Algorithmen zum effizienten Deployment virtueller Netzwerkservices

Die Virtualisierung von Netzfunktionen (NFV, Network Function Virtualization) ist ein zentrales Konzept zukunftiger Mobilfunknetze: Statt wie in klassischen Netzen rein auf Hardwarekomponenten zu setzen, deren Logik untrennbar mit der eigentlichen Hardware verwoben ist, wird die Funktionalitat in NFV-Netzen innerhalb virtueller Netzwerkfunktionen gekapselt und von der eigentlichen physischen Hardware separiert. Hochspezialisierte Hardwareboxen werden durch viel flexiblere Standardhardware ersetzt, auf der nun unterschiedliche Netzwerkfunktionen installiert werden konnen. Ein Kernkonzept dabei ist die Integration von Cloud Computing-Technologien innerhalb der Mobilfunk-Kerninfrastruktur: Dies ermoglicht es dem Mobilfunkprovider, die Konfiguration des Netzes viel dynamischer an die sich standig verandernden Anforderungen des Marktes anzupassen. Sollen neue Netzwerkservices installiert werden, kann dazu ein Grosteil der bereits vorhandenen physischen Infrastruktur wiederverwendet werden; die vorhandene Hardware muss nicht komplett ausgetauscht werden. Die Integration neuer Services erfolgt stattdessen durch den wesentlich kosteneffizienteren Austausch von (virtuellen) Netzwerkfunktionen -- und nicht durch Austausch von Hardware. Mobilfunkprovider werden in Zukunft in der Lage sein, viel einfacher und effizienter zusatzliche Netzfunktionen dort zuzuschalten, wo sie gebraucht werden, ohne dass jedes Mal Anderungen an der eigentlichen Hardware-Konfiguration erforderlich werden. Daruber hinaus konnen Netzfunktionen flexibel auf andere Komponenten migriert werden, wenn Hardwarekomponenten aus wartungstechnischen Grunden temporar oder dauerhaft auser Betrieb genommen werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Thematik, wie sich derartige virtuelle Netzwerkservices innerhalb des physischen Netzwerks der Provider einbetten lassen. Im Mittelpunkt steht die Frage, auf welchen Hardwarekomponenten die verschiedenen (virtuellen) Netzwerkfunktionen installiert werden sollen. Aus theoretischer Sicht ist die optimale Berechnung eines solchen Deployments ein NP-hartes Optimierungsproblem. Optimale Algorithmen zur Losung dieses Problems sind daher nur in sehr kleinen Szenarien anwendbar. Fur die effiziente Losung im Zusammenhang mit Szenarien realer Grosenordnung kommen aus diesem Grund nur heuristische Ansatze in Betracht, die fur die Bestimmung eines guten, aber nicht zwingenderweise optimalen Deployments entworfen werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der effizienten, heuristischen Losung dieses NP-harten Deployment-Problems. Es wird zunachst eine Simulationsumgebung beschrieben, die die umfassende Evaluation von Deploymentalgorithmen ermoglicht. Anders als bisherige Simulationstools lasst sich die hier beschriebene Umgebung sehr einfach um neue Funktionen erweitern. Daran anschliesend wird ein verteilter Deployment-Algorithmus vorgestellt, der virtuelle Netze innerhalb von Cloud-Infrastrukturen effizient einbetten kann (DPVNE, Distributed and Parallel Virtual Network Embedding). Kernidee hinter diesem Ansatz ist die Aufteilung der physischen Cloud-Infrastruktur in hierarchisch organisierte Netzwerkpartitionen. Dies ermoglicht die parallele Einbettung virtueller Netze. Durch die Verteilung des Berechnungsaufwands auf mehrere Knoten lasst sich das Deployment-Problem auch in Szenarien mit sehr grosen Netzwerkinfrastrukturen losen. Daruber hinaus wird ein Backtracking-basierter Algorithmus vorgestellt, mit dem das Deployment virtueller Netzwerkservices in NFV-Szenarien durchgefuhrt werden kann (CoordVNF, Coordinated deployment of Virtual Network Functions). In NFV-Szenarien liegt der Fokus auf der Betrachtung der Netzwerkservices, die zur Verarbeitung von Datenstromen innerhalb der Infrastruktur des Mobilfunkproviders installiert werden. Jeder Netzwerkservice besteht dabei aus mehreren (virtuellen) Netzwerkfunktionen, die verschiedene Operationen auf empfangene Daten anwenden und diese dann zur Weiterverarbeitung an andere Netzwerkfunktionen weitergeben. Die genaue Reihenfolge, in der die Datenstrome durch die einzelnen Netzwerkfunktionen geroutet werden, ist dabei nicht eindeutig vorgegeben. Anders als in Cloud-Szenarien ist die Struktur der einzubettenden virtuellen Netze also in Teilen flexibel, was zu interessanten neuen, theoretischen Aspekten bzgl. des Deployment-Problems fuhrt. Der CoordVNF-Algorithmus ist als einer der ersten Ansatze in der Lage, solche flexiblen NFV-Netzwerkservices effizient innerhalb der Infrastruktur des Mobilfunkproviders zu platzieren. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren kann CoordVNF auch im Zusammenhang mit groseren Infrastrukturen verwendet werden. Abschliesend wird das Deployment ausfallsicherer Netzwerkservices diskutiert. In diesem Kontext wird beschrieben, wie sich die Robustheit eingebetteter NFV-Services durch Reservierung zusatzlicher Backup-Ressourcen erhohen lasst. Aufbauend auf CoordVNF wird dann ein Deploymentalgorithmus vorgestellt, der in der Lage ist, Einbettungen gegenuber Ausfallen abzusichern (SVNF, Survivable deployment of Virtual Network Functions).