Service differentiation in virtual service - based network architectures

Abstract

An end-to-end architecture that adopts the SDN paradigm, across all technology domains, fornetwork virtualization, management and control, is absolutely essential towards the vision of building a complete cloud ecosystem. An end-to-end infrastructure facilitates the interconnection of data centers with fixed and mobile end users, through heterogeneous multi-domain networks, seamlessly integrating optical metro and wireless access network technologies. Given the emergence of cloud computing technologies as well as the diverse QoS needs of future cloud and mobile cloud services, new end-to-end architectures are required, that are able to facilitate network programmability and control. In addition, the relevant management and control mechanisms that are able to provide service guarantees to every virtual network, have not been adequately addressed, yet they are absolutely essential for the relevant network operations and crucial for the SDN paradigm to succeed. The main goal of this dissertation is to investigate and develop key network management functionsfor differentiating services between classes of customers, in virtual end-to-end environments. In principle and using the classical terminology, a differentiated service doesn’t give service guarantees per tenant network, rather differentiates traffic and allows a preferential treatment of one traffic class over the other. Due to multi-tenancy effects in the new virtualized environment and the presence of time varying workload conditions, the application of stochastic control theory is required in order to rigorously analyze the performance of policies that are able to achieve differentiation objectives. Due to the allure of the virtual world, there is always the danger of getting caught up in frameworks that lack the implementability perspective. Towards this direction, another goal of this dissertation is tocome up with the design of a realistic end-to-end, multi-domain SDN architecture, that spans from the wireless access network up to the virtualized data-center that can serve as the ground-floor over which the service differentiation problems are investigated.We begin by presenting the design of this multi-domain SDN architecture, that spans from the wireless access network up to the virtualized data-center. We present the general concept, according to which our research work targets the wireless domain of the architecture. We then proceed to the development and analysis of closed loop, feedback-based scheduling and en-queueing algorithms, that can be used to provide guaranteed service differentiation per customer class. The framework developed is applicable in various control points on the architecture (e.g http routers, wireless driver queues, server systems) and various problems where guarantee service is required. Stochastic analysis is the tool that we used to prove a number of properties from the class of policies defined, like steadystate analysis and speed of convergence. The proposed policies were evaluated both theoretically and by simulations, while also the implementation of the policies was made in a testbed environment. Furthermore, our research also involves the development of a mathematical framework, to construct efficient content distribution networks over the virtualized multi-domain environments that we study. The relevant optimization approach is presented.

Νέες αρχιτεκτονικές δικτύων που υιοθετούν τις αρχές της εικονικής σχεδίασης (virtualization) και τον έλεγχο της υποδομής σύμφωνα με το Software Defined Networking (SDN) παράδειγμα, σε όλους τους τομείς της τεχνολογίας, είναι απολύτως απαραίτητες προς το όραμα της οικοδόμησης οικοσυστημάτων τεχνολογίας σύννεφου (cloud computing). Μια υποδομή end-to-end διευκολύνει τη διασύνδεση των κέντρων δεδομένων με σταθερούς και κινητούς τελικούς χρήστες μέσω ετερογενών δικτύων σε πολλούς τομείς, ενσωματώνοντας οπτικά δίκτυα με τεχνολογίες ασύρματου δικτύου πρόσβασης. Με δεδομένη την εμφάνιση των τεχνολογιών υπολογιστικού νέφους, καθώς και τις διαφορετικές ανάγκες σε ποιότητα υπηρεσίας (QoS) των μελλοντικών κινητών υπηρεσιών, οι νέες αρχιτεκτονικές απαιτείταινα διευκολύνουν τον προγραμματισμό και έλεγχο των δικτύων. Οι σχετικοί μηχανισμοί διαχείρισης και ελέγχου που είναι σε θέση να παρέχει εγγυήσεις εξυπηρέτηση σε κάθε εικονικό δίκτυο, δεν έχουν αναλυθεί επαρκώς, ενώ είναι απολύτως αναγκαίοι για την λειτουργία των δικτύων και ζωτικής σημασίας για να πετύχει η SDN προσέγγιση.Ο κύριος στόχος της διατριβής αυτής είναι να διερευνήσει και να αναπτύξει βασικές λειτουργίες διαχείρισης δικτύου για τη διαφοροποίηση των υπηρεσιών μεταξύ τάξεων πελατών σε εικονικά end-to-end περιβάλλοντα δικτύου. Χρησιμοποιώντας την κλασική ορολογία, μια διαφοροποιημένη υπηρεσία δεν δίνει εγγυήσεις υπηρεσιών ανά ενοικιαστήδικτύου, αλλά διαφοροποιεί την κυκλοφορία και επιτρέπει την προνομιακή μεταχείριση της μιας τάξης κυκλοφορίας σε σχέση με την άλλη. Λόγω των επιπτώσεων πολλαπλών μισθώσεων και την επίδραση του χρόνου στις μεταβαλλόμενες συνθήκες φόρτου εργασίας, η εφαρμογή της θεωρίας στοχαστικού ελέγχου απαιτείται προκειμένου να αναλυθεί με αυστηρότητα η απόδοση των πολιτικών που είναι σε θέση να επιτύχει τους στόχους της διαφοροποίησης.Παρόλη την θεωρητική ανάλυση υπάρχει πάντα ο κίνδυνος η μελέτη να γίνεται σε πλαίσια που δεν έχουν την προοπτική δυνατότητα εφαρμογής. Προς αυτή την κατεύθυνση, ένας άλλος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να καταλήξει με το σχεδιασμό μιας ρεαλιστικής, multi-domain end-to-end SDN αρχιτεκτονικής, που εκτείνεται από το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης μέχρι το virtualized data-center που μπορεί να χρησιμεύσει ως το έδαφος στοοποίο μελετήθηκαν τα προβλήματα της διαφοροποίησης των υπηρεσιών. Σε αυτή την εργασίαπαρουσιάζουμε το σχεδιασμό αυτής της multi-domain αρχιτεκτονικής SDN, που εκτείνεται από το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης μέχρι το virtualized data-center. Παρουσιάζουμε τη γενική έννοια, όπου η έρευνα μας επικεντρώνεται στο ασύρματο κομμάτι της αρχιτεκτονικής. Επιπλέον, αναπτύσσονται και αναλύονται αλγόριθμοι κλειστού βρόχου με ανάδραση και αλγόριθμοι που βασίζονται στην θεωρία ουρών, που χρησιμοποιούνται για την εγγυημένη διαφοροποίηση των υπηρεσιών. Το πλαίσιο που αναπτύχθηκε μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορα σημεία ελέγχου στην αρχιτεκτονική (π.χ. http δρομολογητές, ουρές οδήγησης ασύρματου μέσου, συστήματα server) και διάφορα προβλήματα όπου απαιτείται υπηρεσία εγγύησης ανά κατηγορία πελατών. Στοχαστική ανάλυση είναι το εργαλείο που χρησιμοποιήσαμε για να αποδειχθεί μια σειρά από ιδιότητες από την τάξη των πολιτικών, όπως ανάλυση σταθερής κατάστασης και ταχύτητα σύγκλισης. Επιπλέον, παρουσιάσαμε ένα μαθηματικό πλαίσιο για την αποτελεσματική τοποθέτηση περιεχόμενου με την σχετική προσέγγιση βελτιστοποίησης για δίκτυα αρχιτεκτονικής με περιβάλλοντα πολλαπλών τομεων. Οι προτεινόμενες πολιτικές αξιολογήθηκαν τόσο θεωρητικά όσο και από προσομοιώσεις, ενώ επίσης και με εφαρμογή σε περιβάλλον πλατφόρμας δοκιμών.