Secure resource management in next generation networks (NGNs)
Authors: Ξευγένης Μιχαήλ 
Published: May 2023

Μία νέα εποχή στον τομέα των δικτύων έχει ξεκινήσει με την έλευση της πέμπτης γενιάς δικτύων (5G) που προσφέρουν υψηλές δικτυακές επιδόσεις για την υποστήριξη ιδιαιτέρως απαιτητικών εφαρμογών. Υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, ελάχιστη καθυστέρηση, υψηλή κάλυψη υπηρεσιών 5G και αυξημένη διαθεσιμότητα υπηρεσιών είναι τα βασικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν τα δίκτυα νέας γενιάς. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι απόρροια των τεχνολογικών εξελίξεων τόσο σε επίπεδο υλισμικού όσο και σε επίπεδο λογισμικού. Έχοντας ως δεδομένο πλέον αυτά τα δικτυακά χαρακτηριστικά που φάνταζαν ένα άπιαστο όνειρο τα προηγούμενα χρόνια, νέες εφαρμογές άρχισαν να αναπτύσσονται για να καλύψουν διάφορες ανάγκες της ανθρωπότητας. Σκοπός των εφαρμογών αυτών αλλά και του δικτύου που τις υποστηρίζει είναι να προσφέρουν υψηλή ποιότητα υπηρεσίας και εμπειρίας στον τελικό χρήστη. Έχοντας κατά νου πως οι εφαρμογές αυτές πρέπει να είναι διαθέσιμες στον χρήστη κατ’ απαίτηση και σε παγκόσμιο επίπεδο, η δέσμευση και διάθεση των δικτυακών πόρων που τις υποστηρίζουν αποτελεί μια πρόκληση για του παρόχους δικτυακών υπηρεσιών. Είναι οικονομικά αδύνατον για έναν πάροχο να εγκαταστήσει και να προσφέρει ιδίους δικτυακούς πόρους πέμπτης γενιάς σε παγκόσμιο επίπεδο. Γι’ αυτό λοιπόν οι συνεργασία των παρόχων δικτύου είναι απαραίτητη για την εξασφάλιση υπηρεσιών υψηλής ποιότητας προς τον χρήστη. Ταυτόχρονα η δυνατότητα της προσφοράς δικτυακών υπηρεσιών μέσα από νεφοϋπολογιστικά περιβάλλοντα, επιτρέπει την είσοδο νέων παρόχων δικτύου και μεταμορφώνει την υπάρχουσα αγορά. Λαμβάνοντας υπόψιν λοιπόν την ανάγκη συνεργασίας των παρόχων οι οποίοι είναι ανταγωνιστές μέσα σε αυτή την αγορά γεννώνται ερωτήματα όπως: πόσο ασφαλής μπορεί να είναι η διαδικασία διαχείρισης πόρων μεταξύ των ανταγωνιστικών παρόχων δικτύου σε ένα περιβάλλον όπου δεν υπάρχει εμπιστοσύνη μεταξύ τους; Πως θα μπορέσουμε να εγκαθιδρύσουμε ένα επίπεδο εμπιστοσύνης ανάμεσα στους παρόχους σε αυτή την ανταγωνιστική αγορά χωρίς την χρήση κεντρικοποιημένων συστημάτων; Πώς θα μπορέσουμε να ενσωματώσουμε έναν τέτοιο μηχανισμό σε ένα περιβάλλον που συνεχώς μεταβάλλεται ώστε να συνεχίζεται απρόσκοπτα και χωρίς καθυστερήσεις η διαδικασία της αυτό-οργάνωσης και αυτό-βελτιστοποίησης του δικτύου;Η απάντηση στα ανωτέρω ερωτήματα παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή όπου μελετάται η εφαρμογή τεχνολογιών κατανεμημένου καθολικού, και πιο συγκεκριμένα της τεχνολογίας blockchain στη διαχείριση πόρων των δικτύων νέας γενιάς. Η τεχνολογία blockchain είναι μια από τις πλέον δημοφιλείς των τελευταίων ετών κυρίως λόγω της εφαρμογής της σε οικονομικούς τομείς. Στην παρούσα έρευνα αναλύουμε τον τρόπο λειτουργίας, τα βασικά χαρακτηριστικά, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής και παρουσιάζουμε εφαρμογές της σε τομείς της καθημερινότητάς μας πέραν των οικονομικών. Σκοπός μας είναι να αναδείξουμε τα βασικά χαρακτηριστικά του blockchain τα οποία μπορούν να επιλύσουν βασικά θέματα ασφάλειας στον τομέα της διαχείρισης πόρων των δικτύων νέας γενιάς. Κάποια από αυτά τα στοιχεία είναι: η δημιουργία ενός δικτύου εμπιστοσύνης μεταξύ των συμμετεχόντων, η χρήση αμετάβλητου κώδικα για την εκτέλεση διεργασιών διαχείρισης δικτύου κ.α. Παράλληλα, εξετάζουμε την ανάπτυξη σημαντικών εργαλείων και τεχνολογιών σχετικών με την διαχείριση των δικτύων νέας γενιάς, δίνοντας έμφαση στην προσπάθεια προτυποποίησης του ETSI με το όνομα Zero touch network and Service Management (ZSM). Αντικείμενο του ZSM είναι η διαχείριση των δικτύων νέας γενιάς τα οποία αποτελούνται από πολλούς διαφορετικούς παρόχους, με έναν αυτοματοποιημένο τρόπο που επιτρέπει την αυτό-διαχείριση και αυτό-βελτιστοποίηση των σύγχρονων δικτύων. Στόχος είναι να μειωθεί η ανθρώπινη παρέμβαση στις διεργασίες αυτές ώστε να αποφευχθούν ανθρώπινα λάθη και καθυστερήσεις. Το ZSM βασίζεται στην εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών όπως η μηχανική μάθηση και η τεχνητή νοημοσύνη. Σύμφωνα με την ομάδα προτυποποίησης, υπάρχουν αρκετά σημαντικά ζητήματα ασφάλειας που παρουσιάζει αυτό το εγχείρημα τα οποία πρέπει να διευθετηθούν. Ο συνδυασμός τεχνολογιών κατανεμημένου καθολικού και σύγχρονων εργαλείων διαχείρισης δικτύων όπως το ZSM, σκιαγραφεί και αναδεικνύει μια νέα ερευνητική περιοχή η οποία συζητείται εκτενώς στην παρούσα διατριβή και μπορεί να αποτελέσει πεδίο παραγωγής νέων καινοτόμων ερευνητικών έργων. Αντικείμενο της περιοχής αυτής είναι η δημιουργία ενός περιβάλλοντος ασφαλούς διαχείρισης δικτυακών πόρων σε δίκτυα νέας γενιάς. Παρόλο που σε θεωρητικό επίπεδο η τεχνολογία blockchain μπορεί να συνδυαστεί με εργαλεία όπως το ZSM για την διευθέτηση ζητημάτων ασφάλειας, στην έρευνά μας προχωρούμε στη διεξαγωγή πειραμάτων ώστε να εξετάσουμε αν η χρήση blockchain για την διαχείριση πόρων των δικτύων νέας γενιάς είναι δυνατή έχοντας κατά νου τις απαιτητικές προδιαγραφές των σύγχρονων δικτύων. Στο πλαίσιο αυτό τα πειράματά μας χωρίζονται σε δύο φάσεις όπου εξετάζουμε την συμπεριφορά των δικτύων blockchain όσον αφορά τον αριθμό των συναλλαγών που μπορούν να επιβεβαιωθούν το δευτερόλεπτο καθώς και τον χρόνο που χρειάζεται η επιβεβαίωση μιας συναλλαγής. Τα πειράματά μας πραγματοποιούνται πάνω σε πραγματικά δίκτυα blockchain τα οποία δημιουργούμε σε νεφοϋπολογιστικά περιβάλλοντα και στα οποία μεταβάλλουμε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως τον αριθμό των κόμβων, τη δομή του έξυπνου συμβολαίου και τον μηχανισμό συναίνεσης, ώστε να παρακολουθήσουμε την συμπεριφορά του δικτύου και να ελέγξουμε αν μπορεί να εφαρμοστεί η τεχνολογία αυτή σε σύγχρονα δίκτυα. Τα αποτελέσματά μας είναι ενθαρρυντικά και μας ωθούν στον σχεδιασμό μια αρχιτεκτονικής όπου η τεχνολογία blockchain συνδυάζεται με το ZSM. Σκοπός της έρευνάς μας είναι η αυτοματοποιημένη και ασφαλής διαχείριση πόρων στα σύγχρονα δίκτυα και γι’ αυτό το λόγο προχωρούμε στον καθορισμό συγκεκριμένων χαρακτηριστικών που θα πρέπει να έχει μια λύση κατανεμημένου καθολικού για να μπορεί να εξυπηρετήσει το σενάριο μας. Στη συνέχεια προχωρούμε στην εξέταση διάφορων υποσχόμενων λύσεων blockchain καθώς και στην παρουσίαση των Directed Acyclic Graphs (DAGs) που ανήκουν στις τεχνολογίες κατανεμημένου καθολικού και παρουσιάζουν αρκετά χρήσιμα χαρακτηριστικά. Στο τέλος της έρευνας αυτής συμπεραίνουμε πως οι υφιστάμενες λύσεις, είτε blockchain είτε DAG δεν πληρούν τα κριτήρια για το σενάριό μας ενώ παρουσιάζονται διάφορες ερευνητικές κατευθύνσεις που μπορούν να ακολουθηθούν για την ανάπτυξη και δημιουργία καινοτόμων λύσεων που μπορούν να συντελέσουν στην υλοποίηση ενός αυτοματοποιημένου συστήματος ασφαλούς διαχείρισης πόρων σε δίκτυα νέας γενιάς.