Um arcabouço holístico para a execução de funções virtualizadas de rede : arquitetura, gerenciamento e aplicações

Abstract

Resumo: O paradigma de Virtualização de Funções de Rede (Network Function Virtualization - NFV) visa desacoplar as funções de rede de hardware dedicado, utilizando tecnologias de virtualização para implementar as funções em software. A arquitetura de referência NFV tem sido amplamente adotada, sendo esta composta por três domínios: Infraestrutura Virtualizada (Virtualized Infrastructure - VI), Gerenciamento e Orquestração de NFV (NFV Management and Orchestration - NFV-MANO), além das próprias Funções Virtualizadas de Rede (Virtualized Network Functions - VNF). Já serviços virtualizados são definidos como composições de funções virtualizadas, organizados através de topologias que estabelecem o fluxo de processamento do tráfego de rede. Apesar do grande potencial do paradigma NFV, ainda existem importantes desafios para garantir que seja amplamente adotado nas infraestruturas modernas de telecomunicação. Esta Tese tem como objetivo principal contribuir para a gerência do ciclo de vida de funções e serviços virtualizados de rede. Neste sentido assume-se a premissa de que é essencial garantir previsibilidade operacional e padronização dos elementos que atuam no domínio de VNF, i.e., das plataformas de execução de VNF e dos Sistemas de Gerenciamento de Elemento (Element Management System - EMS). São propostas na Tese arquiteturas que descrevem um modelo de execução e gerenciamento padronizado tanto para plataformas de execução de VNF, como para o EMS, compatíveis com a arquitetura de referência NFV-MANO. As arquiteturas propostas preveem protocolos, interfaces de comunicação e orientações de integração com demais elementos e sistemas NFV. Ambas as arquiteturas foram implementadas e estão disponíveis como software livre: a plataforma COVEN de execução de VNF e o EMS HoLMES. Resultados de avaliação experimental e estudos de caso são apresentados e discutidos. Também, uma investigação do impacto das arquiteturas propostas em três contextos distintos é então introduzida. Inicialmente, é explorado seu impacto como facilitador para a gerência de NFV. Em seguida, o foco fica no compartilhamento de instâncias de funções e serviços de rede, e na emulação NFV. A Tese apresenta também contribuições no contexto de serviços virtualizados de rede. Em particular, o mapeamento multidomínio consiste na implantação de serviços em infraestruturas de virtualização distribuídas. Assim, foi proposta uma estratégia de mapeamento baseado em heurísticas genéticas, denominada GeSeMa. A estratégia permite que seus operadores definam diferentes critérios de avaliação e otimização em busca de mapeamentos de serviço adequados às suas necessidades específicas. Neste sentido, o GeSeMa representa um avanço do estado da arte, pois outras soluções operam de maneira monolítica, não permitindo que operadores e gerentes de rede personalizem o esquema de otimização adotado (e.g., métricas a serem avaliadas, pesos a serem considerados e restrições de mapeamento relacionadas a cada serviço em particular). A solução foi testada em múltiplos estudos de caso e os resultados demonstram sua aplicabilidade e ?exibilidade ao lidar com diferentes cenários de otimização de mapeamentos multidomínio. Finalmente, outras duas contribuições da Tese relacionadas ao paradigma NFV são apresentadas como apêndices, nos contextos de tolerância a falhas e engenharia de tráfego.

Abstract: The Network Function Virtualization (NFV) paradigm aims to decouple network functions from dedicated hardware, employing virtualization technologies to implement functions in software. The NFV reference architecture has been widely adopted. This architecture, in turn, is composed of three domains: Virtualized Infrastructure (VI), NFV Management and Orchestration (NFV-MANO), and Virtualized Network Functions (VNF). Compositions of virtualized functions define virtualized services, organized as topologies through which network trafic is steered. Despite the extraordinary potential of the NFV paradigm, there are still relevant challenges to ensure its wide adoption by modern telecommunication infrastructures. The main objective of this Thesis is to contribute to the life cycle management of virtualized network functions and services. In this context, we consider it essential to guarantee the operational predictability and organization of the elements of the VNF domain, i.e., VNF execution platforms, and the Element Management System (EMS). Thus, this Thesis presents architectures that describe a standardized execution and management model for both VNF execution platforms and EMS. The proposed architectures are compliant with the NFV-MANO reference architecture and provide protocols, communication interfaces, and guidelines for their integration with other NFV elements and systems. Both architectures have been implemented and are available as open-source software: the COVEN VNF execution platform and the HoLMES EMS. Experimental evaluation results and case studies are presented and discussed. An investigation of the impact of the proposed architectures in three di?erent contexts is also introduced. First, we explore the opportunities regarding the proposed architectures as enablers for NFV management. Then, the focus goes to sharing instances of network functions and services and NFV emulation. In addition, the Thesis presents contributions in the context of virtualized network services. Multidomain mapping consists of deploying services on distributed virtualization infrastructures. A mapping strategy based on genetic heuristics, called GeSeMa, was proposed. GeSeMa enables its operators to define multiple optimization criteria for searching candidate service mappings tailored to their specific requirements. The proposed strategy represents a state-of-the-art advance, as other solutions operate in a monolithic manner: they do not allow operators and network managers to customize the adopted evaluation setup (e.g., metrics to be evaluated, weights to be considered, and mapping constraints related to each specific service). We tested GeSeMa in multiple case studies; the results demonstrate its applicability and flexibility in dealing with different multidomain mapping optimization scenarios. Finally, two other contributions related to the NFV paradigm, approaching fault tolerance and trafic engineering, are presented as appendices.