Software-defined networking strategies for efficient next-generation applications

Abstract

Next-generation Internet Applications (NIA), such as smart-cities and multi-media applications like virtual reality, provide the technological foundation and capabilities necessitated for digital transformation in various economic sectors. With the widespread adoption of these applications, network requirements have become increasingly demanding e.g., they require ultra-low delay for rapid decision-making and high throughput for transferring large amounts of data. In this thesis, we focus on the development of efficient network strategies in order to improve the performance of two specific types of NIA: IoT and cloud-native applications. We focus on two primary network environments that require adaptability to fulfill the needs of the aforementioned NIA: (i) large-scale wireless-based IoT deployments (e.g., smart cities) and (ii) cloud environments that host microservice-based applications with heterogeneous resource demands. In this context, we investigate the potential advantages derived from a synergy of cloud computing, Software-Defined Networking (SDN), Named-Data Networking (NDN), and the microservices paradigm in enhancing NIA performance through efficient traffic steering. Also, we argue that the centralized control feature of SDNs is an appropriate solution for integrating these technologies and creating a highly adaptive network ecosystem. The research is concentrated around three key areas: (i) improving IoT applications' adaptability to Wireless Mesh Network (WMN) to ensure consistent and reliable performance; (ii) implementing microservices adaptive load balancing, which implements efficient resource allocation and utilization, enabling applications to handle a larger number of simultaneous requests without performance compromise; and (iii) predicting the impact of individual microservices on network and processing resources, thereby support the decisions of resource allocation control mechanisms. In order to tackle the aforementioned challenges, this research focuses on the development and evaluation of realistic applications and SDN network environments over WMN, including as well as real indoor and outdoor testbeds. The objective is to promote a framework where NIA can exhibit greater responsiveness and resource efficiency by adapting to the dynamic WMNs and cloud resource requirements.

Οι Διαδικτυακές Εφαρμογές Επόμενης Γενιάς (Next-generation Internet Applications, NIA), όπως εφαρμογές του Διαδικτύου των Πραγμάτων (ΙοΤ) και οι εφαρμογές πολυμέσων (π.χ., εικονική πραγματικότητα), παρέχουν την τεχνολογική βάση και τις δυνατότητες που απαιτούνται για τον ψηφιακό μετασχηματισμό σε διάφορους τομείς της οικονομίας. Συνεπώς, με την ευρεία υιοθέτηση αυτών των εφαρμογών οι δικτυακές απαιτήσεις αυξάνονται σημαντικά, π.χ. οι NIA συχνά απαιτούν εξαιρετικά χαμηλή καθυστέρηση για γρήγορη λήψη αποφάσεων, και υψηλή απόδοση για τη μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Σε αυτή τη διατριβή, εστιάζουμε στην ανάπτυξη δικτυακών στρατηγικών για τη βελτίωση της απόδοσης δύο συγκεκριμένων τύπων NIA: (i) εφαρμογές του Διαδικτύου των Πραγμάτων και (ii) εφαρμογές που παρέχονται στο υπολογιστικό νέφος. Η παρούσα διατριβή, επικεντρώνει σε δύο κύρια δικτυακά περιβάλλοντα που απαιτούν προσαρμοστικότητα για την κάλυψη των αναγκών των προαναφερθεισών NIA: (i) μεγάλης κλίμακας ασύρματες αναπτύξεις IoT (π.χ., έξυπνες πόλεις) και (ii) περιβάλλοντα υπολογιστικού νέφους που φιλοξενούν εφαρμογές βασισμένες σε μικροϋπηρεσίες με ετερογενείς απαιτήσεις για υπολογιστικούς πόρους. Σε αυτό το πλαίσιο, ερευνούμε τα πιθανά πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη συνέργεια του: (i) υπολογιστικού νέφους, (ii) των προγραμματιζόμενων δικτύων (Sofrware-Defined Networks, SDN), (iii) της δικτύωσης που βασίζεται σε ονοματοποιημένα δεδομένα (Named-Data Networking, NDN) και (iv) της αρχιτεκτονικής των μικροϋπηρεσιών, στοχεύοντας τη βελτίωση της απόδοσης των NIA μέσω αποτελεσματικής διαχείρισης της κυκλοφορίας. Επίσης, υποστηρίζουμε ότι η δυνατότητα του κεντροποιημένου ελέγχου των SDN είναι κατάλληλη λύση για την ενσωμάτωση των προαναφερθέντων τεχνολογιών επιτρέποντας τη δημιουργία ενός εξαιρετικά προσαρμοστικού δικτυακού οικοσυστήματος. Εστιάζουμε σε τρεις βασικούς άξονες: (i) στη βελτίωση της προσαρμοστικότητας των εφαρμογών IoT που παρέχονται πάνω από δίκτυα ασύρματου πλέγματος, για τη διασφάλιση συνεπούς και αξιόπιστης επικοινωνίας, (ii) στην εφαρμογή εξισορρόπησης φορτίου που προσαρμόζεται στο είδος των μικροϋπηρεσιών, η οποία υλοποιεί αποτελεσματική κατανομή και αξιοποίηση πόρων, επιτρέποντας στις εφαρμογές να ανταποκρίνονται σε μεγαλύτερο αριθμό ταυτόχρονων αιτημάτων χωρίς περιορισμούς στην απόδοση, και (iii) στην πρόβλεψη του αντίκτυπου των μικροϋπηρεσιών στους πόρους, υποστηρίζοντας έτσι τις αποφάσεις των μηχανισμών ελέγχου της κατανομής πόρων. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι προαναφερθείσες προκλήσεις, η έρευνα περιλαμβάνει την ανάπτυξη και αξιολόγηση πραγματικών εφαρμογών και SDN δικτυακών περιβαλλόντων, συμπεριλαμβανομένου και του πειραματισμού σε πραγματικά δίκτυα ασύρματου πλέγματος. Ο στόχος είναι να προωθηθεί ένα πλαίσιο όπου οι NIA θα μπορούν να επιδείξουν μεγαλύτερη απόδοση και αποτελεσματικότερη κατανομή πόρων, προσαρμόζοντας ‘τες στις δυναμικές συνθήκες του εκάστοτε δικτυακού περιβάλλοντος.