In today's digital age, the Internet has become an indispensable part of our daily lives, serving as a versatile platform for a wide range of activities, such as commerce, activism, and entertainment. Even if the protocols used in the Internet have demonstrated their resilience and adaptability to scenarios not even imaginable by their designers, it remains essential to explore new protocols that can better support the Internet's new applications and the evolving network infrastructure, assessing their resilience and simulating extensive network architectures before their implementation in real-world scenarios. This thesis will present the design and implementation of MegaSCION, a scalable network emulator for advanced testing of next-generation network protocols, specifically SCION, the first clean-slate Internet architecture designed to provide route control, failure isolation, and explicit trust information for end-to-end communication, and IREC, an advanced routing architecture that enhances SCION by enabling dynamic, user-defined path optimization using extensible criteria. MegaSCION leverages container orchestration technologies such as Kubernetes, and monitoring solutions like Prometheus, to emulate large and complex network topologies, facilitating controlled experimentation and providing insights into the performance and scalability of network protocols under realistic conditions. The evaluation of SCION and IREC within MegaSCION revealed critical differences in their performance, particularly regarding beacon propagation and resource utilization. The SCION implementation demonstrates a high dependency on propagation intervals, affecting network connectivity and processing load. Conversely, IREC introduces optimizations like filtering beacon transmissions and executing them in a more resource-efficient manner, achieving better scalability in large network scenarios. Despite its effectiveness, the study identifies database operations and resource distribution as bottlenecks that require improvement. These findings suggest future refinements to both MegaSCION and the underlying protocols to enhance readiness for global-scale Internet adoption, supporting the dynamic and multi-path routing nature of future Internet architectures.

Nell'odierna era digitale, Internet è ormai un componente essenziale della nostra vita quotidiana, fungendo da piattaforma flessibile per varie attività, tra cui il commercio, l'attivismo e l'intrattenimento. Sebbene gli attuali protocolli di Internet abbiano dimostrato resilienza e notevoli capacità di adattamento a situazioni inimmaginabili anche ai loro creatori, è cruciale esplorarne di nuovi che possano supportare le innovazioni nelle applicazioni Internet, testando la loro robustezza e simulando architetture di rete estese prima della loro adozione. Questa tesi presenta la progettazione e l'implementazione di MegaSCION, un emulatore di rete scalabile destinato a test avanzati di protocolli di futura generazione, in particolare SCION, la prima architettura Internet concepita per offrire controllo sui percorsi, isolamento dei guasti e informazioni chiare sulla fiducia per la comunicazione end-to-end, e IREC, un'architettura di routing avanzata che potenzia SCION, permettendo una personalizzazione dinamica e definita dall'utente dei percorsi attraverso criteri estensibili. MegaSCION utilizza tecnologie di orchestrazione come Kubernetes e strumenti di monitoraggio come Prometheus per emulare complesse e ampie topologie di rete. L'emulatore agevola esperimenti controllati, fornendo indicazioni sulle prestazioni e scalabilità dei protocolli di rete in ambienti realistici. La valutazione di SCION e IREC tramite MegaSCION ha evidenziato differenze chiave nelle loro prestazioni, in particolare nella propagazione dei beacon e nell'uso delle risorse. L'implementazione di SCION mostra una significativa dipendenza dagli intervalli di propagazione, impattando la connettività e il consumo di risorse della rete. Al contrario, IREC introduce ottimizzazioni come il filtraggio dei beacon e miglioramenti nell'efficienza esecutiva, risultando in una migliore scalabilità su reti di grandi dimensioni. Nonostante la sua efficacia, la ricerca rileva che le operazioni sui database e la distribuzione delle risorse rappresentano limitazioni che necessitano di miglioramenti. Questi risultati suggeriscono miglioramenti futuri sia per MegaSCION che per i protocolli, puntando a un utilizzo su scala globale e favorendo la dinamicità e l'instradamento multipercorso delle future architetture di Internet.

Design and implementation of a scalable emulator for next-generation networks

Barbiero, Giovanni
2023/2024

Abstract

In today's digital age, the Internet has become an indispensable part of our daily lives, serving as a versatile platform for a wide range of activities, such as commerce, activism, and entertainment. Even if the protocols used in the Internet have demonstrated their resilience and adaptability to scenarios not even imaginable by their designers, it remains essential to explore new protocols that can better support the Internet's new applications and the evolving network infrastructure, assessing their resilience and simulating extensive network architectures before their implementation in real-world scenarios. This thesis will present the design and implementation of MegaSCION, a scalable network emulator for advanced testing of next-generation network protocols, specifically SCION, the first clean-slate Internet architecture designed to provide route control, failure isolation, and explicit trust information for end-to-end communication, and IREC, an advanced routing architecture that enhances SCION by enabling dynamic, user-defined path optimization using extensible criteria. MegaSCION leverages container orchestration technologies such as Kubernetes, and monitoring solutions like Prometheus, to emulate large and complex network topologies, facilitating controlled experimentation and providing insights into the performance and scalability of network protocols under realistic conditions. The evaluation of SCION and IREC within MegaSCION revealed critical differences in their performance, particularly regarding beacon propagation and resource utilization. The SCION implementation demonstrates a high dependency on propagation intervals, affecting network connectivity and processing load. Conversely, IREC introduces optimizations like filtering beacon transmissions and executing them in a more resource-efficient manner, achieving better scalability in large network scenarios. Despite its effectiveness, the study identifies database operations and resource distribution as bottlenecks that require improvement. These findings suggest future refinements to both MegaSCION and the underlying protocols to enhance readiness for global-scale Internet adoption, supporting the dynamic and multi-path routing nature of future Internet architectures.
PERRIG, ADRIAN
TABAEIAGHDAEI, SEYEDALI
VAN BOMMEL, JELTE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
11-dic-2024
2023/2024
Nell'odierna era digitale, Internet è ormai un componente essenziale della nostra vita quotidiana, fungendo da piattaforma flessibile per varie attività, tra cui il commercio, l'attivismo e l'intrattenimento. Sebbene gli attuali protocolli di Internet abbiano dimostrato resilienza e notevoli capacità di adattamento a situazioni inimmaginabili anche ai loro creatori, è cruciale esplorarne di nuovi che possano supportare le innovazioni nelle applicazioni Internet, testando la loro robustezza e simulando architetture di rete estese prima della loro adozione. Questa tesi presenta la progettazione e l'implementazione di MegaSCION, un emulatore di rete scalabile destinato a test avanzati di protocolli di futura generazione, in particolare SCION, la prima architettura Internet concepita per offrire controllo sui percorsi, isolamento dei guasti e informazioni chiare sulla fiducia per la comunicazione end-to-end, e IREC, un'architettura di routing avanzata che potenzia SCION, permettendo una personalizzazione dinamica e definita dall'utente dei percorsi attraverso criteri estensibili. MegaSCION utilizza tecnologie di orchestrazione come Kubernetes e strumenti di monitoraggio come Prometheus per emulare complesse e ampie topologie di rete. L'emulatore agevola esperimenti controllati, fornendo indicazioni sulle prestazioni e scalabilità dei protocolli di rete in ambienti realistici. La valutazione di SCION e IREC tramite MegaSCION ha evidenziato differenze chiave nelle loro prestazioni, in particolare nella propagazione dei beacon e nell'uso delle risorse. L'implementazione di SCION mostra una significativa dipendenza dagli intervalli di propagazione, impattando la connettività e il consumo di risorse della rete. Al contrario, IREC introduce ottimizzazioni come il filtraggio dei beacon e miglioramenti nell'efficienza esecutiva, risultando in una migliore scalabilità su reti di grandi dimensioni. Nonostante la sua efficacia, la ricerca rileva che le operazioni sui database e la distribuzione delle risorse rappresentano limitazioni che necessitano di miglioramenti. Questi risultati suggeriscono miglioramenti futuri sia per MegaSCION che per i protocolli, puntando a un utilizzo su scala globale e favorendo la dinamicità e l'instradamento multipercorso delle future architetture di Internet.
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