Tesis:
Contribución al modelo de gestión y orquestación de redes particionadas 5G en entornos multi-dominio y multi-cliente
- Autor: CÁRDENAS CÓRDOVA, Jaime Andrés
- Título: Contribución al modelo de gestión y orquestación de redes particionadas 5G en entornos multi-dominio y multi-cliente
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA DE SISTEMAS TELEMATICOS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72286/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ CAMBRONERO, David
- Resumen: This doctoral thesis presents a set of proposals that provide solutions to some of the problems and unresolved challenges related to management and orchestration of network slices in multi-domain and multi-client environments. First, it addresses the problem of providing vertical clients with advanced and customized management capabilities over network services based on network slicing as a service paradigm. To this end, it presents a detailed study of the systems and architectural frameworks defined by the standardization bodies where it identifies some relevant aspects for the definition of a common model that allows vertical customers to manage the resources of their network slice at different levels according to their needs. In addition, this work addresses the challenges on management and optimization of distributed computing resources assigned to a specific network slice belonging to a vertical client. That is, it focuses on the scenario when resources are underutilized, and services cannot scale due to lack of resources.
Some of these problems have been well studied by industry, academia, and standardization bodies. However, the network service provisióning and management systems proposed in the state of the art do not fully meet the heterogeneous requirements of the industry vertical. For example, the constantly evolution of communication service performance requirements and the ever-changing service management needs of vertical customers, call for flexible customer-centric systems that enable customized network slicing lifecycle management with a common model that integrates all the control and orchestration frameworks defined by standardization bodies.
In this sense, the first contribution of this doctoral thesis proposes the extensión of the architectural framework for the network slicing lifecycle management model standardized by 3GPP. It focuses on the provisión of the management and orchestration virtualized systems as communication services adapted to the needs of the vertical client and the services that they will provide.
The following contribution consists of the extensión of the network slicing description templates defined by the standardization bodies for the integration of different management and control systems specified by the standardization bodies. Specifically, it proposes to add fields where vertical customers can define and customize the network slice control level according to the needs of the communication service. In addition, this template is translated into a service profile proposed in this work which defines in greater detail the components that make up the virtualized services, the types of network functions and the domains in which the communication services of the network slice will be deployed.
Finally, the third contribution focuses on the optimization of computing resources allocated to a network slice by defining virtualized network functions (VNFs) sharing schemes using deep learning techniques. For this purpose, this thesis proposes a classification model of VNFs according to the performance characteristics regarding the communication services. Then, with the use of deep learning algorithms, methods to predict computing resources to reuse underutilized resources in resource-constrained environments are defined.
The validation of each contribution described above is performed by defining realistic use cases where the importance and usefulness of the different proposals detailed in this doctoral thesis are evaluated and analyzed. The evaluation of the proposals is carried out in testbed with virtualized scenarios, implemented, and managed by means of open source management and orchestration platforms. The results obtained show the advantages of providing isolated management and orchestrations systems to vertical customers with resource optimization capabilities.
RESUMEN
La presente tesis doctoral presenta un conjunto de propuestas que dan solución a algunos de los problemas y temas no resueltos en la gestión y orquestación de redes particionadas en entornos multidominio y multi-cliente. En primer lugar, aborda el problema de la provisión de capacidades avanzadas y personalizadas de gestión de servicios de red basados en redes particionadas a clientes verticales. Para ello, presenta un estudio detallado de los sistemas y marcos arquitectónicos definidos por los cuerpos de estandarización en donde identifica algunos aspectos relevantes para la definición de un modelo común que permita a los clientes verticales gestionar sus recursos de las redes particionadas a distintos niveles según sus necesidades. Además, el presente trabajo aborda el problema de gestión y optimización de recursos computacionales distribuidos asignados a una red particionada perteneciente a un cliente vertical. Es decir, se centra en el escenario cuando los recursos son infra utilizados y cuando los servicios no pueden escalar por falta de recursos.
Algunos de estos problemas han sido bien estudiados por parte de la industria, academia y organismos de estandarización. Sin embargo, los sistemas de provisión y gestión de servicios de red estudiados en el estado del arte no cumplen completamente con las exigencias heterogéneas de la industria vertical. Por ejemplo, la evolución constante de los requisitos de funcionamiento de los servicios de comunicación y los cambios en las necesidades de gestión de los servicios por parte de los clientes verticales, demandan sistemas flexibles centrados en los clientes los cuales permitan gestionar el ciclo de vida de las redes particionadas de forma personalizada con un modelo común que integre todos los marcos de control y orquestación definidos por los cuerpos de estandarización.
En este sentido, la primera contribución del presente trabajo de tesis doctoral propone la extensión de la arquitectura del modelo gestión de redes particionadas estandarizado por 3GPP para la provisión de sistemas de gestión y orquestación virtualizados como servicios de comunicación adaptados a las necesidades del cliente vertical y a los servicios de red que proporcionaran. La siguiente contribución consiste en la extensión de las plantillas de descripción de redes particionadas definidas por los cuerpos de estandarización para la integración de los distintos sistemas de gestión y control especificados por los organismos de estandarización. Concretamente, propone añadir campos donde los clientes verticales puedan definir y personalizar el grado de control que requieren sobre una red particionada según las necesidades del servicio de comunicación. Además, dicha plantilla es traducida en un perfil de servicio propuesto en el presente trabajo el cual define con mayor detalle los componentes que conforman los servicios virtualizados, los tipos de funciones de red y los dominios en los que se desplegaran los servicios de comunicación pertenecientes a una red particionada.
Finalmente, la tercera contribución se centra en la optimización de recursos computaciones asignados a una red particionada mediante la definición de esquemas de compartición de funciones de red virtualizadas (VNFs) a través del uso de técnicas de aprendizaje automático. Para este propósito, el presente trabajo propone un modelo de clasificación de VNFs según las características de desempeño de los servicios de comunicación. Luego, mediante la utilización de algoritmos de aprendizaje automático, se definen métodos para la predicción de recursos computacionales para la reutilización de recursos infra utilizados en entornos con recursos limitados.
La validación de cada una de las propuestas descritas anteriormente se realiza mediante la definición de casos de uso realistas donde se evalúa la importancia y utilidad de las distintas propuestas detalladas en la presente tesis doctoral. La evaluación de las propuestas se realiza en escenarios de virtualización diseñados, implementados y gestionados mediante plataformas de gestión y orquestación de código libre. Los resultados obtenidos muestran las ventajas de asignar sistemas aislados de gestión a clientes verticales con capacidades de optimización de recursos.