Tesis:
Contribución a las arquitecturas de virtualización de funciones de red y redes definidas por software aplicadas a las redes residenciales con gestión centrada en el usuario
- Autor: FLORES MOYANO, Jorge Ricardo
- Título: Contribución a las arquitecturas de virtualización de funciones de red y redes definidas por software aplicadas a las redes residenciales con gestión centrada en el usuario
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA DE SISTEMAS TELEMATICOS
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/50230/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ CAMBRONERO, David
- Resumen: La presente tesis doctoral aborda tres problemas puntuales que se encuentran hoy en día en las redes residenciales. En primer lugar, la usabilidad restringida que presentan las redes residenciales debido a que se requieren conocimientos técnicos para ejercer las tareas de gestión, los cuales son inexistentes en la mayoría de usuarios. En segundo lugar, el alto grado de heterogeneidad del entorno residencial en cuanto a perfiles de usuario, dispositivos finales y tecnologías de red. Y, en tercer lugar, la flexibilidad limitada de los equipos de red actuales para mejorar el servicio de conectividad proporcionado por la red residencial, lo cual dificulta agregar nuevas funcionalidades de red requeridas por los servicios multimedia de hoy en día. De acuerdo con el estado del arte, los problemas descritos anteriormente son el resultado de haber establecido en el entorno residencial un modelo de red al estilo de Internet en el cual es necesario garantizar el conocimiento y la experiencia técnica. A esto se suma la falta de flexibilidad que presenta el modelo de red actual para permitir que un servicio de red evolucione y se adapte a los requisitos dinámicos, exigentes y diversos de, por ejemplo, aplicaciones multimedia y servicios de red empresariales. En este contexto, la primera contribución de la presente tesis doctoral consiste en el diseño de una nueva arquitectura de gestión para las redes residenciales que aprovecha los paradigmas de Virtualización de Funciones de Red (NFV) y Redes Definidas por Software (SDN) para permitir el uso de un enfoque centrado en el usuario y facilitar su implementación. En esta arquitectura, los usuarios participan activamente en las tareas de gestión de sus propias redes mediante el uso de aplicaciones para la Gestión de la Red Residencial, denominadas como "aplicaciones RENEMA". Estas aplicaciones, las cuales están adaptadas a las habilidades de un usuario promedio, permiten personalizar la red según las preferencias del usuario, mejorar la usabilidad de la red y enfrentar el alto grado de heterogeneidad que presenta el entorno residencial. Por otra parte, para facilitar la implementación del enfoque centrado en el usuario, la arquitectura proporciona diferentes Servicios de Red Residencial (RENESE) para abstraer la configuración y monitorización de red de bajo nivel. De esta manera, los desarrolladores de aplicaciones RENEMA no tendrían que preocuparse de estas tareas de bajo nivel. La segunda contribución de la presente tesis doctoral consiste en una propuesta de tratamiento de tráfico diferenciado basada en la funcionalidad de Encadenamiento de Función de Servicio (SFC) de NFV, destinada a enriquecer el servicio de conectividad proporcionado por la red residencial. El tratamiento de tráfico diferenciado permite que la red residencial cumpla con los requisitos divergentes de aplicaciones y servicios, como el video bajo demanda o juegos en línea, para que puedan lograr un rendimiento óptimo. Para este fin, la arquitectura de gestión coordina la operación colaborativa de los componentes SDN y NFV de tal manera que sus contribuciones individuales se complementan. En este sentido, el gateway residencial basado en SDN que se despliega en las instalaciones del usuario se encarga de diferenciar el tráfico, mientras que el componente NFV se encarga de implementar las SFCs que procesarán el tráfico previamente diferenciado en la infraestructura de computación en la Nube del ISP. Para validar las propuestas presentadas, se ha desarrollado un caso de uso y su correspondiente prueba de concepto. Esto ha requerido el diseño e implementación de un escenario de validación compuesto por la red residencial, la red de acceso y la infraestructura de computación en la Nube del ISP. El escenario de validación incluye dos bancos de prueba virtual en los que se han llevado a cabo pruebas funcionales, de rendimiento y de provisión de QoS. Los resultados obtenidos han permitido verificar la factibilidad y los beneficios que brinda la arquitectura de gestión propuesta. Además, para validar la creación del Dominio de Gestión y Redes virtualizado (vMANDO) como un Servicio de Red (NS) en el contexto de ETSI-NFV, se ha utilizado el perfil NFV desarrollado por TOSCA para obtener las plantillas de despliegue correspondientes. Como resultado de este ejercicio, se han identificado algunas limitaciones de TOSCA con respecto al manejo del ciclo de vida de Servicios de Red. ----------ABSTRACT---------- This dissertation addresses three specific problems found nowadays in residential networks. Firstly, the restricted usability that residential networks offer due to the fact that a technical knowledge, which the majority of users lack, is required to exert management tasks. Secondly, the high degree of heterogeneity of the residential environment in terms of user profiles, end devices and network technologies. And thirdly, the limited flexibility of current network equipment to improve the connectivity service provided by the residential network, which makes it difficult to add new network functionalities required by today’s multimedia services. According to the state of the art, the problems described above are the result of the Internet-like network model established for the residential network, which relies on a good level of technical expertise of administrators. Added to this is the lack of flexibility that current networking model presents to evolve a network service and adapt it to the dynamic, demanding and diverse requirements of, for example, multimedia applications and enterprise network services. In this context, the first contribution of this dissertation is the design of a new management architecture for residential networks that takes advantage of the new paradigms of Network Functions Virtualization (NFV) and Software Defined Networks (SDN) to allow using a user-centric approach and to facilitate its implementation. In this architecture, users actively participate in the management tasks of their own networks by using Residential Network Management applications, referred to as "RENEMA apps". These apps, which are adapted to the skills of an average user, allow customizing the network based on the user's preferences, improving the usability of the network and facing the high degree of heterogeneity that the residential environment presents. On the other hand, to facilitate the implementation of the user-centric approach, the architecture provides different Residential Network Services (RENESEs) to abstract the low-level network configuration and monitoring. Thus, RENEMA apps developers would not have to cope with them. The second contribution of this dissertation is a differentiated traffic treatment proposal based on NFV’s Service Function Chaining (SFC) functionality, that enriches the connectivity service provided by the residential network. The differentiated traffic treatment allows the residential network to accomplish the divergent requirements of applications and services such as video on demand or online games, so they can achieve an optimal performance. For this purpose, the management architecture coordinates the collaborative operation of the SDN and NFV components in such a way that their individual contributions are complemented. In this sense, the SDN-based residential gateway deployed in the user's premises is in charge of differentiating the traffic while the NFV component is in charge of deploying the SFCs that will process the previously differentiated traffic at the ISP’s cloud computing infrastructure. To validate the proposals presented, a use case and its corresponding proof of concept has been developed. This has required the design and implementation of a validation scenario composed of the residential network, the access network and the cloud computing infrastructure of the ISP. The validation scenario includes two virtual testbeds in which functional, performance and QoS provision tests have been carried out. The results obtained have allowed verifying the feasibility and the benefits that the proposed management architecture provides. Moreover, to validate the creation of the virtualized Management and Networking Domain (vMANDO) as an ETSI-NFV Network Service (NS), the NFV profile developed by TOSCA has been used to obtain the corresponding deployment templates. As a result of this exercise, some limitations of TOSCA regarding Network Services life cycle management have been identified.