Ανάπτυξη, σχεδιασμός και υλοποίηση δικτυακών συστημάτων διαχείρισης πόρων και παροχής υπηρεσιών

Abstract

Owing to the increase in both heterogeneity and complexity in today’s networking systems, the need arises for new network-based services architectures. They must provide flexibility and efficiency in the definition, deployment and execution of the services and, at the same time, handle the adaptability and evolution of such services. In this paper we present an approach that applies a Web-service-based resource management framework. It enables the provision of parallel applications as QoS-aware applications, whose performance characteristics may be dynamically negotiated between a client application and service providers. Our component model allows context dependencies to be explicitly expressed and dynamically managed with respect to the hosting environment, computational resources and dependencies on other components. In such a model the resource management, in terms of representation, allocation and management of the resources, plays a vital role regarding the efficiency of the entire dynamic service deployment architecture. Network and service management fields nowadays find themselves at crossroads with middleware technologies, new network architectures and emerging research directions. Middleware technologies like Web services have reached maturity and enjoy wide deployment and adoption. Network architectures and infrastructures built for different purposes are well on their way towards IP convergence, giving rise to new integrated and more complex architectures. Finally, recent ambitious research directions like autonomic computing and communications have already made a dynamic appearance in the networking community, increasing the challenges even further. This activity has coincided with the end of an era in network and service management during which vast experience has been accumulated and numerous lessons have been learned. It is based on what constitutes the past state of the art in telecommunications and in data networks, realized by many as CORBA-based distributed management platforms and SNMP-based platforms, respectively. This produces speculation and activity about redefining/reassessing the initial requirements that drove the developments in network and service management in the past and about the ‘shape’ of management when projected into the future. As network infrastructure is shifting towards service-centric networks, a number of architectural characteristics are likely to influence management operations and functionality and dictate specific choices of technologies for the realization thereof. In our opinion, three such characteristics are going to play a crucial role in the coming years: • Federated network architectures. In an effort to provide seamless end-to-end connectivity that meets customer demands, networks/service providers have started forming federations of networks wherein a number of operations, such as AAA (Authentication, Authorization, and Accounting), monitoring and SLA (Service-Level Agreement) support, are treated in a homogeneous way in a heterogeneous environment. • Network architectures with distinct separation of concerns. The most representative example is the separation of control from the forwarding plane, which allows the two to evolve separately. The binding element between the two is a set of open interfaces that abstract functionality and allow access to vendor-independent functionalities and resources. • Distributed network node architectures. Individual network nodes and other devices are clustered together to form more complex and extensible distributed architectures that operate as one integrated node. Such constellations provide the means of adding resources as needed and foster dynamic service deployment, namely the injection of new functionality into the network. In such a context, management faces a number of challenges originating from the increasing complexity and size of networks, the heterogeneity of devices and technologies that must coexist, and the high degree of flexibility required in services. The common denominator is the management functionality that injects services and components on demand and configures the network end-to-end. Unless we address these challenges with sufficient and complete technical solutions first, it is difficult to see how new research initiatives, e.g. autonomic networking, can be brought to a successful outcome. This has been the primary motivation of our research presented in this thesis, which touches upon these issues by exploring potential solutions on the service deployment and network configuration within a network architecture, called FlexiNET, that bears the aforementioned architectural characteristics. We have based our designs on Web services as the de facto standard technology in networks with high integration capability and one of the most promising approaches to future management technologies. Our research has been carried out as part of the FlexiNET European Union IST research project, and we have developed the Dynamic Service Deployment (DSD) functionality, hosted by the FlexiNET Wireless Access Node (FWAN), one of the key architectural components of the FlexiNET architecture

Τα δίκτυα έχουν ζήσει μια αλματώδη ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Ανάπτυξη που αφορά όχι μόνο το μέγεθος τους αλλά και τη λειτουργικότητά τους. Οι κόμβοι ενός δικτύου μπορούν πλέον να επιτελέσουν και λειτουργίες βασισμένες σε πολιτικές όπως το proxy-caching, το encryption, το tunneling και το firewalling. Στις μέρες μας έχει αρχίσει να εμφανίζετε η δυνατότητα προγραμματισμού στους κόμβους ενός δικτύου, επιτρέποντας έτσι τον πειραματισμό με ποιο πολύπλοκες υπηρεσίες. Η ανάγκη για πιο γρήγορη υλοποίηση νέων υπηρεσιών στα δίκτυα χρησιμοποιώντας τις ήδη υπάρχουσες πολύπλοκες δυνατότητες θέτει μια νέα, μεγάλη, πρόκληση στα ήδη υπάρχοντα εργαλεία ελέγχου των δικτύων. Η πολυπλοκότητα των υπηρεσιών, ο αριθμός των κόμβων του δικτύου, ο προγραμματισμός τέτοιων κόμβων, και η ταχύτητα απαιτούν μια πρωτοποριακή αντιμετώπιση του αντικειμένου που καλείται υλοποίηση υπηρεσιών (Service Deployment). Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια αυτοματοποιημένη προσέγγιση σχετική με την υλοποίηση υπηρεσιών που μπορεί με ευκολία να εφαρμοστεί και σε μεγάλα ετερογενή δίκτυα. Η διατριβή επικεντρώνεται σε δυο κυρίως θέματα. Πρώτα παρουσιάζουμε ένα πλαίσιο που συνδέει τα επίπεδα του δικτύου και των κόμβων με ιεραρχικά κατανεμημένους υπολογισμούς. Και δεύτερον παρουσιάζουμε μια μέθοδο που χρησιμοποιήσαμε για να επιτύχουμε το ταίριασμα μεταξύ των προγραμματιστικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται για τις υπηρεσίες και αυτών που χρησιμοποιούνται σαν δικτυακοί κόμβοι. Με τη βοήθεια των δυο παραπάνω προοπτικών οδηγούμαστε σε μια ολοκληρωμένη άποψη για το πώς πρέπει σε βάθος να αναλυθεί η έννοια της υλοποίησης υπηρεσιών (Service Deployment). Όταν νέες υπηρεσίες εγκαθιστούνται, το αυτοματοποιημένο σύστημα της υλοποίησης υπηρεσιών επιτρέπει στις κατανεμημένα και πολύπλοκα χαρακτηριστικά των δικτυακών στοιχείων να εντοπιστούν γρηγορότερα και να χρησιμοποιηθούν πιο αποδοτικά, σε σχέση πάντα με ένα παραδοσιακό κεντρικοποιήμενο σύστημα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ταχύτερη εγκατάσταση και την βέλτιστη χρησιμοποίηση των διαθέσιμων υπηρεσιών. Η δομή της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ακόλουθη: Στο Κεφάλαιο 1 τονίζονται οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής ενώ αναφέρονται περιληπτικά οι βασικές συνεισφορές της. Ο βασικός στόχος του Κεφαλαίου 2 είναι να εισάγει τον αναγνώστη στις αρχές της επιστήμης της XML. Αναφέρονται όλα τα βασικά στοιχεία που είναι απαραίτητα στο να διασαφηνιστούν έννοιες και αρχές σχετικά με την XML και τη χρήση της. Διευκρινίζονται θέματα όπως διαλειτουργικότητά της και η ανεξαρτησία που προσφέρει. Γίνεται μια σε βάθος περιγραφή από τα οφέλη που θα αποκομίσουμε υιοθετώντας μια τεχνολογία όπως η XML. Οφέλη που θα μας βοηθήσουν να αναπτύξουμε και να δημιουργήσουμε μια δυναμική αρχιτεκτονική που να ναι σε θέση να καλύψει τις ανάγκες μας. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται η μελέτη και εν συνεχεία ο σχεδιασμός του κατανεμημένου δρομολογητή (Distributed Router). Γίνεται μια παρουσίαση της προτεινόμενης λύσης. Παρουσιάζεται με έναν απλό και περιεκτικό τρόπο το FlexiNET κομμάτι του οποίου είναι ο κατανεμημένος δρομολογητής. Αναφερόμαστε στον διαχωρισμό του επιπέδου forwarding από το επίπεδο του control. Στη συνέχεια γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής. Παρουσιάζεται μια λεπτομερής περιγραφή των επιμέρους επιπέδων του κατανεμημένου δρομολογητή. Παρουσιάζονται οι απαιτήσεις και προδιαγραφές των επιμέρους επιπέδων και γίνεται μια αντιστοίχηση με την αρχιτεκτονική του FlexiNET. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται μελέτη, ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης πόρων και υλοποίησης υπηρεσιών. Αρχικά γίνεται μια παρουσίαση σχετικών εργασιών πάνω στο αντικείμενο που πραγματευόμαστε. Εντοπίζονται οι όποιες αδυναμίες και τονίζεται πως μπορούμε με τη βοήθεια του προτεινόμενου συστήματος να τις ξεπεράσουμε. Παρουσιάζουμε τις υπηρεσίες ιστού πάνω στις οποίες είναι δομημένο το σύστημά μας. Στη συνέχεια προχωράμε σε μια εις βάθος περιγραφή του συστήματος με τη χρήση εικόνων και σχεδιαγραμμάτων. Παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο συνδέεται η προτεινόμενη αρχιτεκτονική με την αρχιτεκτονική του κατανεμημένου δρομολογητή. Χρησιμοποιούμε έναν απλό matchmaking αλγόριθμο για το τελικό τεστάρισμα του συστήματός μας. Και τέλος παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο υλοποιείται μια υπηρεσία και καταγράφουμε τα πειραματικά αποτελέσματα. Έτσι γίνεται αναφορά στις παραμέτρους υλοποίησης του συστήματος και πως αυτές επηρεάζουν το συνολικό σύστημα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται λεπτομερώς η διαδικασία μέσα από την οποία οδηγούμαστε από μια XML περιγραφή του κατανεμημένου μας δρομολογητή σε μια σημασιολογική περιγραφή αυτού. Αρχικά, παρουσιάζουμε με λεπτομέρεια τι είναι ο σημασιολογικός ιστός και πως δομείται. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα πρότυπα και μοντέλα που χρησιμοποιεί και καταλήγουμε σε μια σημασιολογική περιγραφή του κατανεμημένου δρομολογητή. Μια βασισμένη σε οντολογίες περιγραφή του. Στο Κεφάλαιο 6 προτείνεται αρχιτεκτονική για δίκτυα σημασιολογικού Grid (Semantic Grid). Αρχικά δίνεται μια περιγραφή της τεχνολογίας Grid. Παρουσιάζονται οι στόχοι της και τα κυρία χαρακτηριστικά της συνοδευόμενα από μια γενική αρχιτεκτονική. Στη συνέχεια περνάμε στην προτεινόμενη αρχιτεκτονική. Με τη βοήθεια σχεδιαγραμμάτων και εικόνων δίνεται μια όσο το δυνατόν λεπτομερής περιγραφή του συστήματος και πως ενσωματώνει την σημασιολογική περιγραφή του κατανεμημένου δρομολογητή που παρουσιάσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 5). Κλείνοντας το κεφάλαιο κάνουμε μια σύγκριση των αποτελεσμάτων που είχαμε πετύχει με το αρχικό μας σύστημα (Κεφάλαιο 4) σε σχέση με την υλοποίηση με τη βοήθεια του σημασιολογικού Grid. Τα αποτελέσματα και ο σχολιασμός της σύγκρισης παρουσιάζονται στο τέλος του κεφαλαίου. Συμπεράσματα και μελλοντικές προεκτάσεις της εργασίας αυτής παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 7