Seminário de Redes Multimidia

8/19/2019 Seminário de Redes Multimidia

1/42

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

http://find/


2/42




Sumário:

1 IntroduçãoMotivaçãoObjetivo

Arquitetura

2 Definição do Problema

3 Algoritmos para o Problema

4 Resultados Numéricos

5 Implementação

6 Conclusão


http://find/


3/42




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.


http://find/


4/42





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.


http://find/http://goback/


5/42





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.


I d

http://find/


6/42





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.


I d ˜

http://find/


7/42





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.


I t d ˜

http://find/


8/42

IntroduçaoDefinição do Problema




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.


Introducão



9/42




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 .


Introducão

http://find/


10/42





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:


Introducão

http://find/


11/42





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).


Introducão

http://find/


12/42






Introdução

http://find/


13/42

¸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.


Introdução

http://find/


14/42

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.


Introdução

http://find/


15/42



Conclusão

Algoritmo de Aproximação


IntroduçãoD fi i ˜ d P bl

http://find/


16/42



Conclusão



IntroduçãoD fi i ˜ d P bl

http://find/


17/42

Definiçao do ProblemaAlgoritmos para o Problema


Conclusão


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.


IntroduçãoDefinicão do Problema

http://find/


18/42



Conclusão




http://find/


19/42



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 )



http://find/


20/42



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.



http://find/


21/42



Conclusão




http://find/


22/42

¸Algoritmos para o Problema


Conclusão




http://find/


23/42

¸Algoritmos para o Problema


Conclusão


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.



http://find/


24/42




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.



Al i P bl

http://find/


25/42



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.



Al it P bl

http://find/


26/42



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.




http://find/


27/42



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.




http://find/


28/42



Heuŕısticas Dinâmicas




http://find/


29/42



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):




http://find/


30/42



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.




http://find/


31/42

g pResultados Numéricos



Rede 1: 10 nós, 14 links e 2 NFV.






32/42

g pResultados Numéricos







http://find/


33/42


Conclusão






http://find/


34/42


Conclusão

Resultados Numéricos - Análise de Tempo de Execução



Algoritmos para o ProblemaR l d N ´ i

http://find/


35/42


Conclusão


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.


http://find/


36/42




37/42

Resultados NumericosImplementação

Conclusão


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.




http://find/


38/42


Conclusão

Implementação - Mecanismo Multicast


IntroduçãoDefinição do ProblemaAlgoritmos para o Problema


http://find/


39/42


Conclusão

Implementação - Exemplo






40/42


Conclusão

Implementação - Exemplo






41/42


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.




http://find/


42/42


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.

http://find/

Documents

Seminário de Redes Multimidia