Lightweight virtualization and the network edge

Abstract

The evolution of the fifth generation of networks (5G Networks) brought upon a set of new technology solutions that aim to address the increased demands of users (i.e., high data rates, ultra-low latency and reliability) as well as support diverse requirements of next-generation applications. Communication systems are going through radical transformations, incorporating emerging technologies, such as Network Function Virtualization (NFV), Software-Defined Networks (SDNs), and Cloud orchestration systems.At the same time, micro-data centers are being deployed to the corresponding unified environments, bringing virtualized services closer to the users (i.e., improving service performance and reliability, as well as reducing the communication latency). This new research area is defined as edge computing. However, legacy cloud deployments usually employ traditional virtual machines (VMs), which are resource-costly, face slow time for deployment or scaling up of virtual resources. Given the limited-resource availability as well as the dynamic characteristics of user demands or application requirements in edge clouds, the traditional virtual machines are not suitable in these environments. In this respect, the adoption of alternative lightweight virtualization approaches for edge cloud seek to fulfill such demands, given their particular features e.g. rapid manipulation of virtual resources. Thus, it is essential to seek new flexible orchestration and management solutions that utilize more efficiently the available resources i.e., compared to traditional cloud deployments. In other words, there is a need for systemic adaptations of 5G and Beyond ecosystems towards these goals.The main challenge of the dissertation is to propose novel flexible, adaptable and efficient edge-cloud orchestration solutions utilizing lightweight virtualization technologies, such as containers and Lightweight Virtual Machines (LVM). The latter technologies bring significant adaptability advantages to dynamic changes in network conditions and service requirements, along with fast responsiveness, being crucial for edge cloud deployments in 5G networks. This dissertation addresses crucial issues associated with 5G networks (i.e., elasticity, scalability, heterogeneity and resource efficiency), identifies the associated trade-offs of utilizing lightweight virtualization technologies, implements and investigates lightweight cloud orchestration platforms with orchestration mechanisms (e.g., efficient resource allocation and service elasticity), as well as proposes a new cloud orchestration strategy (i.e., Virtualization Technology Shifting) that takes into account the performance and resource demands of alternative virtualization technologies to address challenging application and resource requirements.

Η εξέλιξη των Δικτύων πέμπτης γενιάς (5G Νetworks) επέφερε ένα σύνολο νέων τεχνολογικών λύσεων, οι οποίες έρχονται α) να καλύψουν αυξημένες απαιτήσεις/ανάγκες των χρηστών (υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, μείωση της καθυστέρησης επικοινωνίας και αξιοπιστία), β) να υποστηρίξουν τις ποικιλόμορφες απαιτήσεις των αναδυόμενων επόμενης γενιάς εφαρμογών. Τα συστήματα επικοινωνίας μετασχηματίζονται ριζικά ενσωματώνοντας αναδυόμενες ετερογενείς τεχνολογίες, όπως η Εικονικοποίηση Δικτυακών Λειτουργιών (NFV), τα Προγραμματιζόμενα Δίκτυα (SDN) και τα συστήματα ενορχήστρωσης του Υπολογιστικού Νέφους (ΥΝ).Ταυτόχρονα, στα αντίστοιχα ενοποιημένα περιβάλλοντα αναπτύσσονται τα μικρά νέφη, τα οποία βρίσκονται κοντά στους χρήστες και προσφέρουν εικονικοποιημένες υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους, (π.χ. βελτιώνουν την απόδοση, την αξιοπιστία της υπηρεσίας, μειώνουν την καθυστέρηση της επικοινωνίας). Αυτή η νέα ερευνητική περιοχή ορίζεται ως νεφοϋπολογιστική στις παρυφές του δικτύου (Edge Computing). Ωστόσο, τα παραδοσιακά περιβάλλοντα νεφοϋπολογιστικής χρησιμοποιούν συνήθως παραδοσιακά λειτουργικά συστήματα πλήρους κλίμακας (VMs), τα οποία είναι δαπανηρά σε πόρους, αντιμετωπίζουν πολύ αργό χρόνο εκκίνηση ή κλιμάκωσης των εικονικών πόρων. Δεδομένης της περιορισμένης διαθεσιμότητας των πόρων, καθώς και των ποικίλων δυναμικών χαρακτηριστικών των απαιτήσεων των χρηστών ή των απαιτήσεων των εφαρμογών στις παρυφές της νεφοϋπολογιστικής, οι παραδοσιακές εικονικές μηχανές δεν είναι κατάλληλες σε αυτά τα περιβάλλοντα. Από την άποψη αυτή, η υιοθέτηση εναλλακτικών προσεγγίσεων ελαφριάς εικονικοποίησης στις παρυφές του δικτύου επιδιώκει να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις αξιοποιώντας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, όπως η ταχεία διαχείριση των εικονικών πόρων. Συνεπώς, είναι απαραίτητο να αναζητηθούν νέες ευέλικτες λύσεις ενορχήστρωσης και διαχείρισης που να αξιοποιούν αποτελεσματικότερα τους διαθέσιμους πόρους, σε σύγκριση με τα παραδοσιακά περιβάλλοντα νεφοϋπολογιστικής. Με άλλα λόγια, υπάρχει ανάγκη για συστημικές προσαρμογές των οικοσυστημάτων πέμπτης και των επόμενων γενιών δικτύων (5G and Beyond) προς την κατεύθυνση αυτών των στόχων. Η κύρια πρόκληση της διατριβής είναι να προταθούν νέες ευέλικτες και προσαρμόσιμες αποδοτικές λύσεις ενορχήστρωσης του νέφους στις παρυφές του δικτύου χρησιμοποιώντας τεχνολογίες ελαφριάς εικονικοποίησης, όπως οι τεχνολογίες υποδοχέων (Containers) και ελαφριών εικονικών μηχανών (LVM). Οι τελευταίες τεχνολογίες επιφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα προσαρμοστικότητας στις δυναμικές αλλαγές των συνθηκών του δικτύου και των απαιτήσεων των υπηρεσιών, προσφέροντας γρήγορη απόκριση, που είναι ζωτικής σημασίας για την λειτουργία των νεφών στις παρυφές της νεφοϋπολογιστικής στα δίκτυα πέμπτης γενιάς. Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε κρίσιμα ζητήματα που σχετίζονται με τα δίκτυα πέμπτης γενιάς (δηλ., ελαστικότητα, επεκτασιμότητα, ετερογένεια και αποδοτικότερη χρήση των πόρων) και προσδιορίζει σχετικά εναλλακτικά οφέλη της χρήσης διαφορετικών ελαφριών μηχανών εικονικοποίησης. Γι΄αυτό το σκοπό υλοποιεί και διερευνά πλατφόρμες ενορχήστρωσης των νεφών στις παρυφές του δικτύου με μηχανισμούς ενορχήστρωσης (π.χ. αποτελεσματική κατανομή των πόρων και ελαστικότητα των υπηρεσιών), και προτείνει μια νέα στρατηγική ενορχήστρωσης νέφους (εναλλαγή των τεχνολογιών εικονοποίησης) λαμβάνοντας υπόψη το αντίκτυπο της απόδοσης και κατανάλωσης των πόρων των εναλλακτικών τεχνολογιών εικονικοποίησης για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων των εφαρμογών και πόρων.