Nfv orchestration algorithms in edge and fog scenarios

• Autores: Jorge Martín Pérez
• Directores de la Tesis: Carlos Jesús Bernardos Cano (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ioannis Stavrakakis (presid.), Pablo Serrano Yáñez-Mingot (secret.), Paul Horatiu Patras (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de Madrid
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  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • Las infraestructuras de red actuales soportan una variedad diversa de servicios como video bajo demanda, video conferencias, redes sociales, sistemas de educación, o servicios de almacenamiento de fotografías.

    Gran parte de la población mundial ha comenzado a utilizar estos servicios, y los utilizan diariamente. Proveedores de Cloud y operadores de infraestructuras de red albergan el tráfico de red generado por estos servicios, y sus tareas de gestión no solo implican realizar el enrutamiento del tráfico, sino también el procesado del tráfico de servicios de red.

    Tradicionalmente, el procesado del tráfico ha sido realizado mediante aplicaciónes/programas desplegados en servidores que estaban dedicados en exclusiva a tareas concretas como la inspección de paquetes. Sin embargo, en los últimos años los servicios de red se han virtualizado y esto ha dado lugar al paradigma de virtualización de funciones de red (NFV siguiendo las siglas en inglés), en el que las funciones de red de un servicio se ejecutan en contenedores o máquinas virtuales desacopladas de la infraestructura hardware. Como resultado, el procesado de tráfico se ha ido haciendo más flexible gracias al laxo acople del software y hardware, y a la posibilidad de compartir funciones de red típicas, como firewalls, entre los distintos servicios de red.

    NFV facilita la automatización de operaciones de red, ya que tareas como el escalado, o la migración son típicamente llevadas a cabo mediante un conjunto de comandos previamente definidos por la tecnología de virtualización pertinente, bien mediante contenedores o máquinas virtuales.

    De todos modos, sigue siendo necesario decidir el enrutamiento y procesado del tráfico de cada servicio de red. En otras palabras, qué servidores tienen que encargarse del procesado del tráfico, y qué enlaces de la red tienen que utilizarse para que las peticiones de los usuarios lleguen a los servidores finales, es decir, el conocido como embedding problem. Bajo el paraguas del paradigma NFV, a este problema se le conoce en inglés como vne, y esta tesis utiliza el término ``NFV orchestration algorithm'' para referirse a los algoritmos que resuelven este problema. El problema del vne es NP-hard, lo cual significa que que es imposible encontrar una solución óptima en un tiempo polinómico, independientemente del tamaño de la red. Como consecuencia, la comunidad investigadora y de telecomunicaciones utilizan heurísticos que encuentran soluciones de manera más rápida que productos para la resolución de problemas de optimización.

    Tradicionalmente, los ``NFV orchestration algorithms'' han intentado minimizar los costes de despliegue derivados de las soluciones asociadas. Por ejemplo, estos algoritmos intentan no consumir el ancho de banda de la red, y usar rutas cortas para no utilizar tantos recursos.

    Además, una tendencia reciente ha llevado a la comunidad investigadora a utilizar algoritmos que minimizan el consumo energético de los servicios desplegados, bien mediante la elección de dispositivos con un consumo energético más eficiente, o mediante el apagado de dispositivos de red en desuso.

    Típicamente, las restricciones de los problemas de vne se han resumido en un conjunto de restricciones asociadas al uso de recursos y consumo energético, y las soluciones se diferenciaban por la función objetivo utilizada. Pero eso era antes de la 5\textsuperscript{a generación de redes móviles (5G) se considerase en el problema de vne. Con la aparición del 5G, nuevos servicios de red y casos de uso entraron en escena. Los estándares hablaban de comunicaciones ultra rápias y fiables (URLLC usando las siglas en inglés) con latencias por debajo de unos pocos milisegundos y fiabilidades del 99.999\%, una banda ancha mejorada (EMBB usando las siglas en inglés) con notorios incrementos en el flujo de datos, e incluso la consideración de comunicaciones masivas entre máquinas (MMTC usando las siglás en inglés) entre dispositivos IoT. Es más, paradigmas como edge y fog computing se incorporaron a la tecnología 5G, e introducían la idea de tener dispositivos de cómputo más cercanos al usuario final. Como resultado, el problema del vne tenía que incorporar los nuevos requisitos como restricciones a tener en cuenta, y toda solución debía satisfacer bajas latencias, alta fiabilidad, y mayores tasas de transmisión.

    Esta tesis estudia el problema des vne, y propone algunos heurísticos que lidian con las restricciones asociadas a servicios 5G en escenarios edge y fog, es decir, las soluciones propuestas se encargan de asignar funciones virtuales de red a servidores, y deciden el enrutamiento del tráfico en las infraestructuras 5G con dispositivos edge y fog. Para evaluar el rendimiento de las soluciones propuestas, esta tesis estudia en primer lugar la generación de grafos que representan redes 5G.

    Los mecanismos propuestos para la generación de grafos sirven para representar distintos escenarios 5G. En particular, escenarios de federación en los que varios dominios comparten recursos entre ellos. Los grafos generados también representan servidores en el edge, así como dispositivos fog con una batería limitada. Además, estos grafos tienen en cuenta los requisitos de estándares, y la demanda que se espera en las redes 5G.

    La generación de grafos propuesta sirve para representar escenarios federación en los que varios dominios comparten recursos entre ellos, y redes 5G con servidores edge, así como dispositivos fog estáticos o móviles con una batería limitada. Los grafos generados para infraestructuras 5G tienen en cuenta los requisitos de estándares, y la demanda de red que se espera en las redes 5G.

    Además, los grafos son diferentes en función de la densidad de población, y el área de estudio, es decir, si es una zona industrial, una autopista, o una zona urbana.

    Tras detallar la generación de grafos que representan redes 5G, esta tesis propone algoritmos de orquestación NFV para resolver con el problema del vne.

    Primero, se centra en en escenarios federados en los que los servicios de red se tienen que asignar no solo a la infraestructura de un dominio, sino a los recursos compartidos en la federación de dominios. Dos problemas diferentes han sido estudiados, uno es el problema del vne propiamente dicho sobre una infraestructura federada, y el otro es la delegación de servicios de red. Es decir, si un servicio de red se debe desplegar localmente en un dominio, o en los recursos compartidos por la federación de dominios; a sabiendas de que el útlimo caso supone el pago de cuotas por parte del dominio local a cambio del despliegue del servicio de red. En segundo lugar, esta tesis propone OKpi, un algoritmo de orquestación NFV para conseguir la calidad de servicio de las distintas slices de las redes 5G. Conceptualmente, el slicing consiste en partir la red de modo que cada servicio de red sea tratado de modo diferente dependiendo del trozo al que pertenezca. Por ejemplo, una slice de eHealth reservará los recursos de red necesarios para conseguir bajas latencias en servicios como operaciones quirúrjicas realizadas de manera remota. Cada trozo (slice) está destinado a unos servicios específicos con unos requisitos muy concretos, como alta fiabilidad, restricciones de localización, o latencias de un milisegundo. OKpi es un algoritmo de orquestación NFV que consigue satisfacer los requisitos de servicios de red en los distintos trozos, o slices de la red.

    Tras presentar OKpi, la tesis resuelve el problema del vne en redes 5G con dispositivos fog estáticos y móviles. El algoritmo de orquestación NFV presentado tiene en cuenta las limitaciones de recursos de cómputo de los dispositivos fog, además de los problemas de falta de cobertura derivados de la movilidad de los dispositivos.

    Para concluir, esta tesis estudia el escalado de servicios vehiculares V2N, que requieren de bajas latencias para servicios como la prevención de choques, avisos de posibles riesgos, y conducción remota. Para estos servicios, los atascos y congestiones en la carretera pueden causar el incumplimiento de los requisitos de latencia. Por tanto, es necesario anticiparse a esas circunstancias usando técnicas de series temporales que permiten saber el tráfico inminente en los siguientes minutos u horas, para así poder escalar el servicio V2N adecuadamente.

    Las infraestructuras de red actuales soportan una variedad diversa de servicios como video bajo demanda, video conferencias, redes sociales, sistemas de educación, o servicios de almacenamiento de fotografías.

    Gran parte de la población mundial ha comenzado a utilizar estos servicios, y los utilizan diariamente. Proveedores de Cloud y operadores de infraestructuras de red albergan el tráfico de red generado por estos servicios, y sus tareas de gestión no solo implican realizar el enrutamiento del tráfico, sino también el procesado del tráfico de servicios de red.

    Tradicionalmente, el procesado del tráfico ha sido realizado mediante aplicaciónes/programas desplegados en servidores que estaban dedicados en exclusiva a tareas concretas como la inspección de paquetes. Sin embargo, en los últimos años los servicios de red se han virtualizado y esto ha dado lugar al paradigma de virtualización de funciones de red (NFV siguiendo las siglas en inglés), en el que las funciones de red de un servicio se ejecutan en contenedores o máquinas virtuales desacopladas de la infraestructura hardware. Como resultado, el procesado de tráfico se ha ido haciendo más flexible gracias al laxo acople del software y hardware, y a la posibilidad de compartir funciones de red típicas, como firewalls, entre los distintos servicios de red.

    NFV facilita la automatización de operaciones de red, ya que tareas como el escalado, o la migración son típicamente llevadas a cabo mediante un conjunto de comandos previamente definidos por la tecnología de virtualización pertinente, bien mediante contenedores o máquinas virtuales.

    De todos modos, sigue siendo necesario decidir el enrutamiento y procesado del tráfico de cada servicio de red. En otras palabras, qué servidores tienen que encargarse del procesado del tráfico, y qué enlaces de la red tienen que utilizarse para que las peticiones de los usuarios lleguen a los servidores finales, es decir, el conocido como embedding problem. Bajo el paraguas del paradigma NFV, a este problema se le conoce en inglés como vne, y esta tesis utiliza el término ``NFV orchestration algorithm'' para referirse a los algoritmos que resuelven este problema. El problema del vne es NP-hard, lo cual significa que que es imposible encontrar una solución óptima en un tiempo polinómico, independientemente del tamaño de la red. Como consecuencia, la comunidad investigadora y de telecomunicaciones utilizan heurísticos que encuentran soluciones de manera más rápida que productos para la resolución de problemas de optimización.

    Tradicionalmente, los ``NFV orchestration algorithms'' han intentado minimizar los costes de despliegue derivados de las soluciones asociadas. Por ejemplo, estos algoritmos intentan no consumir el ancho de banda de la red, y usar rutas cortas para no utilizar tantos recursos.

    Además, una tendencia reciente ha llevado a la comunidad investigadora a utilizar algoritmos que minimizan el consumo energético de los servicios desplegados, bien mediante la elección de dispositivos con un consumo energético más eficiente, o mediante el apagado de dispositivos de red en desuso.

    Típicamente, las restricciones de los problemas de vne se han resumido en un conjunto de restricciones asociadas al uso de recursos y consumo energético, y las soluciones se diferenciaban por la función objetivo utilizada. Pero eso era antes de la 5\textsuperscript{a generación de redes móviles (5G) se considerase en el problema de vne. Con la aparición del 5G, nuevos servicios de red y casos de uso entraron en escena. Los estándares hablaban de comunicaciones ultra rápias y fiables (URLLC usando las siglas en inglés) con latencias por debajo de unos pocos milisegundos y fiabilidades del 99.999\%, una banda ancha mejorada (EMBB usando las siglas en inglés) con notorios incrementos en el flujo de datos, e incluso la consideración de comunicaciones masivas entre máquinas (MMTC usando las siglás en inglés) entre dispositivos IoT. Es más, paradigmas como edge y fog computing se incorporaron a la tecnología 5G, e introducían la idea de tener dispositivos de cómputo más cercanos al usuario final. Como resultado, el problema del vne tenía que incorporar los nuevos requisitos como restricciones a tener en cuenta, y toda solución debía satisfacer bajas latencias, alta fiabilidad, y mayores tasas de transmisión.

    Esta tesis estudia el problema des vne, y propone algunos heurísticos que lidian con las restricciones asociadas a servicios 5G en escenarios edge y fog, es decir, las soluciones propuestas se encargan de asignar funciones virtuales de red a servidores, y deciden el enrutamiento del tráfico en las infraestructuras 5G con dispositivos edge y fog. Para evaluar el rendimiento de las soluciones propuestas, esta tesis estudia en primer lugar la generación de grafos que representan redes 5G.

    Los mecanismos propuestos para la generación de grafos sirven para representar distintos escenarios 5G. En particular, escenarios de federación en los que varios dominios comparten recursos entre ellos. Los grafos generados también representan servidores en el edge, así como dispositivos fog con una batería limitada. Además, estos grafos tienen en cuenta los requisitos de estándares, y la demanda que se espera en las redes 5G.

    La generación de grafos propuesta sirve para representar escenarios federación en los que varios dominios comparten recursos entre ellos, y redes 5G con servidores edge, así como dispositivos fog estáticos o móviles con una batería limitada. Los grafos generados para infraestructuras 5G tienen en cuenta los requisitos de estándares, y la demanda de red que se espera en las redes 5G.

    Además, los grafos son diferentes en función de la densidad de población, y el área de estudio, es decir, si es una zona industrial, una autopista, o una zona urbana.

    Tras detallar la generación de grafos que representan redes 5G, esta tesis propone algoritmos de orquestación NFV para resolver con el problema del vne.

    Primero, se centra en en escenarios federados en los que los servicios de red se tienen que asignar no solo a la infraestructura de un dominio, sino a los recursos compartidos en la federación de dominios. Dos problemas diferentes han sido estudiados, uno es el problema del vne propiamente dicho sobre una infraestructura federada, y el otro es la delegación de servicios de red. Es decir, si un servicio de red se debe desplegar localmente en un dominio, o en los recursos compartidos por la federación de dominios; a sabiendas de que el útlimo caso supone el pago de cuotas por parte del dominio local a cambio del despliegue del servicio de red. En segundo lugar, esta tesis propone OKpi, un algoritmo de orquestación NFV para conseguir la calidad de servicio de las distintas slices de las redes 5G. Conceptualmente, el slicing consiste en partir la red de modo que cada servicio de red sea tratado de modo diferente dependiendo del trozo al que pertenezca. Por ejemplo, una slice de eHealth reservará los recursos de red necesarios para conseguir bajas latencias en servicios como operaciones quirúrjicas realizadas de manera remota. Cada trozo (slice) está destinado a unos servicios específicos con unos requisitos muy concretos, como alta fiabilidad, restricciones de localización, o latencias de un milisegundo. OKpi es un algoritmo de orquestación NFV que consigue satisfacer los requisitos de servicios de red en los distintos trozos, o slices de la red.

    Tras presentar OKpi, la tesis resuelve el problema del vne en redes 5G con dispositivos fog estáticos y móviles. El algoritmo de orquestación NFV presentado tiene en cuenta las limitaciones de recursos de cómputo de los dispositivos fog, además de los problemas de falta de cobertura derivados de la movilidad de los dispositivos.

    Para concluir, esta tesis estudia el escalado de servicios vehiculares V2N, que requieren de bajas latencias para servicios como la prevención de choques, avisos de posibles riesgos, y conducción remota. Para estos servicios, los atascos y congestiones en la carretera pueden causar el incumplimiento de los requisitos de latencia. Por tanto, es necesario anticiparse a esas circunstancias usando técnicas de series temporales que permiten saber el tráfico inminente en los siguientes minutos u horas, para así poder escalar el servicio V2N adecuadamente.