Dynaamiset virtualisoidut verkkotoiminnot OpenStack-pilvellä

The amount of mobile data traffic varies during a day, and unpredictable events cause additional temporary load surges to the network cells. However, the traditional approach to scale up network capacity by deploying additional dedicated hardware to the network provides insufficient exibility. A future approach to avoid investments to expensive, dedicated networking devices and increase exibility is to virtualize their functions to software and provide them using a cloud platform on top of generic hardware. Virtualization decouples functionality from the hardware that provides it and cloud platforms automate virtualization management. Thus, increasing the network capacity will become effortless and different technologies, such as live migrations, support function movement across decentralized infrastructure. This thesis describes the construction of an OpenStack-based testbed on top of traditional computing equipment that permits the study of virtualized LTE core networks. In addition, the thesis studies the testbed network performance, live migration procedure feasibility for virtualized network functions, and the performance of a virtualized LTE core network built using open-source network functions via network packet captures. The work indicates that building an open-source, generic hardware cloud platform for a virtualized core network is feasible. The performance evaluation of our testbed and the virtualized core network indicates that they are compliant with the LTE-Advanced delay requirements. However, virtual machine live migrations cause unacceptable downtime to the virtualized functions. Possible solutions to the live migration problem include different live-migration algorithms and technologies, handling the state migration in the application level instead of migrating complete virtual machines, and the employment of application containers as a lighter form of virtualization. Furthermore, the thesis suggests the study of employing Software-Defined Networking technologies to control the testbed networks.Mobiilin dataliikenteen määrä vaihtelee päivän aikana, ja ennalta-arvaamattomat tapahtumat luovat verkon soluihin kuormapiikkejä. Verkon kapasiteetin kasvattaminen verkkolaitteita lisäämällä ei ole riittävän joustavaa. Tulevaisuuden ratkaisu ongelmaan on verkkotoimintojen virtualisointi ja suorittaminen yleiskäyttöisillä laskentalaitteilla verkkolaitteisiin investoimisen sijaan. Virtualisointi kytkee toiminnallisuuden irti sen tarjoavasta laitteistosta ja pilvialustat automatisoivat virtualisoinnin hallinnan. Näin kapasiteetin kasvattaminen tulee helpommaksi ja erilaiset tekniikat, kuten virtuaalikoneen ajonaikainen siirtäminen, mahdollistavat toimintojen siirtämisen hajautetussa laitteistossa. Tämä diplomityö esittää virtualisoidun LTE-ydinverkon mahdollistavan OpenStack-pohjaisen tutkimusalustan luomisen. Lisäksi työ tutkii pakettikaappauksien avulla alustan verkon suorituskykyä, käynnissä olevan virtuaalikoneen siirtämisen soveltuvuutta virtualisoiduille verkkotoiminnoille ja avoimen lähdekoodin ohjelmistoilla toteutetun LTE-verkkojärjestelmän suorituskykyä. Työn perusteella voidaan todeta, että avoimeen lähdekoodiin ja yleiskäyttöiseen laskentalaitteistoon perustuva alusta LTE:n ydinverkolle on mahdollista toteuttaa. Alustan ja sen päälle toteutetun verkkojärjestelmän suorituskyky myös vastaa LTE-standardin vaatimuksia viiveiden osalta. Käynnissä olevan virtuaalikoneen siirtäminen toisaalta aiheuttaa liian pitkän katkon verkkotoimintojen suoritukseen. Tulevaisuudessa tutkittaviksi mahdollisiksi ratkaisuiksi virtuaalikoneen siirtämisestä aiheutuviin ongelmiin diplomityö toteaa erilaiset siirtoalgoritmit ja -tekniikat, ohjelmistotason tilansiirto koko virtuaalikoneen siirtämisen sijaan sekä ohjelmistokonttien (container) käyttäminen. Lisäksi työ ehdottaa ohjelmistomääritteisen verkotuksen (SDN) käytön selvittämistä virtuaalisten ja fyysisten verkkolaitteiden hallintaan