Orchestration de tranches de réseau cloud natives dans la 5G et au-delà

Cloud Native Network Slice Orchestration in 5G and Beyond

• Auteur / Autrice : Sagar Arora
• Direction : Adlen Ksentini, Christian Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Raymond Knopp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amina Boubendir, Pantelis Frangoudis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Turletti, Lyes Khoukhi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conteneurs (informatique)

Informatique dans les nuages

SDN (architecture des réseaux d'ordinateurs)

5G (téléphonie mobile)

Systèmes virtuels (informatique)

Mots clés libres

5G et au-delà

Orchestration cloud native

Tranches de réseau

CNF

MEC

5G and Beyond

Cloud native Orchestration

Network slicing

CNF

MEC

Résumé

La virtualisation des fonctions réseau (NFV) est le pilier fondateur de l'architecture 5G basée sur les services. La NFV a débuté en 2012, avec les fonctions de réseau virtuelles (VNF) basées sur les machines virtuelles (VM). Les conteneurs sont devenus une technologie alternative de conditionnement intéressante pour la virtualisation des fonctions réseau. Le conteneur est léger en termes de consommation de ressources ce qui améliore son temps d'instanciation. Outre les fonctions de réseau, la conteneurisation peut être un outil prometteur pour les applications multi-access edge computing (MEC) qui abritent des services exigeants à faible latence. La rareté des ressources à la périphérie du réseau exige des technologies qui utilisent efficacement les ressources de calcul, de stockage et de mise en réseau. La conteneurisation est censée être utilisée dans le cadre des principes fondamentaux de la conception d'applications cloud-native, une architecture basée sur des microservices à couplage lâche, d'une évolutivité à la demande et d'une résilience élevée. La flexibilité et l'agilité des conteneurs peuvent certainement profiter au découpage du réseau 5G en tranches,ces derniers reposent fortement sur NFV et MEC. Le concept de découpage du réseau permet de créer des réseaux logiques isolés au-dessus du même réseau physique. Une tranche de réseau peut avoir des fonctions de réseau dédiées, partagées entre plusieurs tranches. En effet, l'orchestration des tranches de réseau nécessite une interaction avec de multiples orchestrateurs de domaines technologiques: l'accès radio, le transport, le réseau central et l'informatique périphérique. Le changement de paradigme consistant à utiliser des principes de conception d'applications cloud-natives a créé des défis pour les systèmes d'orchestration existants et les normes NFV et MEC de l'ETSI. Ces derniers ont été conçus pour gérer des fonctions de réseau basées sur des machines virtuelles. Ils sont donc limités dans leur approche de la gestion d'une fonction de réseau cloud-native. Par le présent manuscrit, nous examinons les normes existantes de l'ETSI NFV, de l'ETSI MEC et des orchestrateurs de services/tranches de réseau, nous proposons de résoudre les défis liés à l'orchestration de tranches de réseau multi-domaines cloud-native. Pour cela, nous proposons tout d'abord un service d'information sur le réseau radio (RNIS) MEC qui a la capacité de fournir des informations radio au niveau de l'abonné dans un environnement NFV. Deuxièmement, nous fournissons un algorithme d'allocation et de placement dynamique des ressources (DRAP) pour placer les services réseau cloud-natives en tenant compte de leur matrice de coût et de disponibilité. Troisièmement, en combinant NFV, MEC et Network Slicing, nous proposons un nouveau mécanisme d'orchestration de tranches MEC (LeSO) pour surmonter les défis liés à l'orchestration de tranches MEC. Quatrièmement, le mécanisme proposé offre un modèle de déploiement de tranches de réseau qui permet de multiples possibilités de conception d'applications MEC. Ces possibilités ont été étudiées plus en détails pour comprendre l'impact de l'architecture de conception microservice sur la disponibilité et la latence de l'application. Enfin, tous ces travaux sont combinés pour proposer une nouvelle approche d'orchestration de tranches légères Cloud-native (CLiSO) étendant le précédant mécanisme d'orchestration de tranches légères de bord (LeSO). Cette nouvelle approche offre un modèle de tranche de réseau agnostique sur le plan technologique et orienté déploiement. La solution a été évaluée de manière approfondie en orchestrant les fonctions réseau du conteneur OpenAirInterface sur des plateformes de cloud public et privé. Les résultats expérimentaux montrent que la solution proposée a des empreintes de ressources plus faibles que les orchestrateurs existants et prend moins de temps pour orchestrer les tranches de réseau.

Network Function Virtualization (NFV) is the founding pillar of 5G Service Based Architecture. It has the potential to revolutionize the future mobile communication generations. NFV started long back in 2012 with Virtual-Machine (VM) based Virtual Network Functions (VNFs). The use of VMs raised multiple questions because of the compatibility issues between VM hypervisors and their high resource consumption. This made containers to be an alternative network function packaging technology. The lightweight design of containers improves their instantiation time and resource footprints. Apart from network functions, containerization can be a promising enabler for Multi-access Edge Computing (MEC) applications that provides a home to low-latency demanding services. Edge computing is one of the key technology of the last decade, enabling several emerging services beyond 5G (e.g., autonomous driving, robotic networks, Augmented Reality (AR)) requiring high availability and low latency communications. The resource scarcity at the edge of the network requires technologies that efficiently utilize computational, storage, and networking resources. Containers' low-resource footprints make them suitable for designing MEC applications. Containerization is meant to be used in the framework of cloud-native application design fundamentals, loosely coupled microservices-based architecture, on-demand scalability, and high resilience. The flexibility and agility of containers can certainly benefit 5G Network Slicing that highly relies on NFV and MEC. The concept of Network slicing allows the creation of isolated logical networks on top of the same physical network. A network slice can have dedicated network functions or its network functions can be shared among multiple slices. Indeed, network slice orchestration requires interaction with multiple technological domain orchestrators, access, transport, core network, and edge computing. The paradigm shift of using cloud-native application design principles has created challenges for legacy orchestration systems and the ETSI NFV and MEC standards. They were designed for handling virtual machine-based network functions, restricting them in their approach to managing a cloud-native network function. The thesis examines the existing standards of ETSI NFV, ETSI MEC, and network service/slice orchestrators. Aiming to overcome the challenges around multi-domain cloud-native network slice orchestration. To reach the goal, the thesis first proposes MEC Radio Network Information Service (RNIS) that can provide radio information at the subscriber level in an NFV environment. Second, it provides a Dynamic Resource Allocation and Placement (DRAP) algorithm to place cloud-native network services considering their cost and availability matrix. Third, by combining NFV, MEC, and Network Slicing, the thesis proposes a novel Lightweight edge Slice Orchestration framework to overcome the challenges around edge slice orchestration. Fourth, the proposed framework offers an edge slice deployment template that allows multiple possibilities for designing MEC applications. These possibilities were further studied to understand the impact of the microservice design architecture on application availability and latency. Finally, all this work is combined to propose a novel Cloud-native Lightweight Slice Orchestration (CLiSO) framework extending the previously proposed Lightweight edge Slice Orchestration (LeSO) framework. In addition, the framework offers a technology-agnostic and deployment-oriented network slice template. The framework has been thoroughly evaluated via orchestrating OpenAirInterface container network functions on public and private cloud platforms. The experimental results show that the framework has lower resource footprints than existing orchestrators and takes less time to orchestrate network slices.