New IP-Initiative

Das Netzwerk- und Protokollsystem der nächsten Generation für die digital vernetzte Industrie und Gesellschaft.

Dieser Artikel beleuchtet die Gründe für die New IP-Initiative und erläutert die Motivation (das Warum) der Arbeit, die Definition und die Arbeitsbereiche der Forschung (das Was) sowie den aktuellen Fortschritt (das Wie). Er soll dazu beitragen, Missverständnisse im Zusammenhang mit New IP zu beseitigen, und unseren zukünftigen Partnern eine Orientierungshilfe bieten, warum und wie wir uns gemeinsam dieser Aufgabe annehmen können.

Warum New IP?

Zur Beantwortung dieser Frage arbeitet die im Juli 2018 gegründete ITU-T Network 2030 Focus Group [1] an einem Konsens in der Branche über die Weiterentwicklung der Internettechnologien, deren Einsatz für 2030 und darüber hinaus vorgesehen ist. Die gesellschaftliche und industrielle Digitalisierung wird viele vertikale Branchen prägen, indem sie beispielsweise in der industriellen Fertigung neue Wege für den Einsatz von Virtual und Augmented Reality bereitet oder die Transformation im Bildungswesen mit holografischen Multimedia-Darstellungen vorantreibt. Die Kommunikationsinstrumente werden unter anderem Satellitennetze, vernetzte Flugzeuge und das Internet der Fahrzeuge umfassen, während parallel beträchtliche Mengen integrierter Sensornetzwerke mit Endgeräten in Leichtbauweise zum Einsatz kommen. Die Kommunikationsanforderungen einer solchen Digitalisierung beschleunigen den sich bereits abzeichnenden Wandel von der menschenorientierten hin zur maschinenorientierten Kommunikation. Häufig ist das oberste Ziel nicht mehr die Übertragung großer Datenmengen. Die Aussage „hohe Bandbreite bedeutet hohe Qualität“, hat daher ihre Allgemeingültigkeit verloren. Auf der anderen Seite gewinnt eine deterministische Übertragung an Bedeutung, die die zuverlässige Informationsübermittlung auf Netzwerkebene garantiert. 2035 werden voraussichtlich eine Trillion [2] Geräte mit dem Internet verbunden sein. Dabei handelt es sich um heterogene und häufig ressourcenbeschränkte Geräte, die über dynamische Netzwerktopologien miteinander vernetzt sind. Dies erfordert Netzwerke, die durch ihre Leistungsfähigkeit der hohen Dynamik unter komplexen heterogenen Topologien standhalten. Darüber hinaus müssen sie parallel laufende Multi-Channel-Systeme (dank besserer Zugangstechnologien) sowie die Zusammenarbeit über diese Systeme (aufgrund komplexer Dienste einschließlich der damit einhergehenden Abhängigkeiten bezüglich der Übermittlung von Informationen) unterstützen. Dadurch steigen die Anforderungen an Sicherheit und Datenschutz, doch zugleich wächst auch die Infrastruktur ebenso wie die Notwendigkeit, die Effizienz der eingesetzten Technologien nachhaltig zu steigern.

Die Ermittlung der Anforderungen war nur der erste Schritt. In einem zweiten Schritt folgt ein Überblick über die Forschungsfelder, in denen diese dann thematisiert werden. Zusammengefasst bezeichnen wir diese neu entstehenden Forschungsfelder als New IP und werden sie nachfolgend kurz skizzieren.

Wofür steht New IP?

New IP beschreibt eine Technologieforschungsinitiative, die sich auf eine Vision stützt. Kern dieser Vision sind Szenarien für die Nutzung von Internettechnologien in vielen Bereichen der digitalen Industrie und Gesellschaft von morgen. Diese Forschungsinitiative konzentriert sich auf Studienbereiche, die Aspekte der Internet-Datenebene (data plane) und der damit verbundenen Architektur sowie die zugehörigen Technologien und Protokolle aufgreifen. Gegenstand dieser Studienbereiche sind die in den Erhebungen der ITU-T Focus Group Network 2030 [3][4] ermittelten Anforderungen. Die Inhalte der New IP- Initiative haben keine Relevanz für die Debatte um neue Kontrollmechanismen. New IP analysiert vielmehr Technologien, die den Bedarf an mehr Flexibilität, Determinismus sowie höherer Sicherheit und Datenschutz erfüllen. Gleichzeitig berücksichtigt New IP die ständig steigende Nachfrage nach Datendurchsatz (über eine Vielzahl von Multi-Access-Technologien) und ermöglicht hochgradig benutzerspezifische netzwerkinterne Anwendungen auf der Datenebene sicher, um maximale Erlebnisqualität (Quality of Experience, QoE) zu erzielen. Insbesondere umfasst New IP die folgenden Aspekte:

1. Semantische Adressierung: für eine wachsende Anzahl von Diensten, die die Datenebene des Internets nutzen. Sie berücksichtigt aktuelle Trends hin zu einer besseren Content-Bereitstellung durch Replikation in speziellen Content Delivery Network (CDN)-Systemen sowie frühere Initiativen wie die informationszentrierte Vernetzung (information-centric networking) und netzwerkinterne Datenverarbeitung (in-network computing) [7]. Ziel ist es, das Routing zu zentralen Diensten „näher“ an die wichtigsten Anwendungen auf der Datenebene heranzuführen. Dies kann zum Beispiel durch das Einfügen von Dienste-Informationen in das Adressierungssystem für die Zustellung von Datenpaketen [8] geschehen. Dies würde eine schnelle Weiterleitung an den „optimalen“ Endpunkt ermöglichen, ohne wie bisher Operationen auf DNS-Ebene zu erfordern.
2. Flexible Länge: für eine wachsende Anzahl spezialisierter Netzwerke (insbesondere im industriellen Umfeld). Dieser Forschungsbereich beruht auf der seit vielen Jahren bekannten Tatsache, dass der aktuelle IP-Header für bestimmte Anwendungen zu lang ist und bewegt sich deshalb in die Richtung einer Adresse mit variabler Länge [8], ohne dabei die grundsätzlich durch IP ermöglichte weltweite Erreichbarkeit einzuschränken.
3. ManyNets unterstützt neue Verkehrstechnologien wie Satelliten, dynamische Netzwerke (in V2X-Szenarien) und Terahertz-Zugangsnetze in zukünftigen 6G-Netzen. Diese Netzwerke erfordern eine Dynamik der Verbindungen, die auch auf der Datenebene entsprechend unterstützt werden muss, um ein angemessenes und leistungsfähiges Netz aufzubauen, über das zuverlässig (und möglicherweise deterministisch) Informationen ausgetauscht werden können.
4. Deterministische Dienste: Sie garantieren eine niedrige Obergrenze für End-to-End-Latenz, Jitter und für die Verlustrate bestimmter Datenströme. Sie sorgen für eine erhöhte konsequente Dienstgüte (Quality of Service, QoS) neuer Anwendungen (zum Beispiel Smart Manufacturing, Telemedizin und autonomes Fahren). Im Gegensatz zu Time-Sensitive-Networking (TSN) [9], das Determinismus in kleinen Layer-2-Netzwerken löst, zielt New IP auf große Layer-3-Netzwerke ab, in denen deterministische Dienste und Best-Effort-Dienste nebeneinander existieren können.
5. Intrinsische Sicherheit und intrinsischer Datenschutz: befasst sich mit inhärenten Schwachstellen von IP-Netzwerken, einschließlich Identitätsdiebstahl von Quellenadressen, Datenschutzlücken, Schächen des Vertrauenssystems und DDoS-Angriffen (Distributed Denial of Service), die nicht als eines der ursprünglichen „sieben Designprinzipien“ betrachtet wurden [10]. Auf Basis des STRIDE-Sicherheitsmodells [11] wird eine Netzwerkarchitektur mit intrinsischer Sicherheit und intrinsischem Datenschutz erforscht. Sie soll die Privatsphäre der Nutzer maximal schützen, die Vertrauensbasis stärken sowie sichere und vertrauenswürdige Netzwerke aufbauen, die den Datenschutzanforderungen der DSGVO wie auch den branchenweiten Anforderungen an Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit entsprechen.
6. Hoher Datendurchsatz mittels zahlreicher paralleler Zugangstechnologien. Er gewährleistet nicht nur die erforderliche Qualität der geplanten neuen Dienste (wobei Videotechnologien den Kern für die Anforderungen an die Bandbreite bilden), sondern berücksichtigt auch viele neue Netzwerke auf Zugangsebene, einschließlich Satelliten, 5G (und Weiterentwicklungen) und viele andere. Multi-Path-Lösungen [8], Netzwerkcodierung, Multi-Layer-Kooperationsmechanismen sowie die Signalisierung von Anwendungsanforderungen sind essenziell, um sicherzustellen, dass dieser Aspekt angemessen berücksichtigt wird.
7. Endpunkt-abhängig definierbare Weiterleitung ist wesentlich, um netzwerkinterne Funktionen auf Weiterleitungsebene zu nutzen, die das Serviceerlebnis verbessern. Einen Gegensatz zum strömungsbasierten Ansatz heutiger Lösungen wie SDN [12] und P4 [13] bilden Konzepte, die solche Vorgänge in die Zustellung von Datenpaketen, also das IP-Datenpaket, einbinden, um sie bei zwischengeschalteten Weiterleitungen zu berücksichtigen. Die richtige Balance zwischen Overhead, Komplexität und Servicequalität ist ein Schwerpunkt der Analyse in diesem Bereich.

Was bedeutet New IP NICHT?

New IP ist eine Gruppe von Forschungsfeldern zur Entwicklung geeigneter Internettechnologien. New IP definiert WEDER Kontrollmechanismen für den Einsatz solcher Technologien NOCH führt sie zu einer „stärker zentralisierten Top-down-Kontrolle des Internets“ [14]. Wir folgen den üblichen Verfahren, um in Standardgremien Internettechnologien zu entwickeln, die losgelöst sind von der jeweiligen Kontrolle durch die Betreiber und Regierungen der Welt. Diesen Anspruch verdeutlicht unsere Arbeit zur Verhinderung von DDoS-Angriffen, die de facto das sogenannte „Shut-off-Protokoll“ [15] empfiehlt. Dessen Konzept ähnelt den Vorschlägen, die beispielsweise Wissenschaftler der Carnegie Mellon University in den Vereinigten Staaten gemacht haben. Es existiert auch in vergleichbaren Technologien, die unter anderem in IETF DDoS Open Threat Signaling (DOTS) [16] diskutiert wurden. Ein solcher „Shut-off“ wird vom angegriffenen Netzwerk eingesetzt, um dem Quellnetzwerk des Angriffs die Aufforderung zur Abwehr weiterer Angriffe zu übermitteln [17]. Entsprechend hat sich diese Technologie in bestehenden Lösungen gut etabliert.

Wie kommen wir zu New IP?

Hunderte hochrangige Forscher aus Wissenschaft und Industrie in unzähligen Regionen, darunter China, Europa, Japan, Südkorea, Nordamerika, Südamerika und Afrika, haben zukunftsorientierte Geschäftsvisionen und -anforderungen vorgeschlagen, deren Schwerpunkt auf der Förderung der breiteren gesellschaftlichen Digitalisierung durch Internettechnologien liegt. Wir sind überzeugt, dass die New IP-Initiative genau dieser Tradition folgt, indem sie das Gespräch mit wichtigen internationalen Forschungsgemeinschaften sucht, um die Möglichkeiten zur Entwicklung neuer IP-Technologien auszuloten. Parallel dazu werden wir mit Standardisierungsorganisationen (Standards Developing Organizations, SDOs) zusammenarbeiten, um die Anforderungen zu formulieren, mit denen wir die Entwicklung vorantreiben, um uns abschließend auf gemeinsame Lösungen zu einigen. Unsere Tätigkeit in Gremien, wie der ITU Network 2030 Focus Group, widmet sich vorrangig den Anforderungen. Zudem belegt unser bestehendes und künftiges Engagement in SDOs wie IETF, ITU, ETSI und anderen für eine Reihe neuer IP-Lösungen die Integration in den Konsensprozess, den die Internet-Community im Laufe der Zeit etabliert hat.

Anders als häufig in der politisierten Debatte dargestellt, lädt New IP zu einem offenen und freien Dialog ein. Dieser möchte Wissenschaftler aus allen Ländern und Branchen auf der ganzen Welt dazu ermuntern, sich an der Forschung zu beteiligen, um gemeinsam IP anhand der New IP-Anforderungen weiter zu entwickeln. Und um damit eine nachhaltige Entwicklung der globalen Kommunikationsbranche voranzutreiben.

Quellen:

[1] https://www.itu.int/en/ITU-T/focusgroups/net2030/Pages/default.aspx

[2] https://www.delltechnologies.com/en-us/perspectives/future-of-living.htm

[3] ITU-T FG NET2030, "A Blueprint of Technology, Applications and Market Drivers Towards the Year 2030 and Beyond", ITU-T Focus Group Network 2030,online: https://www.itu.int/en/ITU-T/focusgroups/net2030/Documents/White_Paper.pdf

[4] ITU-T FG NET2030, " New Services and Capabilities for Network 2030: Description, Technical Gap and Performance Target Analysis", online: https://www.itu.int/en/ITU-T/focusgroups/net2030/Documents/Deliverable_NET2030.pdf

[5] Ian Brown, David Clark und Dirk Trossen. Sollten bestimmte Werte in die Internetarchitektur eingebettet werden? In Proceedings of the Re-Architecting the Internet Workshop (ReARCH '10). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Artikel 10, 1-6. DOI: https://doi.org/10.1145/1921233.1921246

[7] https://www.sigarch.org/in-network-computing-draft/

[8] Zhe Chen, Chuang Wang, Guangpeng Li, Zhe Lou und Sheng Jiang, "NEW IP Framework and Protocol for Future Applications", in Proceedings of 2020 IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium (NOMS)

[9] https://1.ieee802.org/tsn/

[10] David Clark, "Die Designphilosophie der DARPA-Internetprotokolle." SIGCOMM Komput. Commun. Rev. 18, 4 (August 1988), 106–114. DOI: https://doi.org/10.1145/52325.52336

[11] Microsoft, "The STRIDE Threat Model", online: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee823878(v=cs.20).aspx

[12] https://www.opennetworking.org/sdn-definition/

[13] https://p4.org/

[14] Anna Gross und Madhumita Murgia, "China und Huawei schlagen eine Neuerfindung des Internets vor.", 28. März 2020, online: https://www.ft.com/content/c78be2cf-a1a1-40b1-8ab7-904d7095e0f2

[15] David Naylor, Matthew K. Mukerjee und Peter Steenkiste. "Balance Verantwortlichkeit und Privatsphäre im Netzwerk." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 44, Nr. 4 (2014): 75-86.

[16] DDoS Open Threat Signaling (DOTS), https://datatracker.ietf.org/wg/dots/charter/

[17] David Andersen, Hari Balakrishnan, Nick Feamster, Teemu Koponen, Daekyeong Moon und Scott Shenker. "Accountable Internet Protocol (aip)." In Proceedings of the ACM SIGCOMM 2008 conference on Data communication, S. 339-350. 2008.