inteira linear, há uma combinaçãode nós NFV usados os quais apresentam um custodenominado c max .
A próxima etapa é ir escolhendo a combinação de nós NFV e
resolver o problema de programação linear. A solução vai selimitar pelo c max : Selecionada uma combinação de nós NFV,o seu custo c é calculado, caso este custo seja maior que c max (c > c max ) ela será descartada e não será necessário maistestá-la.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Al it P bl
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Algoritmo Branch and Bound - Poda de Links
Links direcionados para a origem s não podem, nunca, fazer
parte do fluxo da origem para o nó NFV.
Links originados no destino não podem, nunca, fazer parte dofluxo do nó NFV para o destino.
Topologias Multicast que satisfaçam uma das condições acima
não serão consideradas no algoritmo Branch and Bound.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Heuŕısticas Dinâmicas
Até agora, os algoritmos apresentados são voltados para asolução estática de NEMP.
Na realidade, usuários finais podem, dinamicamente, entrar esair de uma topologia multicast.
Para novos usuários que estejam entrando na rede, oalgoritmo encontra o usuário final mais próximo e faz umconexão entre eles.
Para usuários que estejam saindo da rede, o algoritmo removeo caminho até o usuário de sáıda se não existir outro usuárioque utilize esse caminho.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Heuŕısticas Dinâmicas
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Resultados Numéricos
Avaliações dos algoritmos em abordagens estáticas edinâmicas.
As comparações foram realizadas sobre 3 modelos de rede
criadas a partir de GT-ITM (Modelo WAN):
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/
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Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Resultados Numéricos - Análise de Custo
Resultado do algoritmo de aproximação é normalizado para ométodo Branch and Bound.
A Diferença entre eles aumenta a medida que o número deusuários finais ou o tamanho da rede aumenta.
Uma posśıvel razão é que ao aumentar o número de usuáriosfinais ou o tamanho da rede, o número de possibilidades de
topologias multicast também aumenta ficando ainda maisdificil encontrar uma boa solução.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/
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g pResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Resultados Numéricos - Análise de Custo
Rede 1: 10 nós, 14 links e 2 NFV.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/http://goback/
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g pResultados Numéricos
ImplementaçãoConclusão
Resultados Numéricos - Análise de Custo
Rede 2: 35 nós, 50 links e 7 NFV.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
http://find/
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Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Resultados Numéricos - Análise de Custo
Rede 3: 100 nós, 127 links e 10 NFV.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o Problema
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Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Resultados Numéricos - Análise de Tempo de Execução
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaR l d N ´ i
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Resultados NuméricosImplementação
Conclusão
Resultados Numéricos - Análise de Tempo de Execução
Tempo de execução proporcional ao número de usuários finais.Taxa de crescimento é maior no algoritmo de aproximação.
Aumento da rede afeta consideravelmente o tempo deexecução, sendo este maior no algoritmo Branch and Bound.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
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Resultados NumericosImplementação
Conclusão
Resultados Numéricos - Análise de Tempo de Execução
Tempo médio de processamento de usuários que entram na
rede.Tempo de processamento aumenta a medida que entram maisusuários, um posśıvel razão é que o número de usuários aquem o novo usuário vai conectar aumenta.
O processamento médio cresce suavemente a medida que arede cresce, isto demonstra que o algoritmo é escalável.
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IntroduçãoDefinição do Problema
Algoritmos para o ProblemaResultados Numéricos
http://find/
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Resultados NumericosImplementação
Conclusão
Implementação - Mecanismo Multicast
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IntroduçãoDefinição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados Numéricos
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Resultados NumericosImplementação
Conclusão
Implementação - Exemplo
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IntroduçãoDefinição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados Numéricos
http://find/http://goback/
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Resultados NumericosImplementação
Conclusão
Implementação - Exemplo
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IntroduçãoDefinição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados Numéricos
http://find/http://goback/
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ImplementaçãoConclusão
Implementação - Avaliação
O tempo total de configuração é 57.79s, a largura de bandamédia usada em cada link é 47.6 bytes/s e a taxa de perda 0
bytes/sf.
Esse tempo assume que a rede está pronta para uso, logo otempo total é o tempo entre o envio da entrada feito pelousuário para a ”calculadora de roteamento” até a configuração
das regras de encaminhamento em cada switch. Muito destetempo é gasto na comunicação entre as máquinas virtuais.
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IntroduçãoDefinição do ProblemaAlgoritmos para o Problema
Resultados Numéricos
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ImplementaçãoConclusão
Conclusão
Neste artigo foram apresentados:
Algoritmos de roteamento e um método para construção deuma topologia multicast com NFV ativado em SDN.Um algoritmo de aproximação para o caso estático.Heuŕıstica para o caso dinâmico.Ao final, a proposta foi implementada em um ambiente real.
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