Migration et instanciation dynamique des microservices avec garantie de performance de bout en bout

Dynamic migration and instantiation of microservices with end-to-end service chain performance guarantee

• Auteur / Autrice : Kiranpreet Kaur
• Direction : Stefano Secci, Fabrice Guillemin, Françoise Sailhan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris) - Centre d'études et de recherche en informatique et communications / CEDRIC
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Géraldine Texier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Secci, Fabrice Guillemin, Françoise Sailhan, André-Luc Beylot, Yassine Hadjadj Aoul, Pierre Guillaume, Ravi Mazumdar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André-Luc Beylot, Yassine Hadjadj Aoul

Mots clés

Mots clés contrôlés

iCloud (informatique)

Thèses et écrits académiques -- Catalogage

Mots clés libres

Virtualisation de réseau

Placement de microservices

Migration multi-Cluster

Migration live

Kubernetes

Fonction de réseau conteneurisé

Network virtualization

Microservices placement

Multi-Cluster migration

Live migration

Kubernetes

Containerized network function

Résumé

Les microservices et la conteneurisation jouent un rôle prédominant au niveau de la conception des fonctions de réseau virtualisées (VNF) largement adoptées par l’industrie du cloud des télécommunications. L’utilisation croissante des microservices pour les services basés sur la 5G/6G pousse l’industriedes télécommunications à trouver des moyens efficaces d’exploiter les nouvelles technologies de communication et d’informatique. En pratique, l’approche cloud-native implique de petits microservices faiblement couplés qui sont déployés dans des conteneurs et mis à l’échelle (à la hausse et à la baisse) sur des serveurs/centres de données distribués dans le cloud. Orchestrer soigneusement l’allocation et la réorganisation des (micro)services pour éviter un espace de solution déséquilibré et largement segmenté dans un environnement dynamique où les services arrivent et quittent le réseau reste un défi. Par conséquent, cette thèse de doctorat vise à relever le défi de la migration et de l’instanciation dynamique de microservices conteneurisés dans une architecture cloud distribuée tout en maintenant les performances de la chaı̂ne de services de bout en bout dans un objectif d’échange à faible latence.Pour atteindre cet objectif, notre première contribution correspond à une stratégie de placement sensible à la latence pour les services 5G/6G sur un réseau de substrat. La stratégie a été étudiée du point de vue de leur interdépendance et de la quantité de trafic entre les microservices, ce qui a augmenté la latence du service en raison du retard associé aux messages transitant par le réseau de transport reliant les centres de données. L’approche proposée tend à minimiser la latence globale de bout enbout, à l’aide d’une heuristique hybride évaluée grâce à une simulation.De plus, pour permettre le placement lors de l’exécution des microservices et atteindre son optimalité dans un système dynamique, nous nous appuyons sur une approche qui tend à déclencher la migration et la gestion dynamiques des CNF tout en considérant l’ensemble du cycle de vie des conteneurs sur la base d’un cas d’utilisation: un cœur de réseau 5G open-source nommé Magma. Ici, nous avonsintroduit trois heuristiques pour résoudre le modèle d’optimisation formalisé en ce qui concerne la migration des microservices à travers une architecture de centre de données hétérogène. Les résultats évalués grâce à une simulation montrent de meilleures performances de l’approche de migration qui tend à minimiser la latence globale.D’un point de vue plus pratique, nous avons réalisé une étude approfondie sur diverses techniques de migration basée sur des conteneurs en utilisant les outils d’orchestration populaires (tels que: Kubernetes, Docker Compose et Docker Swarm, etc.) pour développer un banc d’essai basé sur Kubernetes.Un travail final considéré comme une preuve de concept (PoC) a été développé pour illustrer la migration de pods entre des clusters Kubernetes distants. Comme cas d’utilisation, nous considérons la migration d’une fonction réseau appartenant à un cœur de réseau 5G open source (à savoir, Magma).

The microservices and containerization plays an important role in the design of in the design of Virtualized Network Functions (VNFs), which are widely adopted by the telco-cloud industry. In practice, the cloud-native approach involves small and loosely coupled microservices that are deployed in containers and scaled (up and down) on distributed cloud servers/ data-centers. This is still a challenge to carefully orchestrate the allocation and rearrangement of (micro)services to avoid an in-balanced and a largely segmented solution space in a dynamic environment where services are arriving and leaving the network.Therefore, this PhD thesis aims to tackle the challenge of migrating and dynamic instantiation of containerized microservices in a distributed cloud architecture while maintaining the end-to-end service chain performance with the objective of low-latency exchange.To meet this objective, our first proposed contribution enables the latency-aware placement strategy for 5G/6G services over a substrate network. The strategy has been investigated from the perspective of their inter-dependency and the amount of traffic among microservices, which increased the service latency due to the delay associated with messages transiting through the transport network connectingdata centers. The proposed approach tends to minimize the global end-to-end latency, which is further solved using a hybrid heuristic algorithm and evaluated through the simulation experiments. Further, to allow the run-time placement of microservices and attain its optimality in a dynamic system, we rely on an approach that tends to trigger the dynamic migration and management of CNFs while considering the whole life cycle of containers on the basis of a driving use-case: an open-source 5G core network namely Magma. Here, we introduced three heuristic strategies to solve the formalized optimization model on migrating microservices across heterogeneous data center architecture. The evaluated results executed through the simulation shows better performance of the migration approachthat tends to minimize the global latency.Moving towards a more practical point-of-view, we performed an extensive study on various container-based migration techniques utilizing the popular orchestration tools (such as: Kubernetes, Docker Compose and Docker swarm etc.) to develop a Kubernetes based test-bed. A final work considered as a Proof-Of-Concept (PoC) has been developed to illustrate live migration of pods between remote Kubernetes clusters. As a use case, we consider the migration of a network function belonging to an open source 5G core network (namely, Magma).