Desenvolvimento de módulos de descoberta, monitoramento do plano de dados Linux e otimização do Network Digital Twin

• Processo: 23/12895-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Programa Capacitação - Treinamento Técnico
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2023
• Data de Término da vigência: 31 de agosto de 2025
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Ciência da Computação - Sistemas de Computação
• Acordo de Cooperação: MCTI/MC
• Pesquisador responsável: Djamel Fawzi Hadj Sadok
• Beneficiário: Eduardo Felipe Fonseca de Freitas
• Instituição Sede: Centro de Informática (CIn). Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Ministério da Educação (Brasil). Recife , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 23/00420-1 - Desenvolvimento e avaliação de roteador de borda e digital twin com suporte a tráfego escalável de baixa latência e perda, AP.R
• Assunto(s): Roteadores Sistema de comunicação
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Computação na Borda | Network Appliance | Network Operating System | Roteador | Servico de Baixa Perda de Pacotes | Serviço de Baixo Atraso e Perda | Sistemas de Comunicação

Resumo

L4S-IoT irá desenvolver um roteador com suporte para tráfego IoT, considerando a inexistência de soluções a nível da rede de borda (Edge) que assegurem seus requisitos de QoS. O projeto irá pesquisar por uma solução que poderá provisionar redes TCP/IP com hardware com suporte a mecanismos para garantir a proteção de fluxos IoT, tendo como requisitos baixas latências e perdas de pacotes. A arquitetura proposta de hardware e software, com protocolos, se apoia em três avanços recentes: a) Otimização do plano de dados Linux usando técnicas de processamento de pacotes com melhor desempenho; b) Uso da arquitetura Low Latency Low Loss Scalable throughput (L4S) para garantir baixas perdas e latências para fluxos IoT específicos e; c) Modelagem e otimização do caso de uso L4S-IoT baseado em Network Digital Twin (NDT). A proposta é inovadora considerando que: a) Não existem no mercado roteadores de borda com suporte para a arquitetura L4S; b) Até onde temos conhecimento, é a primeira vez que o framework L4S é integrado com tecnologias de otimização do plano de dados incluindo DPDK e SR-IOV para lidar com tráfego IoT; c) A solução irá usar hardware do tipo "bare metal" evitando a dependência de sistemas operacionais de rede (NOS) proprietários e; d) Falta um Digital Twin representando uma rede de serviço IoT escalável e com garantias de baixas latência e perda de pacotes. A solução considerada deve escalar para suportar: a) Fluxos IoT grandes como no caso de tráfego de vídeo gerado por câmeras de monitoramento de trânsito e/ou segurança pública em cidades inteligentes e; b) Um número massivo de fluxos de dispositivos IoT de baixo consumo de energia. O produto resultante do LS4-IoT inclui: a) O desenvolvimento de um roteador de borda com suporte a arquitetura L4S; b) Algoritmos de otimização do plano de dados (processamento dos pacotes) usando tecnologias como DPDK e/ou SR-IOV; c) Pesquisa, especificação e desenvolvimento de um Network Digital Twin do cenário L4S-IoT e o; d) Desenvolvimento de um aplicativo de gerenciamento do serviço L4S-IoT responsável por: a. Detectar automaticamente quando ocorrem problemas no suporte de ECN nos roteadores; b. Verificar quando roteadores estão remarcando os bits ECN; c. Verificar quando alguns servidores não reduzem suas taxas de transmissão como esperado. Embora a solução proposta seja um roteador de borda, ela poderá ser estendida, no futuro, para outros níveis da rede como agregação e o núcleo ou backbone da rede. A solução L4S-IoT se baseia nos seguintes passos: a) Instalação e configuração de um sistema operacional de rede num roteador do tipo "bare-metal" (dispositivo genérico de hardware sem software); b) Pesquisa, definição e especificação da arquitetura L4S com suporte a otimização do plano de dados; c) Desenvolvimento do software L4S para o dispositivo (network appliance) escolhido; d) Especificação e avaliação de um aplicativo de gerenciamento do serviço LS4-IoT e; e) Condução de testes e avaliação do desempenho do roteador num ambiente de testbed controlado; f) Especificação, desenvolvimento e condução de ensaios usando o Digital Twin para L4S-IoT. Em resumo, o projeto desenvolve uma arquitetura L4S para serviços IoT. Uma primeira tarefa central é o desenvolvimento de um roteador com suporte para L4S. Esta tarefa é realizada usando um dispositivo do tipo bare metal, a instalação de um NOS aberto e o desenvolvimento de filas de gerenciamento ativo de pacotes (AQM) adequadas. Em seguida são avaliadas diferentes estratégias de otimização do plano de dados. Serão consequentemente elaborados algoritmos baseados em técnicas de aprendizagem para a descoberta, monitoramento e otimização deste plano. Adicionalmente o projeto contará com um NDT capaz de detectar anomalias, prever eventos, permitir planejamento futuro além de sugerir novas configurações.