Gerência do ciclo de vida de VNFs e implementação de serviços distribuídos na rede

Abstract

Resumo: A Virtualização de Funções de Rede (Network Function Virtualization - NFV) oferece uma alternativa para projetar, desenvolver e gerenciar serviços de rede. Através de técnicas de virtualização, serviços que antes eram oferecidos em hardware especializado agora são disponibilizados como Funções Virtualizadas de Rede (Virtualized Network Functions - VNFs) e executam em hardware genérico (e.g., arquitetura x86). Esta dissertação tem como objetivo investigar as vantagens que NFV oferece para implantar e gerenciar VNFs dentro da própria rede. As contribuições são divididas em duas partes. A primeira parte explora o gerenciamento de VNFs e a segunda descreve implementações de VNFs. As soluções existentes para o gerenciamento do ciclo de vida de VNFs são complexas e exigem um grande entendimento da infraestrutura subjacente. Uma das contribuições deste trabalho é a especificação de uma arquitetura para o VNF Manager (VNFM), de forma a permitir a compatibilidade entre diferentes plataformas NFV, além de simplificar as operações de gerência, na medida em que diminui a necessidade de que o operador das funções conheça os detalhes da infraestrutura virtualizada. Resultados experimentais demonstram a efetividade da arquitetura proposta, avaliando individualmente cada operação do ciclo de vida. A segunda contribuição aborda a sincronização consistente do plano de controle distribuído em Redes Definidas por Software (Software Defined Network - SDN). Para tanto, é proposta a VNF-Consensus, uma VNF que implementa o algoritmo Paxos para garantir a consistência entre múltiplos controladores SDN. Com a VNF-Consensus, os controladores são desacoplados das tarefas de sincronização e podem executar em paralelo suas atividades no plano de controle. Resultados experimentais demonstram os benefícios obtidos pelo uso da VNF-Consensus, em especial na redução na carga dos controladores. Por fim, a última contribuição detalha o AnyBone: umbackbone virtual que implementa uma VNF para oferecer serviços de difusão de mensagens implementados na própria rede. Os diversos serviços de difusão são frequentemente utilizados para a construção de aplicações distribuídas e tolerante a falhas. Em geral, a difusão é implementada na própria aplicação, aumentando a complexidade no desenvolvimento. Neste contexto, o AnyBone oferece uma primitiva de difusão confiável e três primitivas de difusão ordenada de mensagens: FIFO (First-In First-Out), causal e atômica. Em particular, a solução proposta garante a ordem das mensagens através da utilização um sequenciador, denominado de VNF-Sequencer, que é implementado como uma VNF. Resultados experimentais são apresentados e a VNF-Sequencer é avaliada em termos de vazão e latência. Palavras-chave: Sistemas Distribuídos, Virtualização de Funções de Rede, Difusão Confiável.

Abstract: Network Function Virtualization (NFV) allows the deployment of network services that have been usually offered as middleboxes based on specialized hardware as Virtualized Network Functions (VNFs) that are executed on off-the-shelf hardware. The contributions of this dissertation are of two types: the first is related to the investigation of strategies to improve NFV management practices, and the second is related to the investigation of the feasibility of offering distributed systems services within the network. Current solutions for VNF lifecycle management are complex and require a deep understanding of the underlying infrastructure. One of the contributions of this work is the specification of an architecture for the ETSI VNF Manager (VNFM). The proposed VNFM improves the compatibility of different NFV platforms, and simplify management operations and reduce the level of knowledge required about details of the infrastructure. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed management architecture, each lifecycle operation was individually evaluated. The second contribution of this dissertation by itself consists of two parts. The first was proposed in the context of the requirements for consistency whenever the control plane of Software Defined Networks (SDN) is distributed - usually it is centralized, but there are several reasons to employ multiple controllers. We propose VNF-Consensus, a VNF that implements the Paxos algorithm to ensure consistency among multiple SDN controllers. With VNF-Consensus, controllers are decoupled from synchronization tasks and can execute their tasks without this extra burden. Experimental results demonstrate the benefits obtained by using VNF-Consensus, especially the reduction of the load on controllers. Finally, the last contribution introduces AnyBone: a virtual backbone that implements a VNF to provide broadcast services that are deployed on the network itself. Several broadcast services which are often used for building distributed and fault tolerant applications were implemented. In general, these broadcast abstractions are implemented as applications at end-user hosts. In this context, AnyBone provides - within the network - a reliable broadcast primitive and three ordered broadcast primitives: FIFO (First-In First-Out), causal, and atomic. In particular, the proposed solution ensures the order of the messages by using a sequencer, called VNF-Sequencer, which was implemented as a VNF. Experimental results are presented and the VNF-Sequencer is evaluated in terms of throughput and latency. Keywords: Fault Tolerance, Network Function Virtualization, Reliable Broadcast.