Programmable, Expressive, and Agile Service Function Chaining for Edge Data Centers

Nome: Cristina Klippel Dominicini
Tipo: Tese de doutorado
Data de publicação: 23/08/2019
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
Magnos Martinello Orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
Christian Rodolfo Esteve Rothenberg Examinador Externo
Luciano Paschoal Gaspary Examinador Externo
Magnos Martinello Orientador
Rafael Pasquini Examinador Externo
Vinicius Fernandes Soares Mota Examinador Interno

Resumo: "O paradigma de computação de borda transfere a capacidade de processamento de grandes centros de dados remotos para centros de dados menores e distribuídos na borda da rede. Essa mudança exige soluções de virtualização de funções de rede (network functions virtualization, NFV) que possam gerenciar e combinar eficientemente um grande número de serviços dinâmicos em um centro de dados com poucos recursos, ao mesmo tempo que garantam que os requisitos de desempenho sejam atendidos.
No entanto, os mecanismos de roteamento das redes de centros de dados tradicionais não são adequados para a composição dinâmica desses serviços, pois são complexos, rígidos, sujeitos a grandes atrasos de propagação de informações de controle e com escalabilidade limitada pelo tamanho das tabelas de encaminhamento. Além disso, as soluções tradicionais de encadeamento de funções de serviço (service function chaining, SFC) são frequentemente desacopladas das decisões de roteamento de rede e restringem as opções de seleção de caminhos por parte da engenharia de tráfego. Dessa forma, o orquestrador NFV não consegue explorar toda a capacidade da rede.
Para resolver esses problemas, esta tese investiga uma proposta de SFC que seja programável, expressiva e ágil para permitir a orquestração dinâmica e eficiente da infraestrutura de rede de centros de dados de borda. Essa proposta é composta por três soluções inter-relacionadas que exploram tecnologias de virtualização e programabilidade de redes de centros de dados com equipamentos de rede comoditizados. A primeira delas, chamada VirtPhy, é uma arquitetura programável que tira proveito das propriedades topológicas de centros de dados centrados em servidores para orquestração de NFV. A segunda solução, chamada KeySFC, é um esquema de SFC independente de topologia, que explora o conceito de redes fabric com uma separação clara entre: (i) comutadores de borda baseados no paradigma de redes definidas por software (software-defined networking, SDN) que classificam fluxos para SFC; e (ii) comutadores de núcleo que executam um mecanismo de roteamento de fonte baseado no sistema numérico de resíduos (residue number system, RNS), que elimina a necessidade de tabelas de encaminhamento. Por fim, a terceira solução, chamada PolKA, é um mecanismo que estende o roteamento de fonte com RNS usando Galois Fields de dois elementos, GF(2), de forma que a representação binária usada no sistema de roteamento seja mais próxima às operações disponibilizadas em equipamentos de rede comoditizados.
Como prova de conceito, foram implementados protótipos de todas as soluções propostas com tecnologias de produção de redes de centros de dados, tais como OpenFlow, OpenStack, Open vSwitch e P4. Os resultados dos testes funcionais e de desempenho mostraram que as propostas conseguem habilitar o encadeamento de funções de rede em centros de dados para computação de borda de forma programável, expressiva, ágil e com baixo custo. Dessa forma, o esquema de SFC proposto consegue entregar ao orquestrador de NFV mecanismos que permitam que a engenharia de tráfego tome decisões otimizadas na seleção de caminhos de redes. Esta tese também abre caminho para a exploração em esquemas de SFC de várias propriedades do roteamento de fonte baseado em RNS, que podem agregar funcionalidades como segurança, reação rápida a falhas e encaminhamento sem reescrita do pacote."

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