Data Intensive Architecture へ – hICN

9 November 2020

Miya Kohno, Distinguished Systems Engineer, Cisco Systems

Abstract
データが偏在しアクセス手段が多様化すると、アクセス手段やロケーションに依存しないポリシーやアイデンティティ、新たなセキュリティ施策が求められます。また、スケール性をもって大量のデータを扱うために、ステート性の削減、複雑性の縮減も必要になります。そのためネットワークアーキテク
チャも、これまでの“Connection Intensive”から”Data Intensive”へと変遷する必要があると考えられます。
本発表では、Stateless, Anchorless, Data Intensiveの最先鋒であるICN(Information Centric Networking)を取り上げ、hICN (hybrid ICN)の概要をご紹介するとともに、今後のData Intensive Architectureへの道筋について、議論させて戴きたいと思います。

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco PublicData Intensive Architecture へGatewayFirewallInternet•••

Multi Cloud

Connection Intensive
Data Intensive

Edge/Distributed CloudHetero AccessLTE•

Ubiquitous Data

DC/Private Cloud

Internet5G
C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public• Common Policy/ID• Zero Trust Security Model

Public CloudData Intensive Application Systems• アプリケーションは、「演算中心(Compute-Intensive)」ではなく「データ中心(Data Intensive)」であることにより、信頼性、スケーラビリティ、保守性を獲得した。[*]「データシステム」としての抽象化
スケーラビリティ

信頼性• 何か問題が発生しても正しく動作し続ける• 負荷とパフォーマンスの計測• ハードウェア・ソフトウェア・
ヒューマンエラーに対する耐障害性• 負荷の増大に対してシステムが対応できる

保守性
• 運用性
• シンプル性• 進化への対応

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Martin Kleppmann著、斎藤 太郎監訳「データ指向アプリケーションデザイン」オライリー・ジャパン社

Agenda1. Data Intensive Architectureへ
2. 現行アーキテクチャの問題点
3. hICN
4. 今後に向けて

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Publicどんなにアクセス速度が速くなっても…
フルリモートワークになり、家のネットワークを高速化した• PPPoE à IPoE
• VDSL à 光配線方式• 古い Hub Switch の撤去
しかし、体感はあまり変わらない。
家族からも気付いてもらえない…LTCP flow control は RTTに依存しているtMSS

Throughput ==(RTT)

MSS
RTT

RTT が100msあるとすると, スループットは：
65,536 x 8 (bits) / 0.1 (sec) = 5,242,880 (bps) !!
MSS : Maximum Sebment Size
RTT : Round Trip TimeC97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public

https://gblogs.cisco.com/jp/2020/08/network-architecture-31-full-remotework-and-internet-speed-situation-and-distributed-computing/5G になってもスループット上がらない
BBRで改善するが..

Loss-based Congestion control
https://gkf168.wordpress.com/2012/05/20/tcp-effective-bandwidth-2/

For 5G, BBR achieves reasonably highband- width utilization of 82.5%. However,
the traditional loss/delay based TCP
algorithms suffer from extremely low
bandwidth utilization— only 21.1%,31.9%, 12.1%, 14.3%, for Reno, Cubic,Vegas, and Veno, respectively.

SIGCOMM '20: Proceedings of the Annual conference of theACM Special Interest Group on Data Communication on theapplications, technologies, architectures, and protocols forC97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public
computer communication July 2020 Pages 479–494https://doi.org/10.1145/3387514.3405882

BBR: Congestion-Based Congestion
Control: Measuring bottleneck bandwidthand round-trip propagation time
Queue October 2016
https://doi.org/10.1145/3012426.3022184

Video applications are demanding more BW

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Source: Cisco Annual Internet Report, 2018–2023

CDN事業者によりVideo Throughputは向上しているがData (Chunk) のロケーションによる、TFTBのばらつき

TTFB: Time to First Byte - クライアントがHTTPリクエストをしてからWebサーバーから最初のバイトのデータを受信するまでにかかる時間のこと“Exploringthe interplay between CDN caching and video streaming performance”, Ehab Gahbashneh, Purdue University
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https://blogs.cisco.com/sp/cdn-caching-and-video-streaming-performance

より有機的な分散アーキテクチャを進めることは困難• 従来の Mobile Architecture は Connection Intensive

であり、データの分散化には非最適• Bump in the Wire

PolicyS11
Proprietary

RAN

MEC
Node

S1-MME
S1-u• SIPTO (Selective IP Traffic Offload)• SSC mode
• Remote CUPS + distributed UPF
• ・・・

MME

S1-MME

MEC
Assistant

Charging

S11

LawfulIntercept

S1-u

SAE-GW

Mobility
Adaptation

Internet

Offload Traffic

OtherAPNMME

S1-MME

PolicyS11Charging
LawfulIntercept

RAN

SGW

S1-u

S5

PDN-GW

L-PGW

MEC Node• ユーザプレーンを分散できるようになっても、それら Infrastructure と Application と連携できるフレームワークが不足している

InternetCP

Edge
MEC
HostUP

PCRF
Charging

Edge
Workloads

LI

MEC
HostUP

Edge
Workloads

WAN
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Other
APN

UPF
Centralized

Figure: From Humberto La Rocheアクセス手段の多様化とマルチパス••••Access
Networks

上手に使い分けたい
補完的に使いたい
同時に使いたい…

Fiber

5G Fixed
Wireless

Wi-Fi

Enterprise

VR/ ARDrones

5G

4G LTEIoT (LPWA,Cellular IoT

Services
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SmartCities

MobileVideoSmartLighting

トレンドに戻るSolution ? -- 3GPP ATSSS
Study on Access Traffic Steering, Switch and Splitting support in the 5G system architecture(TR 23.729)

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https://www.tessares.net/solutions/5g-atsss-solution/

3GPP ATSSS Architecture
UPF に MP-TCP proxy を実装する ?!
4a. The UE receives theATSSS rules and applies
them given localconditionsAMF

N11SMF

1. The UE makes arequest to have a MultiAccess PDU session

N4N2UEMPTCPFunctionality

N1N1
N33GPP Access

MPTCP Proxy
Functionality

N2
Non-3GPP
Access (WiFi)

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N3

N7PCF

4b. The UP receives the N—rules
and combined with feedback info
from UE via user plane (accessavailability or unavailability)
distributes traffic across theaccess connections to the UE

UPF(alternatively)
ATSSS-LL
Functionality

2. The PCF responds to theMulti-Access PDU session bycreating a PCC rule with with
ATSSS capabilities included

3. The SMF stores the PCC rule with with
ATSSS capabilities included
And sends the ATSSS rules to the UE (viaN11) and to the UPF (via N4 – “N4rules”)

PMF

N6

Data Network

Connection Intensive Architecture の限界
認証・ポリシーがアクセス手段に依存

Any to Any に
非最適

Multi Cloud,Edge Cloudに
非最適

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Session終端GWによる
Scaling Bottleneck

多様なアクセス手段を利用する
Multi Path ?!!

••••境界型セキュリティ

Enterprise VPN
LT2P/PPPoE3GPP Mobility (GTP-U)
Any other Hub/Spoke sessions

Agenda1. Data Intensive Architectureへ
2. 現行アーキテクチャの問題点
3. hICN
4. 今後に向けて

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco PublichICN とは
Named
Data

ICN : Information Centric Networking•”Named Data”に基づくコミュニケーションの方式•

宛先・位置 (where) でなく、データ (what) が中心のアーキテクチャ•

Pull base, Request/Reply, Connection-lesshICN : Hybrid ICN

Smart
Forwarding

Connectionless Transport•

ICN の機能はそのまま、IPv6に実装（IPv4版もある）•ICNは宛先ベースのIPルーティングとは全く異なるパラダイムであるが、IPヘッダに”Named Data”を埋め込むことにより、IP Networkと共存可能

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco PublichICN に⾄る歴史

5G America:
Understanding ICN and MEC

Google Tech Talk by
ICN Workshops
Seminal Paper at CONEXT’09
Van Jacobson
ICN Workshops
1st ACM Sigcomm ICN
SIGCOMM
Networking Named Content
A New Way to Look
SIGCOMM 2013conference France 2014
2011,2012
at Networking
NSF FIA initiative (NDN)
ICN Workshop
ICN Workshop
First References of
INFOCOM 2012
INFOCOM 2013
Content Centric Networking (CCN) Named-Data Networking

5G America:
Oct. 2019
5G at the Edge

By Van Jacobson

20062007200820092011

2010

2012

2013

2014

NDN-Team @Cisco Cambridge led
by Dave Oran, TechFund project

2015

2016

2017

ICN team @Cisco Paris (PIRL)
Design and development of ICN mobility•first publications, ASR9K
ICNは主に学術分野で議論を重ねられてきたCisco’s
High Speed Forwarder Prototype•

IPv6はdeployが進み、その広いヘッダスペースの利用についても検討が進んできた
Cisco Announces Important Steps toward Adoption of ICN:
e.g. ILNP, iOAM, SRv6

hICN

MWC’16 Demo Anchorless Mobility with ICN
Design of ICN optimized adaptive streaming

acquires PARC’s CCNx, opensources Community ICN (CICN) - Linux FD.io
RFC 2460 Proposed jointlyby Bob Hinden (Nokia) andWhite Paper 5G Mobile Video with Hybrid ICN – Fast, Secure, Simplified
Free Telecom enables• Deering
最近では5GAmerica“5GforofEdge” (Oct.2019)のFutureSteve(Cisco)
IPv6 tomillions
Cisco demonstrates «Directionで取り上げられいる
Mobile Video with Hybrid ICN » at MWC’17 in Barcelona
homesFranceIPv6 available in Cisco IOS
6CN with SRv6 DemoFirst Youtube videos
6CN demo at 6CN Integrated inRouters and L3 Switches
at IETF in Toronto
streamed over IPv6 to
IPv6-CentricWorld IPv6 Launch
Ciscolive Berlin Cisco Open MediaCisco Live event
Networking Program
IPv6
Distribution (OMD)
World IPv6 Day
SRv6 becomes
Begins @ Cisco PIRL
enabled by
IETF WG Item
default

IPv6 2011© 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public
1998 C97-743300-00
2001 2003
2007 2009
2010

6CN…
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2012

2013

2014

2015

2016

2017

hICN 動作概要
ConsumerIP
RouterhICN
RouterFIB
PITContentStore
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Producer• FIB: 転送テーブル• PIT Pending Interest Table :リクエスト(Interest Packet)の状態を保持

hICN 動作概要
Consumer[1]

Content Store にIPhICN
Router 非ICNルータは Router

Interest

通常のIP転送

Producer{name1/seq1} というデータがあるInterestData

Data

[4]
[2]
{name1/seq1} というデータを要求する
Interest Packetを送る[3]• FIBに従ってInterestPacketを送る• {name1/seq1}へのInterest とその受信インタフェースをPITに格納する

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public[5]• {name1/seq1 } データをContent Storeに格納する• PITに従ってデータを送信する• PITテーブルをクリアする{name1/seq1} へのInterest Packetを受けたので、その受信イン
タフェースからデータを送るInterest Packetおよびデータは各ノードで署名される
Object Based Security !!

なぜ今 hICN なのか
hICNは次の課題を一挙に解決し、•

Edge/Distributed Computing•

多様なアクセス環境におけるMulti-path•Mobility•

アクセス手段やコネクションに依存しない認証・セキュリティ

Data Intensive Architecture を具現化する

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Distributed/Edge Computing
ConsumerIP
RouterProducerhICN
RouterInterest

Interest
Data

Data

Interest
Data

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データは近いところから送出される• 低遅延• ネットワーク帯域最適化

多様なアクセス環境におけるMulti Path
Wi-Fi
Consumer

ProducerhICN
RouterCellularInterest (via Wi-Fi)

Interest
Data

Data

Interest Packetを送出するインタフェースを使い分けることにより、Multi-Pathを自由に使うことができる

Interest (via Cellular)
Data
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Load Balancing, BW Aggregation,
Primary/Backup

障害があった場合のバックアップも効率的

Mobility
ConsumerInterest（ユーザが移動）

Interest
Data

Interest （移動後Interest再送）
Data

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ProducerhICN
RouterData• Mobilityを自然にサポート• Anchorless Mobility !!
• Consumer Mobilityは勿論、Producer Mobilityも可能(rf. draft-irtf-icnrg-mapme)

Security
Consumer

ProducerConsumer

Producer

データ自体を保護するモデル•••

ProducerのIdentityを確認
ProducerのIdentityとKeyをバインド
KeyとProducerのIdentityにデータ名をバインド

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Opensource with VPP/FD.io
https://fd.io/docs/hicn/latest/index.html

https://wiki.fd.io/view/HICN

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Name Prefix [128] =Routable Prefix [64] + Data Identifier [64]

Data Packet

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Name Prefix [128] =Routable Prefix [64] + Data Identifier [64]

Packet Format (L4)
• TCPヘッダを利用する（デフォルト）• Src/Dst Portはそのまま• シーケンス番号フィールドをName Suffix として利用する。
• UDPを使うこともできる。
• Long termとしては、QUICのようにUDP上のTransportとして定義する方が良いかも
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Sockets

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https://www.slideshare.net/LucaMuscariello/a-transport-layer-andsocket-api-for-hicn-design-implementation-and-performance-analysis

Agenda1. Data Intensive Architectureへ
2. 現行アーキテクチャの問題点
3. hICN
4. 今後に向けて

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Publicデータプレーンの共通化を再度見直したい• 現在の制約や慣習に捉われず• Data Intensive Architecture を実現するためにConnectionless, Pull-based,
Multi-source, In-network Caching
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MPLS Japan 2017 発表資料より

https://mpls.jp/2017/presentations/MK_computing-and-SRv6.pdf
See also: https://tools.ietf.org/html/draft-kohno-dmm-srv6mob-arch-03

IPv6/SRv6 によるデータプレーン共通化• Common IPv6 Data Plane• Overlay/Underlay• Across Domains (Access, WAN, DC, Applications)Use cases• Stateless, Flexible Traffic steering, Programmability• Distributed Computing, In-Network Computing• Cloud First, Mobile First

Source(Bell Canada) https://www.segment-routing.net/images/20170517-bell-barefoot-cisco-P4%20Workshop%202017%20v2.pdf(Softbank) https://blog.apnic.net/2018/03/07/reducing-complexity-5g-networks-using-segment-routing-ipv6/

C97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco PublichICN と SRv6 の 協調
hICN forwarding strategy とSRv6 Traffic Steering を協調させる

SRv6 Network

Internet

hICN semantic を、SRv6 Network programming における»Function»として表現する

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まとめ• ICNは普及が難しかったが、共通データプレーンとしてのIPv6を利用することにより、既存システムとの共存・協調が可能になった• hICNは次の課題を一挙に解決する- Edge/Distributed Computing- 多様なアクセス環境におけるMulti-path- Mobility- Object base の 認証・セキュリティ•

SRv6との協調も可能

hICNINTEREST
PACKET

SOURCEADDRESSDEST.
CONTENTADDRESS
NAME

LTE

WiFi

Open
Source Available
Connectionless,Pull-based,!!

•Application 開発コミュニティ とも連携して行きたいC97-743300-00 © 2020 Cisco and/or its affiliates. All rights reserved. Cisco Public

hICN

hICN DATA PACKETCONTENTSOURCENAMEADDRESSDEST.
ADDRESS

hICN

hICN

•Multi-source, In-network Caching

EDGE

CLOUD
LTE

WiFi

hICN