Network virtualisation from an operator perspective

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaNetwork virtualisation is seen as a promising approach to overcome the so-called “Internet impasse” and bring innovation back into the Internet, by allowing easier migration towards novel networking approaches as well as the coexistence of complementary network architectures on a shared infrastructure in a commercial context. Recently, the interest from the operators and mainstream industry in network virtualisation has grown quite significantly, as the potential benefits of virtualisation became clearer, both from an economical and an operational point of view. In the beginning, the concept has been mainly a research topic and has been materialized in small-scale testbeds and research network environments. This PhD Thesis aims to provide the network operator with a set of mechanisms and algorithms capable of managing and controlling virtual networks. To this end, we propose a framework that aims to allocate, monitor and control virtual resources in a centralized and efficient manner. In order to analyse the performance of the framework, we performed the implementation and evaluation on a small-scale testbed. To enable the operator to make an efficient allocation, in real-time, and on-demand, of virtual networks onto the substrate network, it is proposed a heuristic algorithm to perform the virtual network mapping. For the network operator to obtain the highest profit of the physical network, it is also proposed a mathematical formulation that aims to maximize the number of allocated virtual networks onto the physical network. Since the power consumption of the physical network is very significant in the operating costs, it is important to make the allocation of virtual networks in fewer physical resources and onto physical resources already active. To address this challenge, we propose a mathematical formulation that aims to minimize the energy consumption of the physical network without affecting the efficiency of the allocation of virtual networks. To minimize fragmentation of the physical network while increasing the revenue of the operator, it is extended the initial formulation to contemplate the re-optimization of previously mapped virtual networks, so that the operator has a better use of its physical infrastructure. It is also necessary to address the migration of virtual networks, either for reasons of load balancing or for reasons of imminent failure of physical resources, without affecting the proper functioning of the virtual network. To this end, we propose a method based on cloning techniques to perform the migration of virtual networks across the physical infrastructure, transparently, and without affecting the virtual network. In order to assess the resilience of virtual networks to physical network failures, while obtaining the optimal solution for the migration of virtual networks in case of imminent failure of physical resources, the mathematical formulation is extended to minimize the number of nodes migrated and the relocation of virtual links. In comparison with our optimization proposals, we found out that existing heuristics for mapping virtual networks have a poor performance. We also found that it is possible to minimize the energy consumption without penalizing the efficient allocation. By applying the re-optimization on the virtual networks, it has been shown that it is possible to obtain more free resources as well as having the physical resources better balanced. Finally, it was shown that virtual networks are quite resilient to failures on the physical network.A virtualização de rede é vista como uma abordagem promissora para ultrapassar o “Impasse da Internet” e permitir inovação na Internet, possibilitando assim uma migração fácil para novas abordagens de redes, bem como a coexistência de arquiteturas de redes complementares numa infraestrutura compartilhada e em ambiente comercial. Recentemente tem crescido de forma bastante significativa o interesse pela virtualização de rede por parte dos operadores e dos grandes fabricantes, desde que os potenciais benefícios da virtualização se tornaram claros, tanto de ponto de vista económico como operacional. No início, o conceito foi versado pelo meio académico, onde foram realizadas provas de conceito de pequena escala, e em que a virtualização de rede foi considerada como forma de investigação de novos protocolos. Esta Tese de Doutoramento tem como objetivo geral dotar uma rede de operador de um conjunto de mecanismos e algoritmos capazes de gerir e controlar redes virtuais. Para este fim, é proposta uma framework que visa alocar, monitorizar e controlar recursos virtuais de uma forma centralizada e eficiente. De forma a analisar o desempenho da framework, procedeu-se à sua implementação e avaliação numa rede de pequena dimensão. De forma a permitir que se possa efetuar uma alocação eficiente, em tempo real, e a pedido, de redes virtuais numa rede física, é proposta uma heurística para efetuar o mapeamento na rede física. Para que o operador de rede possa rentabilizar ao máximo a sua infraestrutura de rede, é ainda proposta uma formulação matemática que, através de programação linear, visa maximizar o número de redes alocadas na infraestrutura de rede. Dado que o consumo energético de uma infraestrutura de rede começa a ter significância nos custos de operação, é importante que se faça a alocação das redes virtuais no menor número de recursos físicos e também em recursos físicos ativos. Para endereçar este desafio é proposta uma formulação matemática que visa minimizar o consumo energético da rede física sem afetar a eficiência da alocação de redes virtuais. Para minimizar a fragmentação da infraestrutura de rede e ao mesmo tempo aumentar as receitas do operador, é também estendida a formulação inicial para contemplar a re-otimização de redes virtuais previamente mapeadas, fazendo com que o operador tenha um melhor aproveitamento da sua infraestrutura física. Será ainda necessário endereçar a migração de redes virtuais, quer por motivos de balanceamento de carga, quer por motivos de falha iminente de recursos físicos, sem afetar o bom funcionamento da rede virtual. Para este fim, é proposto um método baseado em técnicas de clonagem, para efetuar a migração de redes virtuais entre recursos da infraestrutura física de forma transparente e sem impacto para a rede virtual. De forma a avaliar a resiliência das redes virtuais a falhas na rede física, e ao mesmo tempo obter a solução ótima de migração de redes virtuais em caso de falha iminente dos recursos físicos, a formulação matemática é estendida para minimizar o número de nós migrados em simultâneo com a realocação de ligações virtuais. Em comparação com as nossas propostas de otimização verificou-se que as heurísticas existentes para mapeamento de redes virtuais têm um desempenho muito baixo. Verificou-se ainda que é possível efetuar a redução do consumo energético sem a penalização da alocação eficiente. Com a re-otimização das redes virtuais mostrou-se que é possível obter mais recursos livres, assim como obter uma melhor distribuição dos recursos. Por último, demonstrou-se que as redes virtuais são bastante resilientes a falhas na rede física