Reliability on future software-defined communication systems

Abstract

Software-defined and virtualized networks are attracting significant attention from both the academic research community and the industry, due to their envisaged constructive impacts on the development of future telecommunication systems (fifth-generation (5G) networks and beyond). Communication service providers will also need to engage in digital transformation to adapt to the next generation of telecommunication services based on the novel software-driven technologies associated with 5G networks. Recently, several studies have explored various aspects of these technologies, such as software-defined networking (SDN), network function virtualization (NFV), cloud computing, and mobile/multi-access edge computing (MEC). However, major standardization developments, regarding both the architecture itself and support for networking environments, are still ongoing. Hence, the development of network applications for software-defined and virtualized networks has not yet accelerated. The advent of such networks presents new challenges and opens new paths for the development of novel strategies, architectures, and standards to enable high reliability, fault tolerance, and service assurance in 5G networks and beyond. Along this line, this thesis explores SDN, NFV, and cloud computing technologies. The objectives are to better understand software-driven and virtualized networks, address challenges in their architectural implementation, explore fault-tolerance and service assurance support, delineate obstacles to commercial deployment at a conceptual level and identify future research directions for software-defined and virtualized network developments. In this regard, this work proposes an out-of-band, self-healing, centralized, hybrid, software-defined, networking control design to reliably conceptualize the management and automation of future dynamic networks. Furthermore, the thesis evaluates the performance of virtualization technologies in reliable 5G scenarios and presents a recovery mechanism that can achieve near-zero service downtime. In addition, it describes the implementation of service assurance components and subsequent auto-scaling testing, using open-source management and orchestration, to dynamically extend or reduce the computing resources allocated to network applications in a softwaredefined and virtualized networking environment, at run time, or as required. Overall, the thesis focuses on proposing, evaluating, testing, and validating solutions in terms of reliability, fault-tolerance, and service assurance using SDN, NFV, and cloud computing-based implementations to determine the feasibility and reliability of software-defined and virtualized networks.

As redes definidas por software e as redes virtualizadas estão a atrair uma atenção significativa, tanto da comunidade de investigação académica como da indústria, devido aos seus impactos construtivos previstos para o desenvolvimento de futuros sistemas de telecomunicações (redes de quinta geração (5G) e mais além). Os fornecedores de serviços de comunicações também terão de se envolver na transformação digital para se adaptarem à próxima geração de serviços de telecomunicações com base nas novas tecnologias de software associadas às redes 5G. Recentemente, vários estudos exploraram vários aspetos destas tecnologias, tais como as redes definidas por software (SDN), virtualização de funções de rede (NFV), computação em nuvem, e computação móvel/multi-acesso no acesso (MEC). Contudo, estão ainda em curso importantes desenvolvimentos de normalização, tanto no que diz respeito à arquitetura em si como ao apoio a ambientes de rede. Por conseguinte, o desenvolvimento de aplicações de rede para redes definidas e virtualizadas por software ainda não acelerou. O advento de tais redes apresenta novos desafios e também abre novos caminhos para o desenvolvimento de novas estratégias, arquiteturas e normas para permitir uma elevada fiabilidade, tolerância a falhas e garantias de serviço em redes 5G e mais além. Nesta linha, esta tese explora as tecnologias SDN, NFV e de computação em nuvem. Os objetivos são de compreender melhor as redes orientadas por software e virtualizadas, abordar os desafios da sua implementação arquitetural, explorar a tolerância a falhas e o apoio à garantia de serviços, delinear obstáculos à implementação comercial a nível conceptual e identificar futuras direções de investigação para o desenvolvimento de redes virtualizadas e definidas por software. A este respeito, este trabalho propõe um projeto de controlo de redes fora da banda, com recuperação automática, centralizado, híbrido, e definido por software, para conceptualizar de forma fiável a gestão e automatização de futuras redes dinâmicas. Além disso, a tese avalia o desempenho das tecnologias de virtualização em cenários 5G fiáveis e apresenta um mecanismo de recuperação que pode permitir a obtenção de um tempo de paragem de serviço quase nulo. Além disso, descreve igualmente a implementação de componentes de qualidade de serviço e subsequentes testes de escalabilidade automática utilizando gestão e orquestração de código aberto, para alargar ou reduzir dinamicamente os recursos informáticos atribuídos a aplicações de rede, num ambiente de rede definido e virtualizado por software, em tempo de execução, ou conforme necessário. Globalmente, a tese centra-se em propor, avaliar, testar e validar soluções em termos de fiabilidade, tolerância a falhas e garantias de serviço, utilizando implementações baseadas em SDN, NFV e computação em nuvem para determinar a viabilidade e fiabilidade de redes definidas e virtualizadas por software.