Het Draagvlak van de 21ste Eeuw

Het Draagvlak van de 21ste Eeuw We predict the future by inventing it. (Nicholas Negroponte)

Inaugurale Rede Uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt van hoogleraar Telecommunicatie Netten en Diensten aan de faculteit Informatie Technologie en Systemen van de Technische Universiteit Delft op 5 maart 1999 door

Prof. dr. ir. Piet Van Mieghem

Copyright  1999 by P. Van Mieghem All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission from the author or the Delft University of Technology Gedrukt in de Universiteitsdrukkerij TU Delft.

1

Het Draagvlak van de 21ste Eeuw Piet Van Mieghem

Mijnheer de Rector Magnificus, leden van het College van Bestuur, Collegae hoogleraren en andere leden van de universitaire gemeenschap, Zeer gewaardeerde toehoorders,

Als aanhef richt ik me tot de benoemingscommissie en het College van Bestuur en wens hen te bedanken voor hun vertrouwen in mij. Ik prijs de Nederlandse academische openheid om buitenlanders in hun rangen op te nemen. Ook wens ik de vakgroep Telecommunicatie en Verkeersbegeleiding Systemen, in het Delftse vakjargon gewoon TVS, te bedanken voor het bijzonder goed onthaal.

Dames en Heren, Overeenkomstig de geplogenheden wordt van een nieuwe hoogleraar verwacht in zijn inaugurale rede de krijtlijnen te trekken en het academisch en maatschappelijk belang van zijn leerstoel te onderlijnen. Zoals het woord ‘inauguraal’ dat stamt van het Latijnse ‘augur’ (vogelwichelaar, of diegene die tracht uit tekenen van de natuur een betekenis af te leiden ter ondersteuning van belangrijke beslissingen) verwant is met ‘profetie, voorspelling’, hoort deze rede iets van die originele ondertoon te bewaren. Ik zal derhalve trachten mijn visie over telecommunicatie te schetsen die soms wel gedurfd is. Enige provocatie, wars van het normale denken, is steeds scheppend en vernieuwend. Ik hoef slechts te verwijzen naar de grote fysicus Richard Feynman wiens lijfspreuk was “Just look at it in a different way”. De titel op zich “het draagvlak van de 21ste eeuw” straalt ambitie uit. Doch ik ben van oordeel dat men in het begin best wat hoger mikt, want de pijl daalt vanzelf in zijn vlucht. De essentie van telecommuniceren wordt voorgesteld in figuur 1. Een boodschap (informatie) wordt verzonden en ontvangen via een technologisch platform, het netwerk. Verschillende protocol lagen herleiden de digitale boodschap systematisch tot een elementair niveau van ‘enen’ en nullen’, die, na digitaal-analoog conversie, over een fysisch medium (koperdraad, lucht, glasvezel) worden gepropageerd. Het netwerk zelf beschikt over intelligentie om deze boodschap te routeren naar de bestemmeling

2

waar een omgekeerd proces doorheen de protocol lagen de ‘enen’ en ‘nullen’ transformeert in de oorspronkelijke boodschap.

Figuur 1. Telecommuniceren: de inhoud van de boodschap wordt verzorgd door “eind-systemen” en het transport door het netwerk. In elk netwerk element wordt de protocol stack gedeeltelijk doorlopen, maar volledig in de eind-systemen.

Mijn betoog vertrekt van algemene beschouwingen over onze tijd en maatschappij om zich nadien toe te spitsen op de telecommunicatie. Ik zal eindigen met een opsomming van academische vraagstukken omtrent telecom netwerken.

Het kennis tijdperk. De mens staat centraal. Het succesvol ontwikkelen van toekomstvisies is gestoeld op invarianten. Zo weten we dat het menselijke gedrag slechts weinig verandert door de eeuwen heen, terwijl de techniek razendsnel evolueert. Het volgende ge-

3


dachtenexperiment illustreert de menselijk gedragsinvariantie: “Veronderstel dat Aristoteles vandaag terug zou komen, dan zou hij van onze ingenieurs geen snars meer begrijpen, terwijl hij toch menig filosoof een aardig lesje zou kunnen leren”. Hieruit – de geschiedenis leert ons trouwens hetzelfde - volgt dat technologie voorspellen (meer dan 10 jaar vooruit) nagenoeg onmogelijk is. Wie had in het begin van de jaren ’90, iets na de geboorte van de Asynchrone Transfer Mode (ATM) (De Prijcker, 1995), het fenomenale succes van Internet durven voorspellen? Maar aangezien de technologie er is voor de mens, hebben we de beste voorspellingswaarschijnlijkheid op het slagen van een technologie als we de mens centraal stellen. Onderliggende figuur 2 toont dat een nieuw product of dienst ontstaat uit een ingewikkelde interactie tussen de maatschappelijk-sociale, de economisch-juridische en de technische pijler. Values Politics Philosophy

Consensus Economics (P&L) Market

Desirable

Feasible

Possible

Technology

Figuur 2. Schematisch de factoren die het succes van een nieuw product of dienst bepalen

Laten we een stap verder gaan en ons concentreren op de evolutie in telecommunicatie. Veronderstel dat de technologie geen barrière vormt zoals door de jaren heen werd aangetoond want steeds heeft het menselijk vernuft - de ingenieur - de grenzen weten te verleggen. Welke vormen van communicatie of additionele informatie vinden we eigenlijk de moeite waard om

4

voor te betalen? Naast spraak, kan beeld een en ander wel duidelijker maken, maar is een beeld naast spraak steeds wel een grote aanwinst? Mobiele telecommunicatie is een groot succes, niet omwille van de kwaliteit van communiceren, maar wegens de grotere vrijheid en bereikbaarheid. Waarom duurt het nog zolang om iedereen één levenslang persoonlijk nummer toe te kennen waarmee hij volledig geïdentificeerd is? Het zou elektronisch betalen, telecommuniceren, identificatie eenvoudiger maken, de veiligheid voor de samenleving verhogen, ten koste van de vrijheid van het individu. Maar het ‘big brother is watching you’ syndroom maakt sommigen heel ongemakkelijk zodat identificatie voorlopig politiek onhaalbaar is. Wellicht zal ook deze weerstand gebroken worden omdat er meer voordeel dan nadeel aan gekoppeld is en omdat het technologisch mogelijk zal zijn. Immers, binnenkort zullen de meesten onder ons rondlopen met een mobiele telefoon en zullen daardoor automatisch geregistreerd zijn. Wanneer de meeste toestelletjes in huis, van een ordinaire lamp tot een processor voor verwarming, zullen uitgerust zijn met een nummer en kunnen geadresseerd worden, waarom zou de mens dan nog een uitzondering zijn? Nog een stap verder gaan in de toekomst, betekent de ogen sluiten en gaan dromen. Of ‘science fiction’ gaan lezen. In ieder geval zullen velen het met mij eens zijn dat, in de nabije toekomst, telecommunicatie het moet mogelijk maken ‘elke vorm van gedigitalizeerde informatie, waar ook en wanneer ook en liefst aan ieder van ons’ te verstrekken. De technologie zelf, waaronder ik ook standaardisatie (consensus box in figuur 2) reken, zal de details wel invullen van hoe het precies zal gaan. In grove lijnen zou men kunnen beweren dat het nabije toekomst perspectief hoofdzakelijk van de onderste lagen van het OSI (Open System Interconnect reference) model een serieuze performantie-verhoging vereist. Iets verder in de toekomst ligt de evolutie van louter informatie naar ‘geinterpreteerde informatie’ of kennis. Wellicht zal dit proces zich concentreren op de hogere lagen van het OSI model of OSI overstijgen.

Van Informatie naar Kennis. De Westerse wereld is reeds meer dan 2000 jaar aan het denken over wat kennis precies is. Plato lag aan de basis met zijn ideeënleer, die kennis als een abstracte en rationele identiteit zag en ontbloot van aardse of materiële aspecten, die enkel hinderpalen waren om tot de ware kennis door te dringen. Zijn meest befaamde leerling Aristoteles was het met de louter ab-

5


stractie visie van Plato niet eens en propageerde de stelling dat kennis voortvloeit uit observatie, waaruit het empirisme werd geboren. De Westerse wereld zou sinds Descartes met deze dualiteit tussen geest en lichaam, tussen abstract denken en de kennis verworven via observatie blijven worstelen zoals blijkt uit de filosofische traktaten van Kant, Hegel, Wittgenstein en anderen. In het verre Oosten werd kennis minder rationeel benaderd zoals beschreven in het boek van Nonaka en Takeuchi (1995), “The knowledge-creating company”. Nonaka en Takeuchi delen kennis op in ‘explicite’ en ‘tacit knowledge’. Het Westen blinkt uit in expliciete kennis (deductieve afleiden, analyse en synthese) terwijl het Oosten (vooral Japan) groeide op ‘tacit’ kennis, een verborgen, innerlijke vorm van kennis, ervaring of zoals de Duitsers het noemen “Fingerspitsunggefühl”. Nonaka en Takeuchi hebben alleszins een fundamentele bouwblok aan het kennis-onderzoek toegedient, maar, ondanks de vele ‘recepten’ die ze beschreven, lijkt me de weg naar de ideale kennismaatschappij nog heel ver weg. Een eerste concrete stap van informatie naar kennis zou kunnen bestaan in ‘kennis-catalogeren’ of ‘kennis-management’.

Kennis-management Reeds einde vorige eeuw begon de grote wiskundige Felix Klein – van wie beweerd wordt dat hij tot de laatste generatie behoorde die nog alle voorheen geproduceerde wiskunde kon overzien – vast te stellen dat de communicatie en interrelatie tussen fysica en wiskunde begon af te nemen en dat tendenzen naar specializatie en ‘het wiel opnieuw uitvinden’ duidelijke afmetingen begonnen aan te nemen. Vandaag is dergelijke spits-specializatie dermate dramatisch geworden dat ‘nieuw gewaande ideeën’ soms ouder zijn dan de ‘uitvinder’ zelf. Hoe kunnen we kennis structuren in onze digitale wereld? Meer nog, hoe kunnen we uit de gedistribueerde (en nu nog wanhopig chaotische kennishopen – heb je al eens gezocht naar info op Internet?) nieuwe kennis vergaren (vb. via correlaties en verbanden te leggen zoals de recente discipline ‘data-mining’ poogt te realizeren). Misschien lijkt het paradoxaal, maar om kennis toegankelijker te maken hebben we steeds snellere kanalen en processoren nodig, ook meer intelligentie die de menselijk frustratie om zelf te zoeken en te interpreteren en te relateren gedeeltelijk of volledig overneemt. Verder, een snel, efficiënt netwerk, met reusachtige, prima ge-interconnecteerde servers (of databases) zou ons besparen om individueel gegevens op te slaan. Automatisch zouden

6

we ook de meest recente, upgedateted informatie of programma’s hebben. Hoeveel plaats nemen boeken, CD’s, video-banden, floppy’s in? Hoeveel keren lezen we tweemaal hetzelfde boek of bekijken tweemaal dezelfde film? Hoe dikwijls moeten we niet zoeken om juist dit bepaald boek of die CD te vinden? Dus, breedbandige, supersnelle, intelligente netwerken vormen een aardige begerenswaardigheid. Men zou ze kunnen zien als het draagvlak voor kennis of, iets ruimer, als het draagvlak van de 21ste eeuw, dat we nu reeds het kennistijdperk noemen. En dan moet ik nog voorbij gaan aan sterke toename van kleine ‘computing machines’ in allerhande apparaten die ook weldra met elkaar zullen communiceren, opnieuw via netwerken. Tot slot, alvorens over te gaan naar de techniek, die eigenlijk centraal dient te staan in dit betoog, blijft er nog de grote open vraag hoe de maatschappij, u allen, zal veranderen door deze haast ongebreidelde informatie-communicatie mogelijkheden?

Het ‘fin de siecle’ streven naar schaalvergroting Verschillende onderliggende voorbeelden illustreren dit kenmerkend streven naar schaalvergroting of globalisering.

Unificatie in Natuurkunde In het vorige eeuw-einde werd na de unificatie van elektrische en magnetische fenomenen via de wetten van Maxwell, ook reeds de grondslag gelegd voor Einsteins Relativiteitstheorie en de quantum mechanica die beide de Newton mechanica omsluiten, maar helaas tot op heden nog (wiskundig) incompatibel zijn. Ook aan deze ‘grand unification theory’ wordt momenteel hard gesleuteld (vb. via String theory) om ons wereldbeeld van ‘quarks’ tot ‘zwarte gaten’ consistent te maken.

Staatkundige schaalvergroting Europa streeft via de Euro naar eenheid: een gigantisch project dat net zo boeiend is als de ®evolutie in telecom! Gaan we naar het Europa van de bestaande regio’s of naar ruimere taal en cultuur gebieden? Zal Vlaanderen en Nederland, na ruwweg 400 jaar scheiding en ondanks de nu nog grote mentaliteitsverschillen, nauwer gaan samen leven met wederzijds respect?

7


Een zelfde taal bindt ons en juist taalgevoeligheid is steeds een Belgisch latent spanningsveld geweest. Maar naast taal spelen onder andere ook religie en levensopvattingen of maatschappijbeeld een rol.

Economische en industriële schaalvergroting De mondializering begint steeds meer de belemmerende invloed van nationale regelgeving te slopen en schaalvergroting over de grenzen heen wordt eenvoudiger. We hoeven slecht te denken aan de recente golf van overnames en samensmeltingen • in de bank sector: ING koopt BBL, de Fortis groep neemt de Generale Bank over na gifpil, • in automobiel sector hebben we de Daimler groep en Chrysler, Ford koopt Volvo cars. • en tenslotte in de telecom business zien we dat alle grote manufacturers zoals Alcatel, Siemens, Erikson, Nokia, Lucent en Nortel (kleinere) bedrijven opkopen omwille van hun IP-kennis. In het oog springend was de recente overname van Ascend door Lucent. Operatoren krijgen meer vrijheid door de ‘recente’ Europese deregularizering in telecommunicatie waardoor verwacht wordt dat verdere clustering niet lang zal uitblijven. Merkwaardig, want had deregularizering niet tot doel om competitie te bevorderen en dus lagere prijzen voor de consument? Nochtans schijnen de recente overnames of verregaande participaties te leiden tot een inkrimping van het aantal aanbieders wat kan leiden tot een vergroting van het monopolie. Immers, economische theorieën, the economies of scale, zeggen dat in elke industrietak, afhankelijk van de kostenstructuur, slechts een handvol bedrijven werkelijk meespeelt in evenwicht. Maar over regelgeving zal mijn eerbiedwaardige collega Professor Arnbak u wel meer kunnen vertellen.

Faculteitsintegratie in Delft: de nieuwe faculteit ITS Ook aan de TUDelft werd geopteerd voor verregaande integratie tussen elektrotechniek, wiskunde en informatica tot de nieuwe faculteit Informatie Technologie en Systemen. Ik wens de decaan, Professor Van Katwijk, te bedanken voor de kans die hij mij heeft gegeven om mee een stempel te drukken op de profilering van Telecommunicatie in TUDelft.

8

Integratie in Telecommunicatie Connectie-orientatie en connectionless in een netwerk? In het internationale zog naar schaalvergroting, zijn ook hedentendage de (voor)tekenen1 (auguriën?) duidelijk van de nakende, algehele integratie van de telecom wereld met de computer wereld, beter bekend als de Internet [R]evolutie.

Advances in Micro-electronics

Fast computers

High speed networks

Multimedia best of both worlds Telecom World Data World non-real time real-time Figuur 3. De fenomenale vooruitgang in de microelectronica is de voedingsbodem voor de huidige Internet [R]evolutie.

De netheads and de bellheads (zoals de religieuze strijders uit beide kampen, de data en telecom wereld, in Amerika heten) zullen hand in hand gaan om na enige tijd te verdwijnen als voetnoot in de telecom geschiedenis. Conceptueel gaat het uiteindelijk over een integratie van de 2 fundamenten waarop digitale informatie transport in een netwerk kan geschieden: op een ‘connection oriented’ manier (waar alle pakketten van een informatie 1

Onlangs kondigde Trillium, specialist in software voor telecom, aan het bekende signaleringsprotocol SS7 (dat tegenwoordig een belangrijk fundament is voor mondiale telefonie) compatibel te maken met TCP/IP om zo netwerk management en IN-services drastisch te vergemakkelijken.

9


stroom precies hetzelfde pad volgen) of op ‘connectionless’, (waar elk pakket van een zelfde informatiestroom onafhankelijk van de andere zich een weg baant door het netwerk). Ik kan niet genoeg onderlijnen hoe ingrijpend deze integratie zal zijn en welke inspanning het vergt (en zal vergen) om dit ultieme doel te bereiken. Het ligt onlosmakelijk verbonden met mijn leerstoel en is waarschijnlijk het belangrijkste technisch fenomeen van eenheid in telecommunicatie, wel kenmerkend voor dit ‘fin de sciecle’ .

Inter-werking tussen vast en mobiel netwerk We staan niet langer stil bij de trivialiteit dat telecommunicatie steunt op een onderliggend ‘netwerk’. Intuïtief voelen we ook aan dat het belang van een netwerk stijgt met de grootte ervan, en zelfs meer dan proportioneel zoals Bob Metcalfe – uitvinder van Ethernet en part-time Internet ghuru – het formuleert “the value of a network is proportional with the square of the number of connected nodes”. Precies hetzelfde geldt voor relationele netwerken: hoe meer menselijke relaties, hoe groter je netwerk, des te omvangrijker wordt je maatschappelijke of/en professionele waarde/belang.

Telefonie Netwerk

Telefonie Netwerk

Internet

Internet Mobiele Netten

Mobiele Netten

Morgen

Vandaag

Figuur 4. Interactie tussen drie hoofdrol spelers

Reeds meer dan 150 jaar geleden heeft de Titaan Carl Friederik Gauss2 het

2

Briefwechsel Gauss-Schumacker, (Altona: G. Esch) Vol. II, pp. 411-416 (uit F. Klein, “Vorlesungen über die Entwicklungen der Mathematik im 19 Jahrhundert, Springer-Verlag (1928).

10

idee gelanceerd om een wereldwijd communicatie netwerk te bouwen nadat hij samen met Wilhelm Weber in Göttingen de telegraaf uitvond. Vandaag doorkruisen verschillende soorten communicatienetten de aarde, bestaande uit satelliet constellaties tot onderzeese glaskabels. Vermits deze grote verscheidenheid het netwerk management bijzonder compliceert wegens de vele onnodige ‘vertaalfuncties’ tussen protocols onderling, voelt men intuïtief aan dat een ‘eenheidsplatform’ wel veel efficiënter en eenvoudiger zou zijn, alhoewel vele bedrijven ergens economisch baat halen uit de huidige diversiteit. Deze integratie idee was trouwens een der ontstaan-redenen van ATM: een basisplatform voor alle soorten breedband diensten. Integratie en interwerking dringt zich op in drie spildomeinen van telecommunicatie: tussen het snel groeiende mobiele toegangsnet, vaste telefonienet en het Internet. Zoals voorheen reeds aangestipt gaat de evolutie naar een persoonlijk nummer dat mensen een levenlang meedragen. Naast psychologische aspecten, schept deze ‘number portability’ ook hogere eisen (meer intelligentie) aan het netwerk. Tot slot kan men ook denken om TVdistributie eveneens te integreren in het multimedia netwerk van de toekomst. Dames en Heren, Na dit ruim overzicht van de omgevingsfactoren en trends kom ik nu tot de kern van het betoog: telecommunicatie netwerken en diensten.

Evolutie in Telecom: voorspellingen Huidige vraag naar en aanbod van bandbreedte Worldcom-MCI3 ziet in zijn netwerk dat bandbreedteconsumptie verdubbelt elke 3.5 maand, met andere woorden, de bandbreedte of het aantal bits en bytes per tijdseenheid stijgt 5 keer sneller dan de groei in micro-elektronica (ruwweg hardware) voorspeld door de ‘wet van Moore’. Figuur 5 illustreert de ‘bandbreedte-honger’ van Internet, met daaraan gekoppeld enkele extrapolaties. Een dergelijke exponentiële groei van Internet verkeer heeft de aandacht getrokken van de traditionele grote 3

TechWeb News of September 24, 1997. Verwante prognoses vindt men in Coffman en Odlyzko (1998) en Ray et al. (1998).

11


telefoonbedrijven. De groei van het klassieke telefoonverkeer zou op de schaal van deze figuur niet merkbaar zijn, zodat een graantje meepikken van de Internet ®evolutie zeer begerenswaardig is. Naar schatting zal rond de milleniumwisseling de huidige op Silicium gebaseerde hardware ontoereikend zijn om de vraag naar steeds sneller te voldoen. Als voor de hand liggende oplossingen kan men nieuwe technologieën (bv. volledig optisch schakelen) introduceren en/of de groei door een nieuwe prijszetting indijken.

Gb/s

Internet data

20 Spanningsveld: • prijs via QoS • nieuwe technologie

15 10

QoS Wet van Moore (Silicon-limit)

5 jaar 0 1997

1998

1999

2000

2001

2002

Figuur 5. Internet data wordt verwacht sneller te stijgen dan huidige schakeltechnologie aankan. Hierdoor ontstaat een spanningsveld tussen vraag en aanbod, waarop, in principe, twee oplossingen zijn: introduceer een nieuwe prijsstrategie die het Internetverkeer aan banden legt, of zoek naar een nieuwe, snellere technologie.

Rol van pricing en QoS Een belangrijke succesfactor van de Internet ®evolutie is ongetwijfeld het prijskaartje. Men hoeft enkel een abonnement te betalen bij een Internet aanbieder en men kan dan emailen, surfen, telefoneren over Internet, enz., naar hartelust, onafgezien van de duur of verkeersvolume (bandbreedteconsumptie). In tegenstelling tot de Verenigde Staten wordt de Internet explosie in Europa al een beetje ingetoomd door de huidige

12

aansluitingsmogelijkheden die hoofdzakelijk over een telefoonlijn lopen tot aan de Internet provider, waarvoor wel per tijdseenheid moet betaald worden. Maar de grote bedrijven kunnen zich gemakkelijk een huurlijn permitteren waardoor het globale Internetprijskaartje per gebruiker drastisch daalt. Nu, economisch gezien is de huidige, lage Internetprijs niet te verdedigen. Iedereen is het er over eens dat Internet een dienst is die waarde toevoegt en ergens lijkt het ons logisch dat er een verband bestaat tussen de hoeveelheid waarde en de prijs. De huidige ‘flat rate subscription based pricing’ wordt vaak ‘tragedy of the commons’ genoemd, naar analogie met de vrije graasplaatsen voor vee in het 19de eeuwse Engeland. Het gratis openstellen van eindige capaciteit voor gemeenschappelijk gebruik leidt tot overconsumptie – want het is toch gratis! - zodat de ganse maatschappij er eigenlijk slechter van wordt. Bovendien toont figuur 5 aan dat een nieuwe prijszetting wenselijk zou zijn om het verwachte technologisch knelpunt op relatief korte termijn enigszins te verschuiven naar later om zo nieuwe technologie meer tijd tot maturiteit te gunnen. Tot slot zijn sommige Internetgebruikers bereid iets meer te betalen om vlotter bediend te kunnen worden, met andere woorden, er lijkt voldoende impuls te zitten om het huidige ‘best effort’ Internet in te ruilen tegen meer kwaliteitsgedifferentieerde diensten. Dus, er zijn goede redenen waarom een nieuwe prijsstelling waarschijnlijk zijn intrede zal doen.

QoS: koppelmechanisme tussen ‘onafhankelijke’ OSI lagen De invoering van een nieuwe prijsstructuur is sterk gekoppeld aan het concept van ‘quality of service’, dat ruimer is dan de letterlijke Nederlandse vertaling ‘kwaliteit van een dienst (of van bediening)’ laat suggereren (Ferguson en Huston, 1998). Het QoS-concept was lang onbestaande in de Internet terminologie misschien omdat het een kernbegrip is uit de klassieke telefoniewereld en, in het bijzonder, in ATM, maar zeker omdat het niet in lijn is met de architecturale principes van het Internet. Onafgezien van de lage blokkeringskans en de hoge betrouwbaarheidseisen gesteld aan klassieke telefonie is de basisvereiste voor QoS gekoppeld aan de dienst zelf. Immers, telefoneren is een mooi voorbeeld van een ‘realtime service’, die strenge eisen stelt aan de vertraging van een gedigitalizeerd spraakpakketje. Indien een spraakpakketje langer dan 200ms onderweg is, wordt een normaal gesprek voeren hinderlijk tot onmogelijk. Dus, omwille van de dienst zelf, ontwikkelde de klassieke

13


telefonie zich tot een ge-optimalizeerd systeem dat aan elke gebruiker een garantie geeft om kwaliteitsgesprekken over afstand te voeren. Omwille van deze gegarandeerde QoS heeft de telecomwereld gekozen voor ‘connectie oriëntatie’ (CO), m.a.w, voor elk gesprek wordt een afzonderlijk circuitje opgesteld. Dit betekent dat elke gebruiker een bepaalde hoeveelheid capaciteit krijgt toegewezen voor de duur van het gesprek, onafhankelijk of hij nu spreekt of niet.

QoS Complexity

network centric

Connection Oriented impact of guaranteed QoS ConnectionLess

Time QoS granularity

end system BE

prioritized BE

CoS

Customer fine-tuned QoS

flat fee

detailed invoice Figuur 6. De netwerk complexiteit om QoS te garanderen.

De concepten van het Internet vloeien grotendeels voort uit het feit dat informatie gegenereerd via een computer (zoals e-mail, files versturen, etc.) geen strenge tijdsvereisten heeft, maar wel verliesprioriteiten. In andere woorden, een IP-pakket mag wel enige tijd onderweg zijn, maar mag niet verloren gaan. Vermits het Internet eigenlijk een netwerk van vele verschillende netwerken is, wordt om een eind-tot-eind verbinding te realizeren, een ‘connectionless (CL) forwarding’ principe gehanteerd. Elke IP-pakket van een stroom kan onafhankelijk van de andere pakketten uit diezelfde stroom, in principe alle mogelijke paden naar de bestemming kiezen. CL is robuuster dan CO, want als een knooppunt langsheen het pad defect is, wordt het pakket eromheen geleid, terwijl in hetzelfde geval het telefoniegesprek onderbroken is. Daaraan gekoppeld ziet men dat een telefonienetwerk ingewikkelder is dan een doorsnee computer netwerk. Toekomstige multimedia (spraak, beeld en data al dan niet ‘real-time’) vereisen uiteenlopende kwaliteitseisen. De uitdaging om CO en CL te

14

integreren blijft openstaan. Toch heeft de Internet gemeenschap ingezien dat er een interessante tussenstap tussen ‘best effort’ en gegarandeerde QoS diensten bestaat, namelijk ‘differentiated services’, een soort prioriteitssysteem vergelijkbaar met wat we in de vliegtuigsector kennen als ‘economy, business and first class’ of met het Olympisch ‘goud, zilver, brons’. Het komt er op neer dat aan IP-pakketten een prioriteit wordt toegekend en dat hogere prioriteiten voorrang krijgen op lagere prioriteiten. Grosso modo kan men verwachten dat gebruikers die voor een hogere prioriteitsdienst kiezen, beter zullen behandeld dan de gewone ‘best-effort’gebruikers, maar garanties zijn er (nog) niet. Uiteraard zal deze differentiatie enkel goed werken als ze gekoppeld is aan een prijszetting die vraag en aanbod in evenwicht brengt (Van Mieghem, 1999). Maar hiermee is de kous niet af. Integendeel, door een ingewikkelder prijsschema waardoor niet alle IP pakketten een gelijke bediening krijgen, haalt het Internet zich een hoop extra netwerkcomplexiteit op de hals. Eerst en vooral moet de prijsstrategie4 dermate effectief zijn dat het beoogde einddoel gehaald wordt, m.a.w. hoe hoog moet de prijs zijn om te verhinderen dat we met zijn allen van de laagste (goedkoopste) naar de hoogste prioriteit overstappen van zodra we opstopping vaststellen? Dergelijk gedrag leidt tot netwerkinstabiliteit. De toelatingsprocedure tot het Internet moet bijgesteld worden: er moet controle zijn dat een gebruiker zich inderdaad heeft ingeschreven in de gevraagde prioriteitsklasse, om maar een voorbeeld van ‘billing and accounting’ te noemen. Verder moeten we toch zorgen dat in elk deelnetwerk van het Internet een pakket met prioriteit p op een consistente manier wordt behandeld, m.a.w. we hebben een soort coördinatie van netwerkfunctionaliteit nodig. Ook moet elke router hardware-matig uitgebreid worden met een uiterst snel en eerlijk scheduleringsmechanisme. In kort, veel werk, veel activiteit voor de komende jaren.

Uitdagingen: mijn academische agenda Dames en Heren, Ik geloof dat we, uiteindelijk, ook iets meer technisch mogen gaan, om een academische leerstoel in telecommunicatie netten en diensten te verrecht4

Dit heet “incentive-compatibility” in economische termen.

15


vaardigen. Er zijn immers fascinerende, conceptuele en dus universiteitswaardige problemen. Alhoewel ik van oordeel ben, dat een universiteit zich hoofdzakelijk moet concentreren op een termijn die voor het bedrijfsleven te ver afligt om vandaag attractief te zijn, moet ik onderkennen dat het geen sinecure is in het razendsnel veranderende telecom landschap om vandaag de bakens uit te zetten waarheen we morgen zullen varen. Nochtans wens ik hier enkele facetten voor te stellen waarvan de toekomst de slagkracht zal uitwijzen.

De huidige netwerk problematiek in vragen gegoten Netwerk controle Topologie-update strategie: Wat zijn significante verschillen in resources van de knopen (routers/switchen) die aan naburige knooppunten moeten worden kenbaar gemaakt opdat deze de pakketten zo goed mogelijk zouden kunnen routeren? Slow variations on time scale: failures, joins/leaves of nodes

C

B A

H

E F

D J I

G

BW

K

Rapid variations on time scale: metrics coupled to state of resources ∆

T

t1

t2

time

TENDENCY towards incomplete Routing information • resource coupling (QoS) • hierarchical networks (info condensation)

Figuur 7. De verschillende soorten topologie variaties in een netwerk.

Netwerk optimale scheduleringsstrategieën: Hoe behandelen we een stroom van pakketten met verschillende prioriteiten zodat elke klant tevreden is

16

over de prijs betaald voor zijn stroom? Deze vraag is ook gekoppeld aan een netwerktoegangsregel, in ATM-taal, het ‘connection admission control’ probleem. We weten nu totaal niet wat het klantengedrag zal zijn in toekomstige multimedia netwerken want nog nooit tevoren werden verscheidene QoS-klassen gemarketeerd. Hoe kan men dan een netwerk bouwen?

Netwerk functies en dimensionering Is er nood aan iets zoals Jacobson’s bandwidth broker concept in Internet Differentiated Services? In andere woorden: kan men een QoS-gevoelig Internet exploiteren met enkel onafhankelijk opererende knooppunt controlefuncties, zonder dat het gehele subnet wordt (bij)gestuurd? Nog anders, zou het mogelijk zijn met sterk beperkte toestandsinformatie in het netwerk toch nog een bevredigende kwaliteit af te leveren? Is multicast in het licht van QoS wel nog zinvol? Netwerk beveiliging: meer nodig dan voorheen! Welke impact heeft de ‘overhead’ van beveiliging op de prestatie van een netwerk? Is de ‘self-similar, long range dependent’ eigenschap van verkeer werkelijk een probleem voor netwerk congestie? Of is het een esoterische hype (Mandelbrot, 1997, 1999)? Is het stochastisch modeleren van multimedia aankomsten processen nog wel zinvol vermits de efficiëntie van terugkoppelmechanismen (zoals TCP of ABR) steeds stijgt? Kunnen we een concrete, optimale methodologie vinden die toelaat multimedia netwerken (bv. het Internet) te dimensioneren en ontwerpen? Toekomstige breedband mobiele netten: Trade-off QoS, bandbreedte allocatie en mobiliteit

Netwerk types De bandbreedte honger, zoals voorheen reeds vermeld, overschrijdt de mogelijkheden van huidige Silicium gebaseerde technologieën. Volledig optische technieken dringen zich op. Fysisch betekent dit dat Fermionen (zoals de welgekende elektronen die elk een spin ½ hebben en sterk met

17


elkaar interageren) worden verdrongen door Bosonen (deeltjes met spin 0, zoals een foton). Enkel van Bosonen zijn macroscopische quantum effecten met efficiëntie 1 gekend; beter doen laat de natuur niet toe. Denk maar aan laserlicht (een volledig coherente fotonstroom) en supergeleiding (gekoppelde elektronen in de vorm van een Cooper-paar) dat Terabit schakelen mogelijk maakt via het quantum mechanisch Josephson-junctie effect. Nu, vermits Bosonen weinig of niet met elkaar interageren, is de opslag van licht om de geheugen functie te vervullen een markant probleem. Hedentendage, staan onze ‘computing machines’ (zoals routers en switches) volgestouwd met gigantische hoeveelheden geheugen. Hoe bouwen we een Boson-type netwerk, zonder te steunen op Fermionvriendelijke concepten (zoals bv. het geheugen)? Een andere nieuwe wind waait over uit het domein van software architecturen. Analoog aan het concept van intelligente agenten (steunend op JAVA dat, in principe, platform onafhankelijk werken mogelijk maakt), is het idee van actieve netwerken ontsprongen. Hierin wordt het traditioneel pakketmodel, bestaande uit een data gedeelte en een controle gedeelte dat aangeeft waar de data heen moet, veralgemeend. Het controle gedeelte zou ook kunnen bestaan uit een software script dat in elke router wordt uitgevoerd. Zo zou men kunnen denken aan monitor-pakketen die in elke router de huidige toestand bekijken en opslaan in het data gedeelte en zichzelf, afhankelijk van de toestand in een router, verder routeren of zelf vermenigvuldigen. Een beetje vergelijkbaar met de neuronen in ons ‘netwerk’: als een van onze “knooppunten” een significante verandering ondergaat, wordt dit, meestal ervaren als pijn, via neuronen doorgegeven naar de gepaste plaatsen in het lichaam, zodat een adequate reactie mogelijk is. In principe zouden actieve netwerken op die manier zelf-controlerend zijn, een droom voor elke netwerk manager.

Synergieën tussen fysica, wiskunde en netwerken De klassieke stochastische analyses voor multimedia netwerken en zeker voor actieve netwerken worden wanhopig complex zodat we misschien wel genoodzaakt zijn minder conventionele paden te bewandelen. Concepten uit fuzzy logic, neurale netwerken, genetische algoritmen en verwanten kunnen mogelijk veldverruimend werken.

18

Filosofisch wellicht, vraag ik me soms af of we eigenlijk niet te weinig wiskunde kennen. Technologie wordt vervangen door een nieuwere, betere en meestal is enkel deze laatste relevant. Wiskunde, anderzijds, ‘is’. Wiskunde kan hoogstens wat geaggregeerd worden door veralgemeningen van stellingen en formules of door een modernere symboliek, taal of formalisme. Toch krijgt elk bewezen resultaat een blijvende plaats aan het firmament5. Mijn inziens zijn er al zo veel wiskundige resultaten ontdekt om nog door een mens bevat te kunnen worden. Ontbreekt er niet een kennis management van wiskunde die mensen helpt te putten uit de onmenselijk grote gepubliceerde wiskunde rijkdommen? Onze huidige vooruitgang is beperkt door de complexiteit van de problemen en door het menselijk onvermogen deze complexiteit handelbaar en behandelbaar te structuren. Veel vragen over netwerken stuiten op deze complexiteitsdrempel. Computer simulaties zijn meestal de enige uitweg, maar verschaffen zelden het inzicht die de wiskunde biedt. Toch bestaan er interessante, vermeldenswaardige kruisbestuivingen. Neem nu maar de vraag hoeveel electron-geleidende verbindingen er in een vaste stof nodig zijn om er een goede geleider van te maken? Het blijkt nu dat er een plotse overgang is van isolator naar geleider en de hele fysische theorie die dit beschrijft heet percolatie theorie. Welnu, resultaten uit percolatie theorie zijn ook bruikbaar om in een netwerk van N knooppunten aan te geven hoeveel verbindingen er minimaal moeten zijn opdat elke knoop met elke andere kan communiceren. In de natuur blijkt dat er een kritische grens bestaat voor de grootte van een molecule, een netwerk van atomen, waaronder geen leven of eigen intelligentie mogelijk is. Zou vanaf een bepaalde drempelgrootte een dergelijke eigen intelligentie ook voor toekomstige gedistribueerde, actieve netwerken mogelijk zijn? In het debat over ‘connection orientatie’ versus ‘connectionless’ zou men kunnen argumenteren dat de ‘connectionless’ propagatie de meest natuurlijke is, want, via zijn padintegraal concept, toonde Feynman aan dat een deeltje quantummechanisch over alle mogelijk paden van A naar B kan bewegen. In zekere zin zou men ‘connection orientatie’ met de Newton

5

Deze onsterfelijkheid wordt prachtig beschreven door G. H. Hardy in zijn “Apology of a Mathematician”.

19


mechanica en ‘connectionless’ met de quantummechanica kunnen associëren. Een ander voorbeeld. Random topologieën (gekarakterizeerd door een overeenkomstige random matrix) zijn uitstekend geschikt om de complexiteit van een routeringsalgoritme of -protocol realistischer in te schatten dan de traditionele slechtste geval (worst case) beschouwingen. Het idee is namelijk eenvoudig. We genereren duizenden random topologiën elk met precies N knooppunten en E verbindingen en voor elke topologie berekenen we het aantal elementaire computerbewerkingen (deze maat noemen we complexiteit) nodig om een bepaald routeringsprobleem op te lossen. Aldus krijgen we een histogram of probabiliteitsverdeling van de complexiteit die veel meer zegt dan enkel de maximale waarde van de complexiteit. Vermits alle topologiën random gekozen worden, zou men denken dat het objecten zijn zonder enige verdere structuur en dus voor andere toepassingen ongeschikt. Daarom verbaast het dat onlangs werd aangetoond (Forrester and Odlyzko, 1998, Mackenzie, 1998) dat de verdeling van de afstand tussen de eigenwaarden van een heel grote, random, symmetrische matrix verbluffend sterk overeenkomt met die van de niet-triviale nulpunten in de kritische strip van de Riemann Zeta function. In simpele bewoording, random matrices zouden een groot inzicht kunnen verschaffen in de structuur van priemgetallen. En priemgetallen zijn voor telecom netwerken opnieuw nuttig als fundamenten waarop de elektronische beveiligingsalgoritmen steunen. Fascinerend, toch? Ik wil eindigen met een voorbeeld dat reizigers in de randstad zullen herkennen: de Nederlandse verkeersellende. In feite, is dit niks anders dan een QoS routing probleem! U ziet ongetwijfeld in dat het Nederlands verkeersprobleem sterke analogie vertoont met telecommunicatienetwerken: auto’s zijn als pakketten, maar ingewikkelder in de zin dat elke auto in hogere mate autonoom is en dat het autoverkeer een coöperatief systeem is waar niemand er baat bij heeft om te botsten. In tegenstelling tot telecom netwerken waar de aangeboden capaciteiten altijd te klein zal zijn, is een voor de hand liggende oplossing om het wegennet zo te dimensioneren in de veronderstelling dat iedereen een auto heeft. Toegegeven, dat zal wat kosten en er zal wat meer groen sneuvelen (tenzij men voor een onderaards netwerk kiest), maar het is een denkpiste. Blijkbaar heeft Nederland gekozen om groen en kosten te sparen en enkel op QoS via prioriteiten te controleren. We hebben nu al vormen van toegangscontrole (de verkeerslichten aan de inrit van de snelweg) en weldra

20

mogen we ons verheugen op “differentiated services” zoals in Internet, u welbekend als rekeningrijden. Uiteraard creëren deze maatregelen niet meer capaciteit (of enkel schijnbaar omdat men hoopt dat andere vervoersmiddelen zullen gebruikt worden). Deze vormen zijn enkel een middel om de piekbelasting af te vlakken en de totaal beschikbare capaciteit te verspreiden over ruimte en tijd (“load balancing” in netwerk termen). Analoog aan figuur 5 wordt het spanningsveld tijdelijk verschoven, ja tijdelijk geloof ik, want de geschiedenis leert dat vooruitgang niet te stuiten is. Binnenkort zal elke auto standaard uitgerust worden met een boordcomputer en mobiele (misschien GPRS) ontvanger. De QoS routing principes in telecom netten zijn haast direct (en zelfs iets eenvoudiger) toepasbaar. Om van A naar B te rijden, laadt de boordcomputer via zijn radio verbinding de belastingswaarden van het wegennet in een relevante omgeving rondom beginpunt A. Naarmate hij vordert naar B toe wordt deze relevante omgeving rond zijn huidige positie systematisch bijgesteld. Deze informatie wordt toegevoegd aan de interconnectiviteitsmatrix (die de wegenkaart beschrijft) en via heel efficiënte QoS algoritmen (De Neve en Van Mieghem, 1998, 1999), kan de beste weg uitgestippeld worden rekening houdend met allerhande wensen of ‘QoS-eisen’ zoals, minder dan 1 uur rijden, “ik wil zoveel mogelijk autosnelweg”, geen tolwegen, om de 50 km minstens 1 restaurant, enz….

Slot Tot slot richt ik mij volgens de gewoonten in Delft naar de studenten tot wie ik enkel kan zeggen: kies nu telecom en u vindt gegarandeerd een boeiende job. Ik hoop uw enthousiasme te hebben geprikkeld. Sommigen zullen ongetwijfeld verder willen spitten: kom gerust langs en ik beloof u een fascinerende uitdaging voor de komende jaren, zodat u daarna, als doctor, beter en grondiger gewapend de telecom industrie en mensheid ten dienste kan zijn. En, tot u, beste toehoorder, kijk om u heen, er verandert zoveel, maar wellicht het meest vandaag in telecommunicatie. Het is mijn wens dat de telecom ®evolutie uw levenscomfort moge verhogen. Met dank voor uw opkomst en uw aandacht.

21


Referenties Coffman, K. G. and A. Odlyzko, 1998, “The Size and Growth Rate of the Internet”, http://www.firstmonday.dk/issues/issue3_10/coffman/index.html De Neve, H. and P. Van Mieghem, 1999, “TAMCRA: A Tunable Accuracy Multiple Constraints Routing Algorithm”, submitted to Journal of ACM. De Prycker, M, 1995, Asynchronous Transfer Mode, Solution for Broadband ISDN, Prentice Hall. Ferguson, P. and G. Huston, 1998, Quality of Service: Delivering QoS on the Internet and in Corporate Networks, J. Wiley & Sons. Forrester, P. J. and A. M. Odlyzko, 1998, “ A nonlinear equation and its application to nearest neighbor spacings for zeros of the zeta function and eigenvalues of random matrices”, Organic Mathematics, J. Borwein, P. Borwein, L. Jorgenson, and R. Corless, eds., Amer. Math. Soc. 1997, pp. 239-250. Electronic version available at http://www.cecm.sfu.ca/projects/OMP/ Mackenzie, D, 1998, “From Solitaire, a Clue to the World of Prime Numbers”, Science, Vol. 282, 27 November, pp. 1631-1633. Mandelbrot, B. B., 1997, Fractals and Scaling in Finance: Discontinuity, Concentration, Risk, Springer-Verlag, New York. Mandelbrot, B. B., 1999, Multifractals and 1/f Noise: Wild Self-Affinity in Physics, Springer-Verlag, New York. Nonaka, I. and H. Takeuchi, 1995, The Knowlegde-Creating Company, Oxford University Press, New York. Rai, A., T. Ravichandran and S. Samaddar, 1998, “How to Anticipate the Internet’s Global Diffusion”, Communications of the ACM, Vol. 41, No. 10, pp. 97-106. Van Mieghem, J. A., 1999, “Differentiating Quality of Service: Joint Pricing and Internal Management in Processing Networks”, submitted to Operations Research. Van Mieghem, P. and H. De Neve, 1998, “Aspects of Quality of Service Routing”, SPIE’98, Nov. 1-6, Boston, 3529A-05.

22

Het Draagvlak van de 21ste Eeuw

Recommend Documents