De acuerdo con recientes predicciones [1] el tr谩fico de datos m贸viles crecer谩 7 veces
entre 2017 y 2022, llegando a generar 77 exabytes de datos mensuales. Este incremento en
el consumo de datos crecer谩 de la mano de servicios innovadores que incluir谩n video 8K,
realidad virtual, realidad aumentada o juego remoto en la nube, adem谩s del gran n煤mero
de dispositivos inteligentes que formar谩n parte de las llamadas ciudades inteligentes,
casas inteligentes y el internet de las cosas (IoT). Por esta raz贸n, se espera que las
redes de transporte m贸viles del futuro (5G y futuras generaciones) ofrezcan un gran
ancho de banda, nunca visto anteriormenente y una latencia m铆nima que permitan el
desarrollo de estos futuros servicios ralmente innovadores. Estas redes del futuro no s贸lo
evolucionar谩n buscando un incremento sustancial en el rendimiento, tambi茅n ofrecer谩n una
reducci贸n del gasto de operacion (OPEX) y el gasto de capital (CAPEX) para conseguir
un retorno de inversi贸n (ROI) razonable. Estos estrictos requisitos no ser谩n impulsados
煤nicamente por la introducci贸n de especto radioel茅ctrico de ondas milim茅tricas, requerir谩
un completo redise帽o de la arquitectura actual, evolucionando hacia una arquitectura
basada en servicios.
El primer segmento de red que sufrir谩 este profundo redise帽o ser谩 la red de acceso
(RAN), adoptando el concepto de Centralized/Cloud RAN (C-RAN), separando las distinas
funcionalidades de los puntos de acceso, situando las funcionalidades b谩sicas de radio
de menor nivel en la capa de protocolos en una unidad remota, centralizando por otro
lado las funcionalidades de las capas superiores en unidades centralizadas. Las divisiones
funcionales (functional splits) tradicionales utilizadas en redes 4G est谩n basadas en el
protocol Common Public Radio Interface (CPRI), este protocolo requiere de una red de
circuitos dedicada con unos requisitos de latencia y ancho de banda muy estrictos, estos
requisitos de ancho de banda son linealmente proporcionales al n煤mero de antenas, lo
que pr谩cticamente imposibilita su uso en despliegues 5G ultra densos. Por esa raz贸n
nuevos functional splits est谩n siendo investigados, focalizando los esfuerzos en el uso de
Ethernet como tecnolog铆a convergente, hecho que a su vez difumina la separaci贸n entre
los segmentos de red de fronthaul y backhaul, conduciendo a una red integrada basada
en paquetes, normalmente denominada como crosshaul. Este movimiento hacia una red
totalmente paquetizada relaja extremadamente los requisitos de la red de transporte, abriendo oportunidades a soluciones virtualizadas, promoviendo el uso de tecnolog铆as como
Software Defined Networking (SDN) y Network Function Virtualization (NFV).
SDN ha emergido como una potente herramienta para los operadores para gestionar
sus infraestructuras, este paradigma ofrece la posibilidad de ejecutar m煤ltiples aplicaciones
inteligentes con el prop贸sito de optimizar la red gracias a la centralizaci贸n de la l贸gica de
la red en un controlador. Sin embargo, la propia naturaleza que permite esta gesti贸n tan
eficiente y flexible, la centralizaci贸n l贸gica, a su vez plantea numerosos desaf铆os debido
a la falta de herramienas de monitorizaci贸n apropiadas para este tipo de arquitecturas
de red. Para poder ejecutar decisiones de manera correcta y precisa el controlador (y
las aplicaciones que ejecuta) necesita obtener datos y estad铆stacas de la red de manera
continua y actualizada. Sin embargo, esto no es posible con las soluciones de red basadas
en SDN existentes actualmente, debido a diversos problemas de escalabilidad y precisi贸n.
Adem谩s, la centralizaci贸n l贸gica del plano de control tambi茅n presenta problemas de
fiabilidad y seguridad ya que un controlador centralizado es un punto 煤nico de fallo,
siendo un imporante foco de inter茅s para conseguir la fiabilidad requerida en las redes de
operador.
La clara tendencia hacia la softwarizaci贸n no se limita solamente a la inclusi贸n del
paradigma SDN, va de la mano de la virtualizaci贸n de funciones de red. Por esta raz贸n
las redes m贸viles del futuro har谩n un uso intensivo de los centros de datos, ejecutando la
mayor铆a de los servicios de red de manera virtualizada. La ejecuci贸n de estos servicios
de manera virtualizada no se relizar谩 exclusivamente en grandes centros de datos en la
nube (cloud), tambi茅n se utilizar谩n peque帽os centros de datos situados en el borde de
la red (edge) y en la niebla (fog), con el objetivo de reducir la latencia. Esta creciente
demanda est谩 llevando a la infraestructura de red de los centros de datos al l铆mite, cuyos
requisitos en t茅rminos no solo de latencia y ancho de banda, sino tambi茅n de escalabilidad
y fiabilidad cada vez son m谩s estrictos. Los algoritmos de switching tradicionales de
centros de datos basados en capa 2 utilizan lookup tables, llenas de direcciones Media
Access Control (MAC) de 48-bits donde el switch buscar谩 el siguiente salto al que enviar el
paquete. Recientemente, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802 ha
definido nuevos mecanismos para el uso estructurado del espacio local de direcciones MAC.
Esto permite introducir sem谩ntica en el espacio de direcci贸n y utilizarlo en aplicaciones
para mejorar todo el proceso de reenv铆o de paquetes.
Desde esta perspectiva, esta tesis propone un conjunto de soluciones y arquitecturas
basadas en SDN para la siguiente generaci贸n de redes, incluyendo tanto el segmento
de transporte como los centros de datos. Comenzando con la red de transporte m贸vil,
esta tesis presenta un novedoso dise帽o de una red crosshaul completamente integrada,
implementada y desplegada utilizando whiteboxes. El dise帽o del pipeline de los elementos de
la red crosshaul ha sido cuidadosamente optimizado, elminando todas las operaciones que
impactaban negativamente en la latencia, adecu谩ndolo para los functional splits de m谩s bajo nivel. El dise帽o de la red crosshaul mostrado en esta tesis ha sido cuidadosamente evaluado,
convirti茅ndose en la primera validaci贸n emp铆rica de una red crosshaul completamente
integrada, capaz de transportar flujos de diferentes functional splits sobre la misma
infraestructura de red.
La soluci贸n de crosshaul basada en SDN detallada en este trabajo est谩 acompa帽ada
de un conjunto de herramientas para mejorar las funciones del plano de control. Esta
tesis presenta y eval煤a un conjunto de herramientas de monitorizaci贸n denotadas como
Adaptative Telemetry System (ATS), dise帽adas con el objetivo de habilitar la ejecuci贸n
de tareas Operation Administration and Maintenance (OAM) localmente en los switches,
soportando la obtenci贸n de m茅tricas de red de manera activa y precisa, incluyendo un
sistema de reporte al plano de control, cumpliendo con los requisitos exigidos por las
redes de operador. La soluci贸n propuesta est谩 formada de una aplicaci贸n, un plugin
y un agente local ATS que permite la configuraci贸n remota de procedimientos OAM
utilizando m谩quinas de estado finitas, siendo completamente compatible con el est谩ndar
de OpenFlow. Esta tesis tambi茅n se centra en los problemas de fiabilidad existentes en la
propia naturaleza centralizada del paradigma SDN, presentando el dise帽o y la evaluaci贸n
de de una soluci贸n basada en la utilizaci贸n de protocolos multipath para robustecer la
conectividad del canal de control. La soluci贸n presentada en esta tesis utiliza un protocolo
multipath para la creaci贸n de m煤ltiples caminos redundantes a trav茅s de redes in-band
y out-of-band, permitiendo migrar la conexi贸n de control de una ruta a otra de manera
segura y estable, sin ninguna interrupci贸n.
Finalmente, esta tesis tambi茅n investiga las oportunidades presentes en las nuevos
mecanismos de direccionamiento propuestos en IEEE 802 mencionados previamente para
su aplicaci贸n en redes de centros de datos. Esta tesis incluye un novedoso dise帽o basado
en Software Defined Addressing (SDA) que permite introducir sem谩nticas en el espacio
de direccionamiento MAC, dando significado a la direcciones, eliminado por tanto la
necesidad de table lookups. Esta tesis detalla una validaci贸n unitaria, comparando la
soluci贸n propuesta con una soluci贸n SDN est谩ndar, obteniendo unos resultados realmente
positivos. Despu茅s de la validaci贸n unitaria esta tesis detalla una evaluaci贸n completa
de un caso de uso potencial de la soluci贸n propuesta. Este caso de uso pretende separar
los flujos peque帽os realmente sensibles a la latencia de los flujos de mayor tama帽o que
demandan m谩s ancho de banda. El caso de uso propuesto ha sido evaluado en una red de
centro de datos emulada, demostrando los beneficios potenciales en t茅rmnos de congesti贸n
de red que puede oferecer esta separaci贸n de tipos de tr谩fico.
Como conclusi贸n, se puede decir que esta tesis analiza los d茅ficit de las futuras redes
m贸viles, incluyendo tanto las redes de transporte como los centros de datos, proponiendo
un conjunto de novedosas soluciones basadas en el paradigma SDN, con el claro objetivo
de mejorar la flexibilidad, el rendimiento y la robustez de la red y a su vez reduciendo el
coste para cumplir con los requisitos establecidos para los servicios de red del futuro.According to the recent predictions [1] mobile data traffic will increase 7-fold between
2017 and 2022, generating around 77 exabites of data per month. This data traffic increase
will be pushed by innovative services including 8K video, virtual reality, augmented reality
or cloud gaming, in addition to the numerous devices that will enable smart cities, smart
homes, and Internet of Things (IoT). For that reason, future mobile transport networks
(5G and beyond) are expected to offer unprecedented bandwidth with extreme low latency
to support all this kind of innovative services, but future networks are also expected to
reduce the Operational Expenditure (OPEX) and Capital Expenditure (CAPEX) to a
reasonable Return on Investment (ROI) range. This stringent requirements will not only
be driven by the introduction of the mmWave radio spectrum, it will require a thorough
redesign of the current network architecture, moving towards a new service-based mobile
system.
The first network segment that will undergo this redesign is the Radio Access Network
(RAN), adopting the C-RAN concept, decomposing the radio access point functionality
into small footprint, placing the basic radio functions of the lower levels of the protocol
stack in a remote unit, and centralizing the upper levels of the stack in a Central/Cloud
unit. The traditional functional split already utilized in 4G networks, based on CPRI
protocol, requires a dedicated circuit-based network with stringent requirements in terms
of delay and bandwidth, the bandwidth requirements are linearly dependent with the
number of antennas, making this model not feasible for ultra-dense 5G deployments. For
that reason new functional splits are being investigated, using Ethernet as the common
factor, blurring the traditional separation between the fronthaul and backhaul network
segments, driving into a converged packet based network, commonly denoted as Crosshaul.
The movement towards new packet-based functional splits relax the requirements in the
transport network, enabling new opportunities for softwarized solutions, focusing on SDN
and NFV technologies for the future network deployments.
SDN has emerged as a basic toolset for operators to manage their infrastructure, as it
opens up the possibility of running a multitude of intelligent and advanced applications for
network optimization purposes in a centralized network controller. However, the nature
that makes possible this efficient management and operation in a flexible way, the logical centralization, also poses important challenges due to the lack of proper monitoring tools
suited for SDN-based architectures. In order to take timely and right decisions while
operating a network, centralized intelligence applications need to be fed with a continuous
stream of up-to-date network statistics. However, this is not feasible with current SDN
solutions due to scalability and accuracy issues derived from the centralized intrinsic
nature of the SDN paradigm. Furthermore, the control centralization also poses resiliency,
reliability and security problems since a centralized controller is a potential single point
of failure and a potential bottleneck, needing special attention in order to support the
demanded carrier grade requirements.
The softwarization trend does not stop with the incorporation of SDN solutions, it
goes hand-in-hand with the virtualization of network functions. For that reason, future
mobile networks will make extensive use of Data Center Networks (DCNs), running most
virtualized network services and data processing. Not only big cloud data centers will
store, compute and analyze all the data, also smaller edge and fog data centers will be used,
aiming to reduce the overall network latency required in the new generation of mobile
networks. This increasing demand is pushing the limits of current DCNs, requiring, like
mobile transport networks, higher scalability, resiliency and performance while reducing
the network deployment cost. Traditional approaches for layer-2 switching in DCNs rely on
table lookups, where a flat 48-bit MAC address space is searched in order to find the next
hop to forward the packet to. Very recently, the IEEE 802 has defined new mechanisms
for the structured use of the local MAC address space. This new flexibility enables the
embedding of semantics in the MAC addresses that can be used for new applications, such
as improving the standard layer-2 forwarding process.
From this perspective, this thesis proposes a set of SDN-based solutions and architectures
for next generation networks, including both mobile transport and DCN. Departing
from the mobile transport, this thesis presents a novel design of a fully integrated Crosshaul
solution, implemented and deployed using cost-efficient SDN-based forwarding elements.
The pipeline design of the Crosshaul forwarding elements presented in this thesis has been
carefully optimized, eliminating the latency-impacting operations, making it suitable for
lower layer functional splits. The Crosshaul design introduced in this thesis has been
extensively evaluated, being the first empirical validation of a fully integrated Crosshaul
network, transporting flows from various functional split options over the same switching
infrastructure.
The presented SDN-based Crosshaul solution is accompanied by a set of tools devoted
to enrich the control plane functions. This thesis presents and evaluates a set of monitoring
tools denoted as ATS, that enables the local execution of OAM procedures directly on
the switches, supporting the active and precise measurements and reporting of strategic
metrics, needed for the correct operation of carrier grade networks. The proposed ATS
solution is formed by an ATS application, an ATS plugin and an ATS agent, allowing the remote configuration of OAM procedures by using Finite State Machine (FSMs)
modelling, being fully compatible with the current OpenFlow standard. This thesis also
focuses on the reliability issues present in the SDN centralized nature, presenting the
design and evaluation of a multipath-based solution that aims to secure and robustize the
control channel. The presented multipath solution creates several disjoint redundant paths
over the out-of-band and in-band management networks allowing to seamless migrate
the OpenFlow control connection from a failing path to an available one without traffic
interruption.
Finally, this thesis also investigates the opportunities present in the aforementioned
IEEE 802 mechanisms for the structured use of the local MAC address space, and its
applicability to current DCNs L2 switching schemas. This thesis includes a novel SDA
solution that allows to embed semantics into the MAC addresses, giving meaning to the
address structure, eliminating the need of look-up tables. This thesis incorporates a unit
testing validation of the proposed SDA solution, comparing it with a baseline switching
method. Due to the positive results obtained in the unit testing validation, the presented
contribution also evaluates the flexibility of SDA illustrating a potential application for
segregating the latency-sensitive small-frame flows from the large data-intensive large
flows, evaluating it in an emulated DCN, demonstrating the potential benefits of this
traffic segregation in terms of network congestion.
As a conclusion, it can be said that this thesis analyzes some technical gaps of the future
generation of mobile networks, ranging from mobile transport to data center networks,
proposing novel SDN-based solutions aiming to increase the overall flexibility, performance
and robustness while reducing the cost in order to match the stringent requirements of
future network services.Participation in collaborative European projects: H2020 5G-Crosshaul, H2020 5G-CORALPrograma de Doctorado en Ingenier铆a Telem谩tica por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Ignacio Soto Campos.- Secretario: Carlos Donato Morales.- Vocal: Pablo Molinero Fern谩ndez