Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6558
Main Title: Elastic and dynamic orchestration of service function chains for 5G networks
Translated Title: Elastische und dynamische Orchestrierung des Service Funktionsketten für 5G-Netzwerke
Author(s): Hassan, Ahmed Mohamed Medhat Mohamed Ahmed
Advisor(s): Magedanz, Thomas
Referee(s): Magedanz, Thomas
Küpper, Axel
Ventura, Neco
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: As the telecommunication community moves towards the 5th Generation Mobile Networks (5G), Softwarized Networks are leading the way to a radical development in the Network Operators' infrastructures. New emerging technologies such as Network Function Virtualization (NFV) and Software-Defined Networking (SDN) are the key enablers for managing on-demand resources in softwarized networks. Focusing on the Mobile Core Network architecture, being the most relevant part in future 5G infrastructures, Service Function Chaining is foreseen to be the solution for dynamically steering traffic across multiple Service Functions (SFs) residing in the SGi-Local Area Network (LAN). The increase in the heterogeneous traffic, resulting from augmented number of devices and services, impose multiple challenges when managing Service Function Chains (SFCs). Some applications in the 5G context have critical Quality of Service (QoS) requirements in terms of data latency and demanded throughput such as voice and video calls which are crucial even during stressed situations in the core network. However, the legacy SFC models have limited adaptability and flexibility; they treat the traffic generated by heterogeneous applications similarly regardless of its context or its source. Recently, several related works and specifications have been proposed, and several activities in the open source community have been implemented as prototype solutions to cope with these new challenges and requirements. However, none of the existing works fulfill most of the required functionalities of orchestrating SFCs in NFV-/SDN-based networks, i.e., lifecycle management, in a single and extensible framework. This thesis proposes X-FORCE, an extensible framework for orchestrating SFCs elastically considering the whole lifecycle of SFCs. X-FORCE is compliant to the ETSI NFV Management and Orchestration (MANO) reference architectural model, IETF SFC architecture and ONF SFC architecture. The objectives of X-FORCE are to deploy SFCs and their data paths automatically, support the heterogeneity of SFC network requirements, update the SFC data paths dynamically, manage the full lifecycle of SFCs, and enhance the overall network QoS performances while reducing the costs in network operators' infrastructures. The contributions presented in this thesis can be summarized in four segments: First, a related work review and a requirement analysis were performed. Second, challenges, limitations, opportunities and design aspects for specifying an SFC orchestration model were formulated. Third, a conceptual model, X-FORCE, was specified and its prototypical implementation was realized and integrated as an addition to the Open Baton platform to prove their value in a standard prototype architecture. Fourth, a generic evaluation framework was developed according to the identified requirements to evaluate the limitations of existing and proposed solutions and a performance evaluation of the X-FORCE system is carried out providing a practical view on how to realize its proposed functionalities as part of selected SGi-LAN use cases.
Während sich die Telekommunikationsgemeinschaft auf die fünfte Generation Mobilfunknetze (5G) hin bewegt, sind Softwarized Networks führend in einer radikalen Entwicklung in den Infrastrukturen der Netzbetreiber. Neue aufkommende Technologien wie Network Function Virtualization (NFV) und Software-Defined Networks (SDN) sind die Schlüssel für die Verwaltung von On-Demand-Ressourcen in Softwarized Networks. Mit der Fokussierung auf die Mobile Core Network-Architektur, die in den zukünftigen 5G-Infrastrukturen der wichtigste Teil ist, ist Service Function Chaining die Lösung für die dynamische Steuerung von Traffic über mehrere Service-Funktionen (SFs), die sich im SGi-Local Area Network (LAN) befinden. Die kontinuierliche Zunahme der Anzahl der Geräte und Dienste und somit auch dieser heterogene Verkehr erzwingt mehrere Herausforderungen bei der Verwaltung der Service Function Chains (SFCs). Einige Anwendungen im 5G-Kontext haben kritische Quality of Service (QoS) Anforderungen in Bezug auf Datenlatenz und geforderten Durchsatz, wie z. B. Sprach- und Videoanrufe, die sogar bei stressigen Situationen im Kernnetz entscheidend sind. Allerdings haben die Legacy-SFC-Modelle eine begrenzte Anpassungsfähigkeit und Flexibilität und sie behandeln den von heterogenen Anwendungen erzeugten Verkehr ähnlich, unabhängig von seinem Kontext oder seiner Quelle. In letzter Zeit wurden mehrere ähnliche Arbeiten und Spezifikationen vorgeschlagen, und mehrere Aktivitäten in der Open-Source-Community wurden als Prototyp-Lösungen implementiert, um diese neuen Herausforderungen und Anforderungen zu bewältigen. Jedoch erfüllt keiner der vorhandenen Arbeiten die meisten der erforderlichen Funktionalitäten, um SFCs in NFV-/SDN-basierten Netzwerken, d.h. Lifecycle Management, in einem einzigen und erweiterbaren Rahmen zu orchestrieren. Diese These schlägt X-FORCE vor, ein erweiterbares Framework für die orchestrierenden SFCs, die den gesamten Lebenszyklus von SFCs elastisch berücksichtigen. X-FORCE entspricht dem ETSI NFV Management und Orchestration (MANO) Referenzarchitekturmodell, der IETF SFC Architektur und der ONF SFC Architektur. Ziel von X-FORCE ist es, SFCs und ihre Datenwege automatisch zu implementieren, die Heterogenität der SFC-Netzwerkanforderungen zu unterstützen, die SFC-Datenpfade dynamisch zu aktualisieren, den gesamten Lebenszyklus von SFCs zu verwalten und die Gesamtnetz-QoS-Leistungen zu erhöhen, während die Kosten der Netzbetreiber-Infrastrukturen gesenkt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Beiträge lassen sich in vier Segmente zusammenfassen: Zuerst wurden eine zusammenhängende Arbeitsüberprüfung und eine Anforderungsanalyse durchgeführt. Zweitens wurden Herausforderungen, Einschränkungen, Chancen und Designaspekte für die Spezifizierung eines SFC-Orchestrierungsmodells formuliert. Drittens wurde ein Konzeptmodell, X-FORCE, spezifiziert sowie seine prototypische Implementierung realisiert und als Ergänzung zur Open-Baton-Plattform integriert, um seinen Wert in einer Standard-Prototyparchitektur zu beweisen. Viertens wurde ein generisches Evaluierungs-Framework nach den identifizierten Anforderungen entwickelt, um die Einschränkungen bestehender und vorgeschlagener Lösungen zu bewerten, und eine Leistungsbewertung des X-FORCE-Systems wird durchgeführt, die eine praktische Sicht darauf bietet, wie die vorgeschlagenen Funktionalitäten als Teil der ausgewählten SGi-LAN Use Cases realisiert werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7285
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6558
Exam Date: 15-Nov-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 19-Dec-2017
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): software-defined-networks
network-function-virtualization
service-function-chaining
orchestration
5G
software-definierte Netzwerke
Netzwerkfunktionsvirtualisierung
Servicefunktionskette
Orchestrierung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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