Enabling Network Flexibility by Decomposing Network Functions

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6645-6
Title: Enabling Network Flexibility by Decomposing Network Functions
Author: Pozza, Matteo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Computer Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-22
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6645-6
http://hdl.handle.net/10138/319708
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Next-generation networks are expected to serve a wide range of use cases, each of which features a set of diverse and stringent requirements. For instance, video streaming and industrial automation are becoming more and more prominent in our society, but while the first use case requires high bandwidth, the second one mandates sub-millisecond latency. To accommodate these requirements, networks must be flexible, i.e., they must provide cost-efficient ways of adapting to different requirements. For example, networks must be able to scale with the traffic load to support the bandwidth requirements of the video streaming use case. In response to the need for flexibility, the scientific community has proposed Software Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV), and network slicing. SDN simplifies the management of networks by separating control plane and data plane, while NFV allows scaling the network functions with the traffic load. Network slicing provides the operators with virtual networks which can be tailored to meet the requirements of the use cases. While these technologies pave the way towards network flexibility, the capability of networks to adapt to different use cases is still limited by several inefficiencies. For example, to improve the scalability of network functions, network operators use dedicated systems which manage the state of network functions by keeping it in a data store. These systems are designed to offer specific features, such as reliability or performance, which determine the data store adopted and the Application Programming Interface (API) exposed to the network functions. Network operators need to change the data store depending on the features required by the use case served, but this operation involves refactoring the network functions, thus implying significant costs. Furthermore, network operators need to migrate the network functions, for example to minimize bandwidth usage during traffic peaks. Nevertheless, network slices convey the traffic coming from a multitude of sources through a small set of network functions, which are consequently resource-hungry and difficult to migrate, forcing the network operator to overprovision the network. Due to these inefficiencies, adapting the network to different use cases requires a significant increase in both Capital Expenditure (CapEx) and Operational Expenditure (OpEx), thus resulting in a showstopper for network operators. Addressing these inefficiencies would lower the costs of adapting networks to different use cases, thus improving network flexibility. To this end, we propose to decompose the network functions into fine-grained network functions, each providing only a subset of the functionalities, or processing only a share of the traffic, thus obtaining network functions which are less resource-hungry, easier to migrate, and easier to upgrade. We examine three directions along which we can perform the decomposition. The first direction is leveraging the networking planes, such as control and data planes, for example separating the functionalities for packet processing from the ones for network management. The second direction is leveraging the sources and destinations of the traffic flowing through each network function and creating a dedicated network function for each source-destination pair. The third direction is decoupling the state management of the network functions from the data store by leveraging an API which is independent from the data store adopted. We show that each decomposition addresses a specific inefficiency. For example, decoupling the state management from the data store enables network operators to change the data store adopted without the need for refactoring the network functions. Decomposing network functions also brings some drawbacks. For example, it can result in an increase of the number of network functions, thus making network management tasks, such as network reconfiguration, more challenging. We study two key drawbacks and we discuss the solutions we designed to contrast them. In this thesis, we show that decomposing network functions allows improving network flexibility, but it must be complemented with techniques to mitigate any negative side effect.Uuden sukupolven verkkojen odotetaan palvelevan monenlaisia käyttötapauksia, joista jokaisella on erilaisia vaatimuksia verkon toimintojen ja ominaisuuksien suhteen. Esimerkiksi videoiden suoratoisto ja teollisuusautomaatio ovat yhä tärkeämmässä asemassa yhteiskunnassamme, mutta vaikka ensimmäinen käyttötapaus vaatii suurta kaistanleveyttä, toinen edellyttää alle millisekunnin viivettä. Näiden vaatimusten täyttämiseksi verkkojen on oltava joustavia, toisin sanoen niiden on tarjottava kustannustehokkaita tapoja sopeutua erilaisiin vaatimuksiin. Vastauksena joustavuuden tarpeeseen tiedeyhteisö on ehdottanut ohjelmistopohjaista verkkoa (Software Defined Networking, SDN), verkkotoimintojen virtualisointia (Network Function Virtualization, NFV) ja verkon viipalointia (network slicing). SDN yksinkertaistaa verkkojen hallintaa erottamalla ohjaustason ja datatason, kun taas NFV sallii verkon toimintojen skaalaamisen liikenteen kuormituksella. Verkon viipalointi tarjoaa operaattoreille virtuaaliverkkoja, jotka voidaan räätälöidä vastaamaan käyttötapausten vaatimuksia. Vaikka nämä tekniikat tasoittavat tietä verkon joustavuuteen, verkkojen kykyä sopeutua erilaisiin käyttötapauksiin rajoittavat edelleen monet tehottomuudet. Esimerkiksi verkkotoimintojen skaalautuvuuden parantamiseksi verkko-operaattorit käyttävät erillisiä tilatiedon tallennusjärjestelmiä. Verkko-operaattorien on vaihdettava tietovarasto palvelun käyttötapauksessa vaadittujen ominaisuuksien mukaan, mutta tähän toimintaan sisältyy verkkotoimintojen uudelleenrakentaminen, mikä merkitsee merkittäviä kustannuksia. Näiden tehottomuuksien vuoksi verkon sopeuttaminen erilaisiin käyttötapauksiin edellyttää sekä investointien (Capital Expenditure, CapEx) että toimintamenojen (Operational Expenditure, OpEx) merkittävää kasvua. Tässä väitöskirjassa esitetään uusi menetelmä verkkotoimintojen osittamiseen sekä hajauttamiseen hienorakeisemmiksi toiminnoiksi, joista kukin tarjoaa osan alkuperäisestä toiminnallisuudesta. Menetelmän avulla saadaan hajautettuja ja yhteentoimivia verkkotoimintoja, jotka käyttävät vähemmän verkon resursseja ja ovat helpommin siirrettävissä ja käytettävissä erilaisissa käyttötapauksissa. Väitöskirja osoittaa, että kukin osa-alue auttaa korjaamaan tietyn tehottomuuden järjestelmässä. Esimerkiksi tilahallinnan eriyttäminen tietovarastosta antaa verkko-operaattoreille mahdollisuuden muuttaa käyttöön otettua tietovarastoa ilman, että verkkotoimintoja on muutettava. Verkkotoimintojen ositus ja hajautus voi myös joissain tilanteissa heikentää tietoverkon ominaisuuksia. Väitöskirja tutkii menetelmän keskeisiä heikkouksia ja esittää niihin ratkaisuita. Tässä tutkimuksessa osoitetaan, että verkkotoimintojen osittaminen ja hajauttaminen parantavat verkon joustavuutta, mutta menetelmää on täydennettävä mahdollisten haitallisten sivuvaikutusten lieventämiseksi.
Subject: computer science
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
pozza_matteo_dissertation_2020.pdf 1.946Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record