masterThesis
SDVN-vC - uma arquitetura flexível com suporte à escalabilidade para redes veiculares definidas por software usando NFV
Author
MACIEL, Maria Atrícia Sabino
Institutions
Abstract
Com o advento das redes veiculares (Vehicular Ad Hoc Networks - VANETs), serviços inovadores podem ser viabilizados para proporcionar maior conforto aos passageiros, prevenção de acidentes e melhorar a mobilidade em grandes centros urbanos. Na comunicação VANET denominada veículo à infraestrutura (vehicle-to-infrastructure - V2I), o veículo troca informações com pontos de acesso sem fio dispostos ao longo da via. Com a arquitetura atual, alguns desafios em VANET requerem mais pesquisas e novas soluções em função do aumento significativo de dispositivos conectados, necessidade de uso eficiente dos recursos, oscilação no tráfego de informações, atrasos e perdas de pacotes devido à alta mobilidade dos veículos, conexões não confiáveis, e requisitos de qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) das aplicações. Para lidar com os desafios do gerenciamento de VANETs, a literatura da área tem intensificado o emprego de redes definidas por software (Software Defined Networking – SDN), que baseiam-se na separação entre os planos de dado e de controle, bem como, uma visão global da rede para prover solução de gerenciamento flexível e programável. Contudo, apesar do controle distribuído, a maioria das implementações ainda utiliza um único controlador SDN por domínio. Isto pode acarretar problemas de escalabilidade e falhas, sobretudo, em um ambiente dinâmico como o das VANETs, devido à enorme troca de informações de status entre o controlador e elementos do plano de dados, isto é, nós da rede, o que prejudica os requisitos de latência para aplicações de distribuição de conteúdo. De forma complementar, a Virtualização de Funções de Rede (Network Functions Virtualization - NFV), ainda não explorada usando a arquitetura MANO (Management and Orchestration) do NFV no contexto de gerenciamento de VANETs, permite configurar, controlar e a instanciação sob demanda de funções de rede, como (balanceamento de carga, roteamento, DHCP, NAT). Esta dissertação propõe e avalia uma solução flexível e dinâmica para o gerenciamento de redes veiculares através da sinergia entre os paradigmas SDN e NFV. A proposta concebe uma estratégia de auto escalonamento de controladores SDN configurados como Funções de Rede Virtualizadas (Virtualized Network Functions - VNFs) de acordo com as demandas de tráfego de cenários de redes veiculares. A proposta é implementada em um testbed de nuvem usando o serviço tacker baseado na arquitetura MANO do NFV integrada à plataforma Openstack. Os cenários de redes veiculares utilizam o emulador SDN para rede sem fio Mininet-WiFi, integrado ao simulador de mobilidade veicular SUMO que se baseia em um mapa da cidade. Os resultados obtidos demonstram a eficácia da proposta no suporte ao aumento de demanda de veículos conectados, redução na perda de pacotes, controle do jitter, e evita sobrecarga de processamento quando comparada ao desempenho da arquitetura tradicional. CAPES With the advent of Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs), innovative services can be enabled to provide greater passenger comfort, accident prevention and improved mobility in large urban centers. In VANET communication called vehicle to infrastructure (V2I), the vehicle exchanges information with wireless access points arranged along the road. With the current architecture, some challenges in VANET require more research and new solutions due to the significant increase of connected devices, need for efficient use of resources, oscillation in information traffic, delays and packet losses due to the high mobility of vehicles, unreliable connections, and Quality of Service (QoS) requirements of the applications. To address the challenges of managing VANETs, has intensified the use of Software Defined Networking (SDN), which is based on the separation of data Mand control planes, as well as a network vision to provide flexible and programmable management solution. However, despite distributed control, most implementations still use a single SDN controller per domain. This can lead to problems of scalability and failures, especially in a dynamic environment such as VANETs, due to the huge exchange of status information between the controller and elements of the data plane, that is, network nodes, which impairs the requirements for content distribution applications. In addition, Network Functions Virtualization (NFV), not yet exploited using the MANO (Management and Orchestration) architecture of the NFV in the context of managing VANETs, allows configuration, control and on-demand instantiation of functions such as (load balancing, routing, DHCP, NAT). This dissertation proposes and evaluates a flexible and dynamic solution for the management of vehicular networks through the synergy between SDN and NFV paradigms. The proposal devises a strategy of self-scheduling of SDN controllers configured as Virtualized Network Functions (VNFs) according to the demands of traffic in vehicular networks. The proposal is implemented in a cloud testbed using the tacker service based on the NFV MANO architecture integrated to the Openstack platform. The network scenarios use the SDN emulator for wireless network called Mininet-WiFi, integrated to the simulator of vehicular mobility SUMO that is based on a map of the city. The results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed solution to support the increasing demand of connected vehicles, reduction in packet loss, jitter control, and avoids processing overhead when compared to the performance of traditional architecture.