One Code to Rule Them All: A Coding-Based Solution for Resilient Future Communication Networks

Abstract

[EN] We are witnessing a shift away from an unreliable host-centric paradigm based on perpetual connectivity and an end-to-end principle to a network architecture in which identified information is central, and networks are required to be resilient against host failures, or segmentations. As part of the “Resilient Worlds” priority programme, we want to be actively involved in shaping the networks of the future. In the spirit of Paul Baran we aim to exploit distributed networks and bring resilience to the forefront by using coding-based solutions while building on existing protocols such as Interplanetary File System (IPFS) and Named Data Networking (NDN), to make distributed storage, transport, and in-network computing more secure, robust, and effective. First, we want to find individual coding-based solutions for each of the three pillars of communication (storage, transport, and computing). In multipath communication and distributed storage, network coding (NC) has shown improvements in terms of resilience and network efficiency. However, even though it is the same code structure, NC solutions have been implemented independently. Therefore, one of our key objectives is to develop what we call the theory of “one code to rule them all” to study the benefits of using NC as a single code structure for resilient transport and storage applications. For reliable distributed computing, we will research novel coding techniques that enable the network to distribute and add redundancy to the in-network computing of functions and algorithms. Furthermore, we want to solve problems in the area of robustness in networks that can no longer provide services on every network node through segmentation. Our already ongoing research in the areas of resilient network-coded distributed caches, network-coded assisted multipath communication, and codes for distributed computing has shown us how we can create networks that can adapt to segmentation and are able to operate autonomously. For the realization of our goals, we rely on the proven experience, both in theoretical analysis and practical software implementations, of our team at the ComNets chair in the field of network coding and distributed network systems. We will perform the evaluations with the help of our own implemented network emulator (ComNets-Emu) and with our self-built hardware testbed consisting of more than one hundred nodes interconnected. Besides the academic publications in conferences and journals, we will make our measurement results available to other researchers at the IEEE Dataport (as we have done in the past). We want to give other researchers the opportunity to work on our hardware testbed by making it available as an open source environment accessible via the Internet. Furthermore, together with Deutsche Telekom, we are involved in activities of standardization bodies such as the IETF, and we plan to exploit the results of this work by writing RFCs at the IETF.

[DE] Zurzeit erleben wir eine Umstellung von einer unzuverlässigen, host-zentrierten Netzarchitektur, die auf ständiger Konnektivität und einem End-to-End-Prinzip beruht, hin zu einer, in der Informationen im Mittelpunkt stehen und Netze widerstandsfähiger gegen Ausfälle von Knotenpunkten oder Segmentierungen sein müssen. Im Rahmen des priority-program “Resilient Worlds” wollen wir uns aktiv an der Gestaltung der Netze der Zukunft beteiligen. Im Gedanken von Paul Baran wollen wir die Vorteile verteilter Netze nutzen und die Resilienz in den Vordergrund rücken, indem wir kodierungsbasierte Lösungen einsetzen und auf bestehenden Protokollen wie dem Interplanetary File System (IPFS) und Named Data Networking (NDN) aufbauen, um verteilte Speichersysteme, den Datentransport und netzinterne Datenverarbeitung robuster und effektiver zu machen. Zunächst wollen wir für jede der drei Säulen der Kommunikation (Speicher, Transport und Verarbeitung) individuelle kodierungsbasierte Lösungen finden. Bei Mehrwegekommunikation und verteilten Speichersystemen verbessert Netzwerkkodierung (NC) bereits die Ausfallsicherheit und Effizienz. Jedoch wurden NC-Lösungen bis jetzt unabhängig voneinander implementiert. Daher ist eines unserer Hauptziele, die Theorie des “one code to rule them all” zu entwickeln, welche die Vorteile einer einzigen Codestruktur für zuverlässigen Datentransport und -speicherung untersucht. Für eine zuverlässige verteilte Datenverarbeitung werden wir neuartige Kodierungstechniken erforschen, um netzinterne Berechnung von Funktionen und Algorithmen verteilt und resilient durchzuführen. Außerdem wollen wir die Robustheit in Netzen verbessern, die durch Segmentierung Dienste nicht mehr an jedem Knoten bereitstellen können. Unsere bereits laufenden Forschungen in den Bereichen resilientes kodiertes verteiltes Speichern, kodierte Mehrwegkommunikation und Codes für verteiltes Rechnen haben uns gezeigt, dass wir Netze aufbauen können, die sich an Segmentierung anpassen und in der Lage sind, autonom zu arbeiten. Bei der Umsetzung unserer Ziele stützen wir uns auf die bewährte Erfahrung unseres Teams am ComNets-Lehrstuhl auf dem Gebiet der Netzwerkkodierung und verteilter Netzwerke, sowohl bei der theoretischen Analyse als auch bei der praktischen Softwareimplementierung. Wir werden die Evaluierungen mit Hilfe unseres eigens implementierten Netzwerk-Emulators (ComNets-Emu) und mit unserem selbstgebauten Hardware-Testbed, bestehend aus über hundert miteinander verbundenen Knoten, durchführen. Neben den akademischen Veröffentlichungen in Konferenzen und Fachzeitschriften werden wir unsere Messergebnisse erneut anderen Forschern im IEEE Dataport zur Verfügung stellen und ihnen die Möglichkeit geben, auf unserem Hardware-Testbed über das Internet zu arbeiten. Darüber hinaus sind wir zusammen mit der Deutschen Telekom an Standardisierungsgremien wie der IETF beteiligt und planen, die Ergebnisse für das Schreiben von RFCs bei der IETF zu verwenden.