Ενσωμάτωση εικονικών δικτύων σε διαμοιραζόμενες φυσικές υποδομές

Abstract

In the present PhD thesis, analysis and evaluation of the resource allocation problem of virtual recources over physical infrastructures is conducted. In the first part of the thesis, an introduction to the theory of virtual networks and the problem of virtual network embedding is presented. Emphasis is placed on the emerging challenges as well as the limitations that the problem needs to overcome. Following, a presentation of a virtual network embedding methodology is made that can facilitate the allocation of a heterogeneous pool of resources over a physical infrastructure in real time. Specifically, a new resource mapping algorithm is proposed, while a simulator is used and extended to evaluate and compare the algorithm with other existing techniques. The second part of the study deals with the problem of resource allocation in case of multiple federated physical infrastructures. A new simple and efficient partitioning algorithm of a virtual request is developed for the virtual resource allocation over a set of heterogeneous physical infrastructures. Following, the study is extended by incorporating the social-oriented characteristics of the physical infrastructure during the virtual network embedding. Specifically, a new virtual network embedding algorithm is developed, taking into consideration the popularity of the physical nodes of the underlying infrastructure. This way a solution closer to the optimal can be produced leveraging the efficient utilization of the physical resources.Taking into account, the promising results from the integration of social-oriented characteristics of the physical infrastructure during the solution, the study continues with the design and development of a content delivery network application over virtualized infrastructures, while using the social network analysis. The new embedding algorithm needs to take into consideration both the constraints and challenges of the virtual network embedding as well as the contraints and challenges that the traditional content delivery networks pose. The new objective is to design an effective virtual network with low development and operational cost, while providing the appropriate level of Quality of Service to the end users. Initially, the proposed framework is evaluated through an appropriate set of experiments in case of multiple federated physical wired infrastructures. Following, the framework is extended and evaluated in real time over a set of wireless experimental testbeds. The goal is to validate the feasibility of the solution, while developing a new hierarchical architecture for the design, embedding and operation of the virtual content delivery network. The last part of the thesis identifies the issues rising from the growing power consumption in the physical infrastructures. Specifically, it is considered how an efficient resource allocation scheme can contribute to the reduction of the power consumption and the operational cost of the physical infrastructure. Towards this direction, firstly the main sources of power consumption in the physical infrastructure are identified, while a new algorithm is proposed with the objective of minimizing the total power consumption without however reducing the level of quality of service provided and the efficient allocation of the physical resources. Finally, the thesis presents the main conclusions of the study along with interesting future challenges

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύεται το πρόβλημα της κατανομής εικονικών πόρων σε φυσικές υποδομές. Στο πρώτο μέρος, παρουσιάζεται η θεωρία των εικονικών δικτύων και το πρόβλημα της ενσωμάτωσης εικονικών δικτύων. Έμφαση δίνεται στις προκλήσεις και στους περιορισμούς που έχει να αντιμετωπίσει το πρόβλημα που μελετάται. Ακολουθεί η περιγραφή των τεχνικών και αλγορίθμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση των δυσκολιών που ανακύπτουν. Στην συνέχεια παρουσιάζεται το πρόβλημα της βέλτιστης ενσωμάτωσης εικονικών δικτύων για την κατανομή ετερογενών υπολογιστικών και δικτυακών πόρων της φυσικής υποδομής σε πραγματικό χρόνο. Συγκεκριμένα, προτείνεται ένας αλγόριθμος για την αντιστοίχιση των εικονικών πόρων, ενώ χρησιμοποιείται και επεκτείνεται ένας κατάλληλος προσομοιωτής για την αξιολόγηση και σύγκριση του με άλλες τεχνικές. Το δεύτερο κομμάτι της διατριβής, αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ανάθεσης πόρων σε περίπτωση ύπαρξης πολλαπλών ομόσπονδων υποδομών. Αναπτύσσεται ένας αποδοτικός, γρήγορος και εύκολα υλοποιήσιμος αλγόριθμος για την τμηματοποίηση ενός εικονικού δικτύου και την ανάθεση πόρων από ένα σύνολο ετερογενών υποδομών με την χρήση μιας κατάλληλης μεταευρετικής τεχνικής. Η διατριβή συνεχίζεται με την μελέτη των κοινωνικών χαρακτηριστικών του δικτύου κατά την ενσωμάτωση του εικονικού δικτύου. Συγκεκριμένα αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος ενσωμάτωσης εικονικών δικτύων λαμβάνοντας υπόψη την σημαντικότητα των κόμβων της φυσικής υποδομής ώστε να εξαχθεί μια αποδοτική λύση και να χρησιμοποιηθούν οι φυσικοί πόροι της υποδομής όσο το δυνατόν πιο αποδοτικά γίνεται. Λαμβάνοντας υπόψη τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα από την χρήση των κοινωνικών χαρακτηριστικών του φυσικού δικτύου κατά την διάρκεια της ενσωμάτωσης των εικονικών δικτύων, η διατριβή συνεχίζει με την ανάπτυξη μιας εφαρμογής δημιουργίας δικτύων διανομής περιεχομένου πάνω από εικονικές υποδομές, κάνοντας χρήση της ανάλυσης των κοινωνικών δικτύων. Ο αλγόριθμος που αναπτύσσεται λαμβάνει υπόψη τόσο τους περιορισμούς και τις προκλήσεις της ενσωμάτωσης εικονικών δικτύων όσο και τις προκλήσεις και τους περιορισμούς που προκύπτουν από τα ίδια τα δίκτυα διανομής περιεχομένου. Στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα αποτελεσματικό δίκτυο το οποίο να απαιτεί ένα χαμηλό κόστος ανάπτυξης και λειτουργίας ενώ ταυτόχρονα να παρέχει την κατάλληλη ποιότητα υπηρεσίας προς τους τελικούς χρήστες. Αρχικά η προτεινόμενη λύση αξιολογείται μέσω προσομοίωσης για περίπτωση ύπαρξης πολλαπλών υποδομών σε ενσύρματο περιβάλλον. Στην συνέχεια η λύση επεκτείνεται και αξιολογείται σε πραγματικό χρόνο πάνω από ένα σύνολο ασύρματων πειραματικών πλατφόρμων, με στόχο την επαλήθευση της σωστής λειτουργίας αλλά και την ανάπτυξη και δημιουργία μιας κατάλληλης αρχιτεκτονικής για την σχεδίαση, ενσωμάτωση και λειτουργία των δικτύων διανομής περιεχομένου σε ένα περιβάλλον εικονικοποίησης. Τέλος η διατριβή αυτή αναγνωρίζει το πρόβλημα της αυξημένης κατανάλωσης ενέργειας που παρατηρείται στο περιβάλλον εικονικοποίησης και μελετά πως η αποδοτική κατανομή των πόρων μπορεί να συμβάλλει στην μείωση του οικολογικού και λειτουργικού κόστους της φυσικής υποδομής. Για τον λόγο αυτό αναγνωρίζονται οι κύριες πηγές κατασπατάλησης ισχύος στους πόρους της φυσικής υποδομής, ενώ προτείνεται ένας κατάλληλος αλγόριθμος με στόχο την μείωση της συνολικής κατανάλωσης ισχύος χωρίς να επηρεάζεται η απόδοση της λύσης ως προς την παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσίας και την αποδοτική κατανομή των πόρων. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές κατευθύνσεις της διατριβής.