Composição de serviços virtualizados de rede sobre múltiplos orquestradores NFV & tolerância a falhas para microsserviços do controlador O-RAN

Abstract

Resumo: A virtualização de funções de rede (NFV - Network Function Virtualization) permite a substituição de serviços disponibilizados tradicionalmente em hardware por software. Uma função virtualizada de rede (VNF - Virtual Network Function) é responsável por processar um determinado fluxo da rede e pode ser executada em hardware de prateleira. A ETSI (European Telecommunications Standards Institute) propôs a arquitetura NFV-MANO (NFV - Management and Orchestration) para o gerenciamento e orquestração da NFV. Uma SFC (Service Function Chaining) consiste no encaminhamento do fluxo da rede para um conjunto de VNFs em uma ordem pré-definida. No contexto da NFV, esta Tese de Doutorado apresenta o Holistic-Composer para a composição e o gerenciamento do ciclo de vida de uma SFC que pode ser orquestrada por diferentes plataformas NFV. Um framework foi definido e permite abstrair as configurações de baixo nível para compor e executar SFCs através de uma API genérica e única. Um protótipo foi implementado e experimentos são reportados avaliando a contribuição de forma quantitativa e qualitativa. Ainda no contexto da NFV, é proposta a Multi-SFC para a composição e execução de SFCs em múltiplas nuvens de uma federação de domínios orquestrados por diferentes plataformas NFV. A Multi-SFC utiliza uma abordagem holística e define um framework que fornece abstrações de alto nível para compor e executar as SFCs. Uma Multi-SFC é formada por segmentos que são interconectados por túneis implementados como VNFs. Um protótipo foi implementado como prova de conceito e resultados experimentais mostram que a Multi-SFC apresenta baixa latência e mantém vazão compatível com o túnel e hardware utilizados. Esta Tese de Doutorado também apresenta uma contribuição em outra área: as redes de acesso baseadas em rádio (RAN - Radio Access Network), que têm grande relevância no contexto de redes celulares 5G. Foi proposta uma estratégia de tolerância a falhas para o controlador RIC (RAN Intelligent Controller) definido na arquitetura O-RAN (Open RAN). A O-RAN visa padronizar elementos RAN, incentivando a interoperabilidade e implementações de código aberto. A estratégia de tolerância a falhas foi proposta tendo em vista os requisitos rígidos de latência e vazão da RAN. O RIC executa microsserviços diversos, denominados xApps, que permitem customizar o comportamento da RAN. A estratégia de tolerância a falhas proposta consiste de técnicas de particionamento de estado com replicação parcial em grupos de xApps e re-roteamento de mensagens com ciência de papel. Uma biblioteca chamada RFT (RIC Fault Tolerance) foi implementada e disponibilizada para o desenvolvimento de xApps tolerantes a falhas. Resultados experimentais mostram que os microsserviços tolerantes a falhas garantem os requisitos de baixa latência e alta vazão impostos pela RAN. Palavras-chave: NFV. SFC. Composição. Orquestração. Tolerância a Falhas. O-RAN.

Abstract: Network Function Virtualization (NFV) allows the implementation in software of network services that are traditionally available as middleboxes deployed on specialized hardware. A Virtual Network Function (VNF) can be executed on commercial off-the-shelf hardware. The European Telecommunications Standards Institute (ETSI) has proposed the NFV Management & Orchestration (NFV-MANO) architecture with the purpose of allowing NFV interoperability. While a VNF processes a network flow, an SFC (Service Function Chaining) consists of steering the network flow along a sequence of VNFs in a predefined order. SFCs allow the composition of VNFs to enable the network to offer complex services. The first contribution of this Thesis is the the Holistic-Composer, which allows the composition and life cycle management of an SFC that can be orchestrated by different NFV platforms. A framework was defined which abstracts the minute low-level details for the composition and management of SFCs through a single and generic API. We implemented a prototype as a proof of concept, and experiments were executed to evaluate the solution quantitatively and qualitatively. The second contribution of the Thesis is the Multi-SFC, which allows the composition and execution of SFCs across federated clouds and domains orchestrated by different NFV platforms. The Multi-SFC employs a holistic approach and defines a framework that provides high-level abstractions to compose and execute SFCs. A Multi-SFC consists of segments that are interconnected by tunnels implemented as VNFs. We implemented a Multi-SFC prototype as a proof of concept, and experimental results show that the Multi-SFC presents low latency and high throughput which vary depending on the tunnel technology and hardware employed. In addition to the NFV, this Thesis also presents a contribution in another area: Radio Access Network (RAN) which has become highly relevant in the context of 5G cellular networks. We propose a fault tolerance strategy to the RAN Intelligent Controller (RIC) defined in the O-RAN (Open RAN) architecture. O-RAN aims to standardize RAN elements, encouraging interoperability and open source implementations. The RIC is a platform for implementing RAN control functions as microservices called xApps, which effectively allows a RAN to be customized. The proposed strategy takes into account the strict RAN requirements in terms of latency and throughput. We propose techniques that use state partitioning, partial replication, and fast re-route with role awareness to decrease the overhead. We implemented the fault tolerance techniques as a library, called RFT (RIC Fault Tolerance), that xApp developers can employ to implement fault-tolerant xApps. Performance results show that RFT meets the latency and throughput requirements as the number of xApp replicas increases. Keywords: NFV. SFC. Composition. Orchestration. Fault Tolerance. O-RAN.