Design, modeling and implementation of open programmable networks

Abstract

Key objectives of network technologies are their overall management and creation of new services. But networks are generally heterogeneous and this creates a problem in their flexibility and integration of new services. Current solutions address the problem piecemeal, without a common framework. The aim of the PhD dissertation is to propose a common framework for resource control and management of a network model alongside with auxiliary and automatic functions to support implementation of new services in open programmable network. This dissertation laid the requirements of the model that would be required and chosen IETF’s ForCES from other framework standards. The dissertation contributed to the ForCES model in multiple ways. It identified gaps and enhanced the current model, made the comparison with similar frameworks and conceptually extended the standard in the resource management plane. Libraries also were proposed and developed, using the model, related to high availability, parallelization and subsidiary mechanisms for installation and activation of new entities. Using this model, the building blocks of a common framework were laid and the architectural structure of open networks was described. Furthermore, this dissertation proposed the conceptual and architectural enhancement of the SDN architecture to include the management plane and the operational plane within devices. With regards to the architecture of NFV, this dissertation proposed to extend the architecture by integrating the interface between the EMS and the NFV using the proposed framework. With regards to auxiliary and automatic features a Domain Specific Language was implemented within this dissertation. The DSL allowed the user to describe the model and then automatically converted that into pieces of code stubs that had implementation of the ForCES standard. The user would only have to fill the required functionality. Finally an original implementation was developed as proof of concept on the LTE/EPC. This dissertation addressed the problems of disproportionate signaling growth and long-distance portions of the EPC architecture using the proposed framework and implemented the management part of the GTP tunneling protocol. In conclusion, the use of a framework for overall management of the entire life cycle of network resources is possible using the proposed advanced ForCES framework.

Βασικοί στόχοι των τεχνολογιών δικτύων είναι η διαχείρισή τους και η δημιουργία νέων παρεχόμενων υπηρεσιών. Τα δίκτυα όμως είναι εν γένει ετερογενή και αυτό δημιουργεί πρόβλημα στην ευελιξία τους και στην ενσωμάτωση νέων υπηρεσιών. Οι τρέχουσες λύσεις αντιμετωπίζουν το πρόβλημα σποραδικά χωρίς κάποιο κοινό πλαίσιο. Στόχος της Διδακτορικής Διατριβής ήταν να προταθεί ένα κοινό πλαίσιο και μοντέλο για τον έλεγχου και τη διαχείριση πόρων ενός δικτύου παράλληλα με βοηθητικές και αυτόματες λειτουργίες ώστε να υποστηρίξουν τεχνικές υλοποίησης νέων υπηρεσιών σε ανοικτών δικτυακών συστημάτων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής τέθηκαν οι απαιτήσεις του μοντέλου που θα χρειαζόταν και επιλέχθηκε το πλαίσιο ForCES από τα τρέχοντα πρότυπα πλαίσια. Η διδακτορική διατριβή συνεισέφερε στο πρότυπο ForCES με πολλαπλούς τρόπους. Εντόπισε κενά και εξέλιξε το τρέχον μοντέλο, το σύγκρινε με τα όμοιά του και επέκτεινε το πρότυπο στο επίπεδο διαχείρισης των πόρων. Επίσης προτάθηκαν και δημιουργήθηκαν βιβλιοθήκες χρησιμοποιώντας το μοντέλο που έχουν σχέση με την υψηλή διαθεσιμότητα δικτυακών οντοτήτων, για παραλληλισμό εργασιών και βοηθητικές εργασίες για εγκατάσταση και ενεργοποίηση νέων οντοτήτων. Χρησιμοποιώντας το πρότυπο αυτό, τέθηκαν τα δομικά υλικά του κοινού πλαισίου και περιγράφηκε η αρχιτεκτονική δομή των ανοιχτών δικτύων. Παράλληλα προτάθηκε η εννοιολογική και αρχιτεκτονική εξέλιξη της αρχιτεκτονικής προγραμματιζόμενων δικτύων και να συμπεριληφθούν το επίπεδο διαχείρισης και το επίπεδο λειτουργικότητας των συσκευών. Όσον αφορά την αρχιτεκτονική της εικονικοποίησης δικτυακών λειτουργιών, προτάθηκε η επέκταση της αρχιτεκτονικής με την ενσωμάτωση της διεπαφής μεταξύ του ελεγκτή και της εικονικοποιημένης λειτουργίας χρησιμοποιώντας το προτεινόμενο από την διατριβή πλαίσιο. Όσον αφορά βοηθητικές και αυτόματες λειτουργίες υλοποιήθηκε μία γλώσσα ειδικού σκοπού. Στη γλώσσα αυτή ο χρήστης περιγράφει το μοντέλο του και αυτό αυτόματα μετατρέπεται σε κομμάτια κώδικα τα οποία υλοποιούν το πρότυπο ForCES. Μετά τα κομμάτια κώδικα αυτά πρέπει να συμπληρωθούν μόνο με την λειτουργικότητα που απαιτείται. Τέλος δημιουργήθηκε μία πρωτότυπη υλοποίηση στο πλαίσιο των δικτύων κινητής τηλεφωνίας 4ης γενιάς, στον εξελιγμένο πυρήνα πακέτων. Στα δίκτυα αυτά αντιμετωπίστηκαν τα προβλήματα της δυσανάλογης αύξησης σηματοδοσίας και μεγάλης απόστασης τμημάτων της αρχιτεκτονικής χρησιμοποιώντας το προτεινόμενο πλαίσιο υλοποιώντας το τμήμα διαχείρισης του πρωτοκόλλου τούνελ GTP. Συμπερασματικά η χρήση ενός πλαισίου για ολική διαχείριση όλου του κύκλου ζωής των πόρων ενός δικτύου είναι εφικτή χρησιμοποιώντας το εξελιγμένο πρώτυπο ForCES.