Evoluzione verso l'Internet del futuro

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INTRODUZIONE 
 
Obbiettivi dell’Internet del futuro 
 
Strade meno congestionate, forniture di energia elettrica migliori e più efficienti o 
trattamenti medici all'avanguardia gestiti da casa: sono questi alcuni esempi di cosa sarà 
possibile realizzare grazie all‟Internet del  futuro, che permetterà la connessione di oggetti 
fisici, come le autovetture, o le apparecchiature mobili con infrastrutture per consentire a 
quest'ultime di utilizzare in tempo reale un'enorme quantità di dati e migliorare così il loro 
funzionamento e la loro efficacia.  
Poiché Internet connette miliardi di sensori e dispositivi mobili online per fornire 
informazioni sempre più sofisticate, le infrastrutture dovranno essere sufficientemente 
"intelligenti" per gestire in tempo reale un enorme afflusso di dati. L'obiettivo dell‟Internet 
del futuro è di migliorare le infrastrutture fondamentali per renderle in grado di trattare 
enormi quantità di dati.  
Per anni, i fornitori di tecnologia hanno cercato di combinare le reti di dati e quelle vocali, 
con l'obiettivo di fornire più servizi di comunicazione su un'unica rete e a costi più bassi. 
L'infrastruttura di rete e del dominio di servizio si trova ad affrontare molti cambiamenti 
come: 
 La crescita esplosiva della velocità di trasmissione dati e delle capacità; 
 L'emergere di dati in massa e la distribuzione di contenuti e consumo; 
 L'evoluzione verso una architettura di convergenza che si ha drammaticamente    
aumentato le permutazioni, le combinazioni di servizi e gli usi tra utenti, dispositivi, 
media  persino tra mondi reali e virtuali; 
 Il coinvolgimento degli utenti nella definizione della sua sfera di comunicazione che 
ha portato alla personalizzazione, diventando anche produttori. 
Una soluzione può essere l‟Optical Burst Switching e una serie di altre alternative di 
miscelare una quantità funzionalità ottiche ed elettriche ad alta velocità. Oppure bisognerà 
ottenere una rete wireless che potrà supportare una velocità di trasmissione simile a quella 
per connessioni DSL. 
Potremmo ridurre al minimo la distinzione tra fisso e mobile, con un concetto di una 
connessione universale a banda larga. Si potrà integrare l‟innovazione delle architetture di 
rete  pubblico/ private.
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Tutti gli esecutori hanno uno scopo comune: creare una infrastruttura per collegare tutti i 
computer insieme in modo che applicazioni e servizi potrebbero essere inventato per 
eseguire su di esso. Il principale progetto dell‟Internet del futuro è individuare i principi di 
alto livello per le variazioni di una progettazione di un'architettura aperta che può 
adattarsi. 
 
Argomenti e obbiettivi trattati nella tesi 
 
Questa tesi tratta l‟evoluzione verso l‟Internet del futuro, spiegando concetti e architetture 
che sono alla base di esso. Uno dei concetti indispensabili per costruire una rete del futuro 
sono le Cognitive Network, cioè delle reti che sfruttano il processo cognitivo delle 
condizioni della rete attuale imparano dal passato e utilizzano questa conoscenza per 
migliorare le decisioni nel futuro. Questo è importante perché per sviluppare l‟Internet del 
futuro avremo bisogno di usare dispositivi intelligenti che prendono in input le condizioni 
attuali di ogni livello (fisico,data link, rete, trasporto, applicazione) e con quei input 
cercano di gestire la rete in modo tale da ottimizzarla. Ed in base a questo concetto siamo 
andati a focalizzare il nostro interesse su un di approccio architetturale chiamato 
Knowledge Plane che spiegheremo in seguito. Questa è solo uno dei concetti che ci potrà 
servire per arrivare all‟Internet del futuro.  
Per quanto riguarda l‟uso di Internet da parte degli utenti, possiamo dire che la rete viene 
utilizzata dalla maggior parte degli utenti per scaricare, guardare o sentire contenuti audio-
visivi(ad esempio video su Youtube), per questo noi andremo a studiare un‟architettura 
che potrà migliorare il consumo e la creazione di questi contenuti, questa architettura è 
detta Content-Centic Network. Andremo a studiare questa architettura e affermeremo che 
il Content-Centric è proprio il futuro di Internet in base ad una serie di considerazioni.  
Però l‟obiettivo principale della tesi sarà studiare l‟Internet del futuro riferendosi al 
progetto 4WARD. 4WARD è un progetto nel 7° Programma Quadro europeo in parte 
finanziato dalla UE. 4WARD combina un insieme di approcci architetturali radicali sulla 
base di un forte background mobile e wireless per la progettazione di famiglie di 
architetture di rete interoperabili e complementari. 4WARD mira ad accrescere la 
competitività dell'industria europea e di networking per migliorare la qualità di vita dei 
cittadini europei mediante la creazione di una famiglia di reti affidabili e interoperabili, 
fornendo un accesso diretto e onnipresente alle informazioni. Da questi obbiettivi andremo 
a focalizzare il nostro interesse  sullo studio dell‟architettura framework(WP2), cioè
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un‟architettura che fa interoperare più reti di diverso tipo, sulla virtualizzazione della 
rete(WP3) e infine come questi due WP si possano mettere insieme per creare 
un‟architettura di rete del futuro.
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CAPITOLO 1 - COGNITIVE NETWORKS 
 
1.1  Che cos’è una Cognitive Network?  
 
Si definisce reti cognitive (CN) una rete con un processo cognitivo in grado di percepire 
le condizioni della rete attuale, pianificare, decidere, agire su tali condizioni, imparare 
dalle conseguenze delle sue azioni. Questo ciclo, vicino al paesaggio e ai piani di azione 
secondo l‟input vengono gestiti da sensori e politiche di rete, che decido quale scenario si 
adatta meglio all„obiettivo end-to-end utilizzando un motore di ragionamento, e infine 
agire sullo scenario scelto. Il sistema impara dal passato (situazioni, progetti, decisioni, 
azioni) e utilizza questa conoscenza per migliorare le decisioni in futuro. Questa 
definizione di CN non studia esplicitamente la conoscenza della rete, ma si limita a 
descrivere il ciclo cognitivo e aggiunge obiettivi end-to-end.   
Le reti cognitive sono l'ultima progressione di funzionalità cognitiva in stack di rete, un 
lavoro che è iniziato inizialmente solo per il livello fisico con lo studio delle radio 
cognitive, ed ci cercherà di estendere questo processo a tutti i livelli(in particolare a quello 
di rete). 
Una rete cognitiva ha bisogno di flessibilità all'interno. Alcune delle funzionalità di livello 
inferiore includono uno strato fisico flessibile per sostenere forme d'onda e agilità di 
codifica, spettro di rilevamento e protocolli di coordinamento,  bootstrap e meccanismi di 
rilevamento della topologia per costruire una rete da un insieme di nodi e protocolli di 
accesso ai mezzi di comunicazione in accordo con il resto del sistema dinamico e adattivo.  
Il vantaggio principale di queste tecniche è il loro potenziale di assolvere efficacemente e 
il valutare e migliorare le proprie prestazioni, in presenza di complessi ambienti 
inconsistenti, dinamici e in continua evoluzione. 
 
1.2  Architettura cognitiva: Knowledge Plane [1] 
 
Dobbiamo creare una tecnica che sposta gli obbiettivi dell‟Internet d‟oggi su un nuovo 
obbiettivo: L‟abilità della rete di sapere che cosa le si chiede di fare, in modo che si possa 
sempre prendersi cura di se stessa, senza dipendere più dagli utenti: i tradizionali approcci 
algoritmici non sono pronti a fornire gli obbiettivi richiesti.  
L‟approccio che vogliamo offrire è una capacità di astrazione di isolare obbiettivi di alto 
livello per azioni di basso livello, integrare e agire su imperfezioni e contraddizioni , e
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imparare dalle azioni passate per migliorare le performance future. Queste proprietà sono 
precisamente quelle richieste dalle funzioni in Internet. Distribuiamo un sistema cognitivo 
che si diffonde nella rete, che noi chiamiamo Knowledge Plane.  
Il Knowledge Plane è un sistema pervasivo all'interno della rete che costruisce e mantiene 
ad alto livello i modelli di ciò che la rete dovrebbe fare, al fine di fornire servizi e 
consulenze ad altri elementi della rete; esso fa affidamento sugli strumenti di 
AI(intelligenza artificiale) e di sistemi cognitivi.  
In un applicazione di rete specifica, un approccio potrebbe essere quello di utilizzare e 
incorporare tali Knowledge specifici al centro del progetto della rete, come è stato fatto 
nella rete telefonica. 
Il Knowledge Plane(KP) ed include: 
 Edge involvement: Il principio end-to-end suggerisce che molte informazioni 
importanti sulle prestazioni di rete non nascono in rete, ma nei dispositivi e nelle 
applicazioni che le utilizzano. Questo implica, però che gran parte dei  “knowledge” 
nel Knowledge Plane possono essere prodotti, gestiti e consumati al di la dei 
tradizionali edge della rete. 
 Prospettive globali: Ogni operatore gestisce la parte che possiede. Ma è utile  
l‟identificazione del problema, che dipende dalla correlazione di osservazioni da parti 
differenti della rete. Non solo deve combinare dati da edge che sono “all‟interno” della 
rete,  ma anche quelli provenienti da diverse parti della rete, questo è necessario per 
comprendere la sequenza degli eventi. Il Knowledge Plane dovrebbe essere in grado di 
estendere la sua prospettiva a tutta la rete globale. 
 Strutture composizionali: Se la portata dei KP è globale, allo stesso tempo essa deve 
essere progettata per tener conto della composizione. Un esempio base è quando i KP 
di due reti non collegate dovrebbero essere in grado di fondere le loro attività se le reti 
diventano connesse. Una conseguenza del problema di composizione è il bisogno di 
operare in presenza di informazioni imperfette e contraddittorie.  
 Approccio unificato: Si potrebbe ipotizzare che i vari problemi si possano risolvere 
facilmente da meccanismi distinti, con un lavoro di bottom up. In contrasto , il KP è un 
singolo sistema unificato, con standard e framework comuni per “Knowledge”. Questo 
approccio unificato è necessario perché il mondo reale dei Knowledge non è 
partizionato per task ma è strutturato sulla base di knowledge.
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 Cognitive framework: Il Knowledge Plane necessita di formulare giudizi in presenza 
di informazioni parziali o in conflitto; di riconoscere e inoltrare i conflitti nelle 
politiche e negli obbiettivi; di rispondere a problemi e attacchi su frame in modo più 
efficiente;  di eseguire le ottimizzazioni in ambienti ad alti livelli dimensionali troppo 
complicati da affrontare da umani o da soluzioni analitiche; e di automatizzare le 
funzioni che oggi devono essere effettuate da tecnici qualificati. Abbiamo la necessità 
di una nuova costruzione , che unifichi il  Knowledge Plane e il valore dei strumenti 
cognitivi. 
 
 
 
Figura 1.2: Architettura Knowledge Plane 
 
La maggior parte delle discussioni sulle architetture di rete riconoscono due divisioni 
architettoniche: Un Data Plane , su cui il contenuto è trasmesso, e un Management o 
Control  Plane, che è usato direttamente e  proporzionalmente sul Data Plane.  
Il Data Plane usa una forma di stratificazione per nascondere la complessità e consente 
l‟estensibilità, l‟interoperabilità e la scalabilità.  
I sistemi di controllo e di gestione sono progettati per tagliare attraverso la stratificazione, 
dare visibilità e accesso a tutti gli aspetti della rete, che deve essere monitorata e gestita. Il 
Management Plane tende ad una scarsa scalabilità ed è difficile da cambiare. 
Il Knowledge Plane chiaramente risiede in un posto diverso. A differenza del  
Management Plane esso tende  a  fornire una visione unificata, piuttosto che partizionare. 
È  necessario che le informazioni riguardanti la configurazione di rete e quelle riguardanti 
i problemi osservati dall‟utente possano essere nello stesso framework.  
Gli obbiettivi per il Knowledge Plane necessitano di soddisfare una serie di richieste: 
 Essa deve funzionare in modo utile in presenza di informazioni incomplete , 
inconsistenti e anche con quelle dannose o ingannevoli.