Universiteit Gent Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Informatietechnologie

Transcriptie

1 Universiteit Gent Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Een Distributiedienst voor Spraaksignalen met Transcoderingsfunctionaliteit in de Multicastboom gebaseerd op Actieve Netwerken. An Active Networking based Service for the Distribution of Voice with Transcoding Capabilities in the Multicast Tree. Bart Duysburgh Proefschrift tot het bekomen van de graad van Doctor in de Toegepaste Wetenschappen: Elektrotechniek Academiejaar

2

3 Promotoren: Prof. Dr. Ir. P. Demeester Prof. Dr. Ir. B. Dhoedt Universiteit Gent Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Sint-Pietersnieuwstraat 41, 9000 Gent Tel.: Fax.:

4

5 Dankwoord Dit doctoraatswerk vormt het sluitstuk van vijf jaar onderzoek binnen de vakgroep Informatietechnologie (INTEC), waarbij ik de kans kreeg mij te verdiepen in het onderzoeksgebied van computer- en communicatienetwerken. Tijdens deze periode droegen vele mensen bewust en onbewust hun steentje bij aan het welslagen van dit werk en ik wens ze hier dan ook oprecht te bedanken. Allereerst gaat mijn dank uit naar mijn promotoren, Prof. Piet Demeester en Prof. Bart Dhoedt, en de vakgroepvoorzitter Prof. Paul Lagasse, die me de gelegenheid gaven deel uit te maken van de INTEC netwerkgroep (IBCN). Voorts bedank ik mijn vele collega s van de netwerkgroep voor de goede samenwerking, de fijne sfeer en op tijd en stond de ontspannende babbel en verpozing. In het bijzonder gaat mijn dank uit naar Stefaan Vanhastel, Filip De Turck en Thijs Lambrecht voor hun belangrijke bijdrage aan dit werk. Hierbij bedank ik ook Filip Vandermeulen, Bert De Vuyst, Bart Vansegbroeck, Peter Vandaele, Brecht Vermeulen, Steven Van den Berghe en Pieter Thysebaert voor de intense samenwerking evenals de vele memorabele uren die we spendeerden aan de opbouw en ontwikkeling van het ATLANTIStestlabenhetopzettenvan de practica. In deze opsomming van collega s mogen om uiteenlopende redenen ook de volgende namen niet ontbreken: Chris Develder, Sophie Demaesschalck, Jan Cheyns, Bart De Vreese, Matthias Priem, Bruno Volckaert en Koert Vlaeminck. Verder bedank ik ook de INTEC medewerkers die zorgen voor de administratieve en technische ondersteuning en in het bijzonder Martine Buysse, Luc Haentjens, Eddy Hebbelinck, Marc Declercq en Erna. Ook gaat een sportieve groet uit naar alle sportievelingen van de Lachgas voetbal- en volleybalploeg en de badmintonspelers. Bedankt voor de vele uren sport- en spelplezier! Tot slot wil ik ook mijn familie en vrienden bedanken. In het bijzonder

6 ii bedank ik mijn ouders voor de kansen die ik kreeg en hun blijvende steun en betrokkenheid. Ook mijn broers en mijn schoonouders wil ik in deze bedanking betrekken. Niet in het minst bedank ik tenslotte mijn liefste An, voor haar steun, vertrouwen en geduld en de vreugde die ze in mijn leven brengt. Sint-Niklaas, Oktober 2003 Bart Duysburgh

7 Inhoudsopgave Dankwoord i 1 Inleiding Geavanceerde netwerkdiensten gebaseerd op Actieve Netwerken Doelstellingen van dit doctoraatswerk Structuur van de doctoraatsthesis Overzicht van de publicaties Referenties Geavanceerde netwerkdiensten gebaseerd op Actieve Netwerken Nieuwe netwerkconcepten: een logische evolutie ActieveNetwerken Concept en motivering Architectuur voor Actieve Netwerken Aspecten van ontwerp en implementatie Beschikbare platformen voor Actieve Netwerken Zakenmodel voor Actieve Netwerken Mogelijke toepassingen gebaseerd op Actieve Netwerken Een geavanceerde distributiedienst voor spraaksignalen met transcoderingsfunctionaliteit in de multicastboom Referenties Prestatie-evaluatie van netwerkdiensten gebaseerd op routering in de applicatielaag Een actieveknoopimplementatie op basis van het ANTS-platform Algemene ALR-knooparchitectuur Pakketverwerking in een Linuxrouter Pakketverwerking in Linuxkernel Model voor de verwerking van pakketten in Linux Prestatie-evaluatie van pakketverwerking in Linux en valideringvanhetmodel Evaluatie van een Javarelaisknoop Evaluatie van de ANTS actieve knoop Besluit

8 iv Referenties Kwaliteit van VoIP en getranscodeerde spraaksignalen Prestatie-evaluatie van het best-effort Internet Belangrijke parameters en aanpak Tijdsvertraging Pakketverlies Jitter Kwaliteit van spraakcommunicatie over IP-netwerken Evaluatie van spraakkwaliteit Invloed van digitalisering en codering Invloed van pakketverlies Invloed van tijdsvertraging en jitter Kwaliteit van getranscodeerde spraaksignalen Referenties Een distributiedienst voor spraaksignalen met transcoderingsfunctionaliteit in de multicastboom Optimalisatie van de netwerkbelasting bij multicastbomen met transcoderingsfunctionaliteit Procedures voor het opzetten van multicastbomen met transcoderingsfunctionaliteit Praktische aanpak in een Actief Netwerk Opzetten van een multicastboom in een onbelast netwerk Opzetten van een multicastboom in een belast netwerk Stabiliteit en samenhang van procedures voor het opzetten van multicastbomen Stabiliteit van de multicastboom bij wijzigingen in de multicastgroep Prestatie-evaluatie van de geavanceerde multicastdienst Evaluatie van de netwerkbelasting Evaluatie van de dienstkwaliteit Referenties Besluit 6-1 Appendices i A Performance Measurements on the Current Internet A-1 A.1 Introduction A-1 A.2 Setup...A-2 A.3 Measurements A-3 A.3.1 Routes & Hopcount A-5 A.3.2 PacketLoss...A-6

9 v A.3.3 Delay A-8 A.3.4 Jitter A-9 A.4 Conclusions A-12 A.5 Acknowledgements...A-12 Referenties A-12 B Data Transcoding in Multicast Sessions in Active NetworksB-1 B.1 Introduction B-1 B.2 Transcoding in Multicast Sessions B-3 B.2.1 Transcoding in Active Networks B-3 B.2.2 Advantages B-5 B.2.3 Application...B-6 B.3 Transcoding Tree Optimisation B-7 B.3.1 Optimisation Problem B-7 B.3.2 Exact Solution and Heuristics B-9 B Skinned Steiner Tree Heuristic B-9 B Branch Attach Heuristic B-11 B.4 SimulationsandResults...B-11 B.5 Conclusions and Further Work B-15 Referenties B-16 C On the influence of best-effort network conditions on the perceived speech quality of VoIP connections C-1 C.1 Introduction C-1 C.2 Setup...C-2 C.2.1 VoIP conferencing software C-4 C.2.2 Impairment Node C-5 C.2.3 Digital Speech Level Analyser C-5 C.3 Measurement Procedures C-6 C.4 Results...C-7 C.4.1 Influence of sampling and encoding/decoding..... C-7 C.4.2 Influence of packet loss C-10 C.4.3 Influence of delay jitter C-11 C.4.4 Combined influence of packet loss and delay jitter.. C-12 C.5 Future work C-13 C.6 Conclusions C-13 Referenties C-15 D An active networking based service for media transcoding in multicast sessions D-1 D.1 Introduction D-2 D.2 Multicast service with transcoding capabilities D-5 D.3 Active networking framework D-6 D.4 Multicasttreeset-up...D-8 D.4.1 Tree set-up direction D-9

10 vi D Downstream set-up D-9 D Upstream set-up D-10 D.4.2 Overcoming processing power scarcity D-12 D Pushupstream...D-14 D Push downstream D-14 D Proxy D-15 D.5 Performance evaluation and quality assessment D-16 D.5.1 Transcoding performance D-16 D Measurements...D-17 D Discussion...D-18 D.5.2 Tree set-up performance D-18 D Simulations...D-19 D Results D-19 D.5.3 Perceived quality of transcoded voice streams..... D-21 D Measurements...D-22 D Results D-23 D.6 Conclusion...D-25 D.7 Acknowledgement D-26 Referenties D-26 E F On the performance of Application Level Routing solutionse-1 E.1 Introduction E-2 E.2 General architecture of an Application Level Routing node. E-5 E.3 Packet handling in a PC based Linux router E-8 E.3.1 Packet processing in the Linux kernel E-8 E.3.2 Mathematical model E-10 E.3.3 Validation of the model E-12 E.4 Performance of packet handling in a Java based relay node. E-15 E.5 Packet handling in an ANTS based Application Level Routing node E-17 E.6 Performance of an ANTS based multicast node E-24 E.7 Conclusions E-25 Referenties E-26 Design and analysis of a stable set-up protocol for transcoding multicast trees in active networks F-1 F.1 Introduction...F-1 F.2 An advanced multicast service with transcoding capabilities. F-3 F.2.1 Basic tree set-up procedures F-5 F.2.2 Set-up procedures in nodes with insufficient resources F-7 F.3 Stability and consistency of tree state during set-up proceduresf-11 F.4 Stability of the multicast tree with changing multicast groups F-14 F.5 Conclusion F-18 F.6 Acknowledgement F-20 Referenties F-20

11 Lijst van figuren 2.1 Illustratie van het Store and Forward principe en het Store, Compute and Forward principe De algemene architectuur van een actieve knoop Illustratie van een geavanceerde dienst voor de distributie van spraaksignalen, beschikbaar in verschillende formaten, op een passief en een actief netwerk Algemene opbouw van de op ANTS gebaseerde actieve knoop Algemene architectuur van een ALR-knoop Vergelijking van het klassieke IP-doorvoerpad en het ALR-pad Overzicht van de kernelprocedures die betrekking hebben op de afhandeling van pakketten Verwerkingstijden van de verschillende kernelprocedures betrokken bij de afhandeling van pakketten De bottom-half verwerking van een pakket wordt verlengd door de onmiddellijke top-half verwerking van aankomende pakketten die het huidige proces onderbreekt Doorvoersnelheid van een 450MHz Debian Linuxrouter Meting en schatting van de verwerkingstijd per pakket in een Linuxrouter Doorvoersnelheid van een Javarelaisknoop Meting en schatting van de verwerkingstijd per pakket in een Javarelaisknoop Doorvoersnelheid van een ANTS-knoop Doorvoersnelheid van een ANTS-knoop zonder Garbage Collector Model voor de verwerking van pakketten in de ontvangstbuffer van een socket met onderbrekingen door de Garbage- Collectordraad Vergelijking van gemeten en berekende waarden van het pakketverliesindeontvangstbuffervandesocket Meting en schatting van de verwerkingstijd per pakket in een ANTS-knoop

12 viii 4.1 Evolutie van de tweewegstijdsvertraging naar verschillende regio s Evolutie van het tweewegspakketverlies naar verschillende regio s Meetopstelling voor spraakkwaliteit over een IP-netwerk Invloed van pakketverlies op de spraakkwaliteit van gecodeerde signalen Invloed van pakketverlies op de spraakkwaliteit van gecodeerde signalen Invloed van een eenvoudige pakketverliesverhullingstechniek op de spraakkwaliteit Illustratie van het veréénvoudigde model voor een dejitterbuffer Berekend pakketverlies in dejitterbuffer onder invloed van jitter en voor verschillende dejittertijdsvertragingen Invloed van jitter op pakketverlies in de dejitterbuffer Invloed van jitter op de resulterende kwaliteit van een spraaksignaal Invloed van opeenvolgende transcoderingen op de spraakkwaliteit Bandbreedtegebruik in de optimale multicastboom en in de serverknoop berekend voor de passieve en de actieve oplossing Aantal transcoderingen in de optimale multicastboom en in de serverknoop berekend voor de passieve en de actieve oplossing Voorbeeld van de toestandsinformatie in de knopen van een multicastboom met transcoderingen Illustratie van de praktische aanpak voor het opzetten van een multicastboom en het verzenden van een stroom op basis van het ANTS-platform Illustratie van de procedures voor het opzetten van de multicastboom in de stroomopwaartse (5.5(a)) en de stroomafwaartse (5.5(b)) richting Verschillende strategieën voor het verplaatsen van een transcoderingsproces van een overbelaste knoop naar een naburige knoop Illustratie van de toestandsinformatie in complexe multicastbomen met overbelaste knopen en verplaatste transcoderingen Procedures voor het opzetten van toestandsinformatie tussen een overbelaste knoop en een transcoderende proxyknoop Illustratie van de invloed van de opzetprocedure op de bestaande stromen in het netwerk en de aanwezige toestandsinformatie

13 ix 5.10 Illustratie van de procedure bij het verdwijnen van een gebruiker en de overblijvende niet-optimale multicastboom Bandbreedtegebruik in de multicastboom bij verschillende procedures, belasting en multicastgroepen Aantal transcoderingen in de multicastboom bij verschillende procedures, belasting en multicastgroepen Uitgaande bandbreedte in de serverknoop Aantal transcoderingen in de serverknoop Gemiddelde reactietijd voor het opzetten van een verbinding met de multicastboom voor de stroomopwaartse en stroomafwaartseprocedure Distributie van het aantal opeenvolgende transcoderingen ondervonden door de stroom op weg van de serverknoop naar de gebruiker A.1 Geographical location of target regions and routes to those regions A-4 A.2 Reference Network A-4 A.3 Average hopcount for different regions A-5 A.4 Average two-way packet loss for different regions over a 7-day period A-7 A.5 Average two-way packet loss for different regions A-7 A.6 Average Round Trip Times for different regions over a 7-day period A-9 A.7 Average Round Trip Times for different regions A-9 A.8 RTTs for a 2-minute burst of packets, emulating an 8Kbit/s connection....a-10 A.9 Average Round Trip Times and StDev vs. time of day.... A-11 B.1 Transcoding in an audio multicast session B-2 B.2 Frame dropping in MPEG video stream B-4 B.3 Transcoding Tree optimising B-8 B.4 Skinning the bandwidth B-10 B.5 Tree cost (fixed number of destinations) B-12 B.6 Node cost (fixed number of destinations) B-13 B.7 Amount of flow leaving source B-13 B.8 Difference in tree cost between heuristics and exact solution. B-14 B.9 Tree cost (fixed number of classes) B-14 B.10 Node cost (fixed number of destinations) B-15 C.1 Measurement setup C-3 C.2 MOS for all codecs of Table C C-7 C.3 MOS vs. packet loss for all codecs C-8 C.4 MOS vs. packet loss for different packet sizes for G.711 µ- Law (C.4(a)), G bit (C.4(b)) and G.728 (C.4(c))... C-9

14 x C.5 C.5(a) MOS vs. jitter without dejittering buffer (G.711 µ- Law); C.5(b) MOS vs. delay jitter for dejittered signal (G.711 µ-law) from measurements and derived from the results of Fig. C.3(a) and C.5(c); C.5(c) Introduced jitter vs. resulting packet loss in dejittering buffer (G.711 µ-law)...c-13 C.6 Combined influence of delay jitter and packet loss on the perceived quality (G.729) C-14 D.1 Voice multicast service with transcoding in intermediate nodes.d-5 D.2 Active networking node D-7 D.3 Upstream tree set-up procedure D-12 D.4 Strategies to overcome processing power scarcity in a node.. D-13 D.5 Upstream tree set-up procedure with transcodings pushed upstream to overcome processing power scarcity D-14 D.6 CPU time (in ms) needed to perform a transcoding of a 10 ms voice fragment, for a processor speed of 1000MHz..... D-17 D.7 Use of bandwidth in multicast tree for different fractions of overloaded nodes and different strategies D-20 D.8 Number of transcodings in multicast tree for different fractions of overloaded nodes, for different strategy D-21 D.9 Response time as a function of the number of group members for upstream and downstream tree set-up procedure D-22 D.10 Distribution of the number of successive transcodings betweenserverandclient...d-23 D.11 Measurement set-up for perceived quality of transcoded voice. D-23 D.12 MOS for transcoded voice streams D-24 D.13 Degradation of MOS due to successive transcodings D-25 E.1 An example overlay network: the client hosts which are interconnected by the overlay network run an overlay node runtime environment at the application level. The virtual nodes of the overlay network are connected by overlay tunnels and traffic traversing an overlay node is processed and forwarded by the runtime environment. The overlay traffic between nodes A and C is processed in the node runtime environment of overlay node B E-2 E.2 General architecture of an Application Level Routing node: when a client host is part of an overlay network it runs an overlay node runtime environment for that overlay in the application level. Overlay traffic arrives through a tunnel, is processed by the protocol stack and is passed to the runtime environment via the corresponding socket of the tunnel. The traffic stream can either be terminated at a node or it can be forwarded to another destination E-6

15 xi E.3 Experimental Application Level Routing node set-up based on a Linux router extended with a Java based implementation of an Active Node runtime (ANTS) E-7 E.4 Overview of kernel procedures for packet handling: the arrival of a new packet on an interface triggers an IRQ and subsequently the execution of the netdev rx() procedure. A packet that has not reached its destination yet is forwarded by the net bh fw() procedure. Otherwise, it is passed to the application level by the net bh recv() procedure. A new UDP packet can be sent by means of the udp sendmsg() procedure...e-9 E.5 Measured processing times for the Linux kernel packet handling procedures illustrated in Figure E E-10 E.6 A packet s basic bottom-half processing time τ 0 is interrupted by arriving packets and their subsequent top-half handling, which takes a time τ IRQ. Consequently, the total time needed for a packet s bottom-half handling depends on the number of packets arriving during its processing E-11 E.7 Throughput measurement on a 450MHz Debian Linux router. E-13 E.8 Comparison of the results of two approaches to estimate the IRQ. Based on the measurements of Figure E.7 and the model a first estimate is given by 1/X max. A second estimate is given by the sum of the measured values of netdev rx() and net bh fw(), shown in Figure E E-14 E.9 Throughput measurement for Java relay node E-16 E.10 Estimation of the Java Relay packet processing time through two approaches. Fitting the model from Section 3.2 to the throughput measurement results of Figure E.9 gives a first value of τ lin 0 + τ lin estimate for the parameter τ jav 0. Measuring the three components of the total processing time separately and summing the results gives a second estimate E-17 E.11 Throughput measurement for Java based ANTS node..... E-18 E.12 Throughput measurement for Java based ANTS node without Garbage Collector E-19 E.13 Model for packet handling in a socket receive queue with a fraction p of the packet processing times interrupted by the GarbageCollector....E-20 E.14 State transition diagram for the socket receive queue packet handling model E-21 E.15 Packet loss generated in a UDP socket receive queue. A comparison is made between the packet loss values obtained from the throughput measurements in Figure E.11 and the values calculated with the model from Equations (9)-(16) E-22

16 xii E.16 Estimation of the ANTS node packet processing time through two approaches. Fitting the model from Section 3.2 to the throughput measurement results of Figure E.12 gives a first estimate for the parameter τ0 ant. Measuring the three components of the total processing time separately and summing the results gives a second estimate E-24 E.17 Throughput of a Java/ANTS based ALR multicast node with 1, 2 and 3 receiving nodes for 128 bytes packets E-25 F.1 Example of the tree state information set up in the nodes for a simple tree with transcoding capabilities F-4 F.2 Illustration of the difference between the tree set-up procedures in upstream (F.2(a)) and downstream (F.2(b)) direction.f-6 F.3 Strategies to overcome processing power scarcity in nodes where transcodings are needed F-8 F.4 Illustration of the tree state information in complex trees with pushed transcoding processes F-9 F.5 Set-up of traffic between an overloaded node and a transcoding proxy node F-10 F.6 Influence of the tree set-up procedure on the existing streams and their tree state. In Figure F.6(a), the existing stream with codec B from node 1 to node 4 is interrupted when in node 2 the entry for codec B is overwritten with codec A. In Figure F.6(b), this interruption is avoided by setting up state for codec A in parallel with the existing state for codec B. Afterwards, the state for codec B is cleaned up F-12 F.7 Influence of the push procedures on the existing streams and their tree state. The Push Upstream procedure (Figure F.7(a)) has no significant influence, whereas the Push Downstream (Figure F.7(b)) and the Push to Proxy procedure (Figure F.7(c)) will interfere with the existing streams. Therefore, specific measures are required to preserve the existingstreams...f-14 F.8 The grid network used for the simulations and its division into different zones F-16 F.9 Illustration of the remaining tree state exhibiting reduced performance after a user leaves the session. In Figure F.9(a) it is shown that this can be the case in a normal situation without overloaded nodes. In Figures F.9(b), it is shown that the Push Upstream procedure exhibits no reduced performance. However, the Push Downstream and Push to Proxy procedure can exhibit reduced performance as shown in Figures F.9(c), F.9(d) and F.9(e) F-17 F.10 Influence of a changing user group on the use of network resources in the tree F-19

17 Lijst van tabellen 2.1 Overzicht van belangrijkste platformen voor Actieve Netwerken Overzicht van beschikbare codecs binnen de toepassing Overzicht van de ANTS-programmeerinterface voor Actieve Netwerken Geschatte waarden uit gefit model voor relaisknoop Geschatte waarden uit gefit model voor ANTS-knoop Overzicht van de beschikbare netwerkcapaciteit binnen BEL- NET en de capaciteit van BELNET naar de Belgische, de Europese en de Amerikaanse netwerken Vergelijking van resultaten voor tweewegstijdsvertraging en tweewegspakketverlies tussen 1998 en Vergelijking van jitterresultaten 1998 en Overzicht van beschikbare codecs Maximaal aanvaardbare waarden voor pakketverlies en jitter voor gecodeerde spraaksignalen Spraakkwaliteit (MOS) van getranscodeerde signalen Verwerkingstijden van verschillende transcoderingen A.1 Minimum, maximum, average RTTs and standard deviation for simulated 8kb/s and 64kb/s connections A-10 C.1 Overview of available codecs C-4 C.2 ACR or MOS scale C-6 C.3 Difference in MOS for long and short male and female voice test signals C-6 D.1 Voice codecs provided in multicast service D-6 E.1 Fitted values from relay node model E-16 E.2 Fitted values from ANTS node model E-23 F.1 Different types of capsules used in the multicast service.... F-12 F.2 Codecs provided in the multicast service F-15

18 xiv Lijst van Afkortingen Lijst van afkortingen A ACK ACR ADPCM ADSL ALAN ALR AMS-IX ANTS API ARPANET Acknowledgement Absolute Category Rating Adaptive Differential Pulse Code Modulation Asymmetric Digital Subscriber Line Application Level Active Networks Application Level Routing Amsterdam Internet Exchange Active Network Transport System Application Programming Interface Advanced Research Projects Agency Network B BNIX Belgium National Internet Exchange C CDN CPU Content Distribution Network Central Processing Unit D DARPA DSLA Defense Advanced Research Projects Agency Digital Speech Level Analyser E

19 xv EE ETSI Execution Environment European Telecommunications Standards Institute F FGS Fine Granularity Scalability G GSM-FR Global System for Mobile Communications - Full Rate I ICMP Internet Control Message Protocol IETF Internet Engineering Task Force ILP Integer Linear Programming IP Internet Protocol IRQ Interrupt Request ISDN Integrated Services Digital Network ISP Internet Service Provider ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunications standardization sector J JVM Java Virtual Machine M MOS MPEG Mean Opinion Score Moving Picture Expert Group

20 xvi Lijst van Afkortingen N NACK Negative Acknowledgement NodeOS Node Operating System NS-2 Network Simulator, version 2 P PAMS PC PCM PESQ PLAN PSQM Perceptual Analysis/Measurement System Personal Computer Pulse Code Modulation Perceptual Evaluation of Speech Quality Packet Language for Active Networks Perceptual Speech Quality Measurement Q QoS Quality of Service R RAM RFC Random Access Memory Request for Comment T TCP TERENA TOS TTL Transmission Control Protocol Trans European Research and Education Networking Association Type Of Service Time To Live

21 xvii U UDP User Datagram Protocol V VoIP VNE Voice over IP Virtual Network Engine

22 xviii Lijst van Afkortingen

23 1 Inleiding IN dit eerste hoofdstuk wordt het algemeen kader van dit onderzoekswerk geschetst. De doelstellingen van dit doctoraatswerk worden besproken en de structuur van dit proefschrift wordt kort toegelicht. Verder wordt een overzicht gegeven van de publicaties die binnen dit onderzoek gerealiseerd werden. 1.1 Geavanceerde netwerkdiensten gebaseerd op Actieve Netwerken Niettegenstaande het Internet in het begin van de jaren negentig nog in de kinderschoenen stond, zijn tegenwoordig veel van zijn toepassingen stevig ingeburgerd in ons dagelijks leven. Netwerktoepassingen zoals , surfen op het web, elektronisch bankieren en chatten hebben immers op korte tijd een vaste plaats verworven naast de traditionele informatie- en communicatiesystemen zoals post, krant, telefoon, radio en televisie. Dankzij de populariteit van deze nieuwe diensten heeft het Internet zich razendsnel een weg gebaand tot in de huiskamer van vele gezinnen en is het beschikken over een Internet verbinding een absolute must geworden. Vele gebruikers, zowel commercieel als particulier, hebben de afgelopen jaren de weg naar het Internet gevonden, aangetrokken door de nieuwe mogelijkheden geboden door ondermeer elektronische post, de haast eindeloze hoeveelheid informatie beschikbaar op het web of elektronische handel. Het is echter duidelijk dat

24 1-2 Hoofdstuk 1 het gamma van netwerkdiensten dat initieel de aantrekkingspool van het Internet vormde te beperkt is om de gestage groei van het Internet blijvend gaande te houden. In een tijd waarin gewenning en verveling steeds vlugger toeslaan, is het bijgevolg noodzakelijk om op regelmatige basis voor nieuwe en aantrekkelijke diensten te zorgen, die zowel vertrouwde als nieuwe gebruikers kunnen bekoren. Deze vaststelling is vooral van belang voor ISP s (Eng.: Internet Service Providers) die met het oog op het maximaliseren van hun inkomsten steeds op zoek moeten gaan naar nieuwe diensten om hun klanten aan zich te binden. Wanneer men echter nieuwe toepassingen of diensten wil introduceren in het Internet, stoot men op een aantal problemen gerelateerd aan de volgende fundamentele kenmerken van het netwerk. Ten eerste zijn de principes en bouwstenen van het huidige Internet nagenoeg ongewijzigd gebleven sinds hun ontstaan. De basisprincipes dateren van de vroege jaren zeventig toen met het ARPANET [1] het allereerste computernetwerk ontwikkeld werd. In de geest van de toen brandend actuele Koude Oorlog was de belangrijkste doelstelling van dit netwerk het opzetten van een robuuste en veilige communicatie tussen twee computers. Bijgevolg bestaat de basisfunctionaliteit van de huidige computernetwerken nog steeds uit het transporteren van gegevens, opgesplitst in pakketten, tussen twee netwerkknopen die als zender en ontvanger fungeren. Ten tweede speelt het standaardisatieproces een belangrijke rol bij de ontwikkeling en de invoering van nieuwe toepassingen en diensten in het Internet. Met het oog op de samenwerking tussen apparatuur of software van verschillende producenten is het immers nodig een standaard op te stellen die de steun geniet van alle betrokken partijen uit de industrie. Dit kan een langdradig en langduring proces zijn met als gevolg dat de invoering van nieuwe diensten soms jaren vertraagd wordt. Deze twee fundamentele eigenschappen van de bestaande infrastructuur zorgen voor grote beperkingen bij de evolutie van het Internet. Enerzijds wordt de invoering van nieuwe toepassingen vertraagd door het aanslepende standaardisatieproces, waardoor de tijd tussen de ontwikkeling en de eigenlijke invoering voor de ISP onaanvaardbaar groot wordt. Anderzijds is de functionaliteit van computernetwerken te beperkt om geavanceerde en aantrekkelijke toepassingen te ondersteunen. Kortom, de bestaande infrastructuur wordt gekenmerkt door een duidelijk gebrek aan flexibiliteit en functionaliteit. Tot deze vaststelling kwam men midden de jaren negentig binnen de DARPA-onderzoeksgemeenschap [2] vanuit een aantal discussies over de toekomst van netwerkgebaseerde systemen. Hieruit vloeiden dadelijk een aantal initiatieven voort waarbij, geïnspireerd door het succes van computergebaseerde systemen die door het gebruik van software een grote flexibili-