Lightweight virtualization and the network edge
Authors: Βαλσαμάς Πολυχρόνης 
Published: July 2022

Η εξέλιξη των Δικτύων πέμπτης γενιάς (5G Νetworks) επέφερε ένα σύνολο νέων τεχνολογικών λύσεων, οι οποίες έρχονται α) να καλύψουν αυξημένες απαιτήσεις/ανάγκες των χρηστών (υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, μείωση της καθυστέρησης επικοινωνίας και αξιοπιστία), β) να υποστηρίξουν τις ποικιλόμορφες απαιτήσεις των αναδυόμενων επόμενης γενιάς εφαρμογών. Τα συστήματα επικοινωνίας μετασχηματίζονται ριζικά ενσωματώνοντας αναδυόμενες ετερογενείς τεχνολογίες, όπως η Εικονικοποίηση Δικτυακών Λειτουργιών (NFV), τα Προγραμματιζόμενα Δίκτυα (SDN) και τα συστήματα ενορχήστρωσης του Υπολογιστικού Νέφους (ΥΝ).Ταυτόχρονα, στα αντίστοιχα ενοποιημένα περιβάλλοντα αναπτύσσονται τα μικρά νέφη, τα οποία βρίσκονται κοντά στους χρήστες και προσφέρουν εικονικοποιημένες υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους, (π.χ. βελτιώνουν την απόδοση, την αξιοπιστία της υπηρεσίας, μειώνουν την καθυστέρηση της επικοινωνίας). Αυτή η νέα ερευνητική περιοχή ορίζεται ως νεφοϋπολογιστική στις παρυφές του δικτύου (Edge Computing). Ωστόσο, τα παραδοσιακά περιβάλλοντα νεφοϋπολογιστικής χρησιμοποιούν συνήθως παραδοσιακά λειτουργικά συστήματα πλήρους κλίμακας (VMs), τα οποία είναι δαπανηρά σε πόρους, αντιμετωπίζουν πολύ αργό χρόνο εκκίνηση ή κλιμάκωσης των εικονικών πόρων. Δεδομένης της περιορισμένης διαθεσιμότητας των πόρων, καθώς και των ποικίλων δυναμικών χαρακτηριστικών των απαιτήσεων των χρηστών ή των απαιτήσεων των εφαρμογών στις παρυφές της νεφοϋπολογιστικής, οι παραδοσιακές εικονικές μηχανές δεν είναι κατάλληλες σε αυτά τα περιβάλλοντα. Από την άποψη αυτή, η υιοθέτηση εναλλακτικών προσεγγίσεων ελαφριάς εικονικοποίησης στις παρυφές του δικτύου επιδιώκει να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις αξιοποιώντας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, όπως η ταχεία διαχείριση των εικονικών πόρων. Συνεπώς, είναι απαραίτητο να αναζητηθούν νέες ευέλικτες λύσεις ενορχήστρωσης και διαχείρισης που να αξιοποιούν αποτελεσματικότερα τους διαθέσιμους πόρους, σε σύγκριση με τα παραδοσιακά περιβάλλοντα νεφοϋπολογιστικής. Με άλλα λόγια, υπάρχει ανάγκη για συστημικές προσαρμογές των οικοσυστημάτων πέμπτης και των επόμενων γενιών δικτύων (5G and Beyond) προς την κατεύθυνση αυτών των στόχων. Η κύρια πρόκληση της διατριβής είναι να προταθούν νέες ευέλικτες και προσαρμόσιμες αποδοτικές λύσεις ενορχήστρωσης του νέφους στις παρυφές του δικτύου χρησιμοποιώντας τεχνολογίες ελαφριάς εικονικοποίησης, όπως οι τεχνολογίες υποδοχέων (Containers) και ελαφριών εικονικών μηχανών (LVM). Οι τελευταίες τεχνολογίες επιφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα προσαρμοστικότητας στις δυναμικές αλλαγές των συνθηκών του δικτύου και των απαιτήσεων των υπηρεσιών, προσφέροντας γρήγορη απόκριση, που είναι ζωτικής σημασίας για την λειτουργία των νεφών στις παρυφές της νεφοϋπολογιστικής στα δίκτυα πέμπτης γενιάς. Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε κρίσιμα ζητήματα που σχετίζονται με τα δίκτυα πέμπτης γενιάς (δηλ., ελαστικότητα, επεκτασιμότητα, ετερογένεια και αποδοτικότερη χρήση των πόρων) και προσδιορίζει σχετικά εναλλακτικά οφέλη της χρήσης διαφορετικών ελαφριών μηχανών εικονικοποίησης. Γι΄αυτό το σκοπό υλοποιεί και διερευνά πλατφόρμες ενορχήστρωσης των νεφών στις παρυφές του δικτύου με μηχανισμούς ενορχήστρωσης (π.χ. αποτελεσματική κατανομή των πόρων και ελαστικότητα των υπηρεσιών), και προτείνει μια νέα στρατηγική ενορχήστρωσης νέφους (εναλλαγή των τεχνολογιών εικονοποίησης) λαμβάνοντας υπόψη το αντίκτυπο της απόδοσης και κατανάλωσης των πόρων των εναλλακτικών τεχνολογιών εικονικοποίησης για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων των εφαρμογών και πόρων.