Comprehensive formalization and modeling of the network and system virtualization process
Authors: Κοντούδης Δημήτριος 
Published: September 2021

Η έννοια της εικονικοποίησης έχει απασχολήσει σημαντικά, τα τελευταία σαράντα χρόνια, τόσο την ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και τον κλάδο της Πληροφορικής, παρέχοντας μία διαφορετικά προσέγγιση στην υλοποίηση, διαχείριση καθώς και διάθεση των φυσικών πόρων. Μέσω της εικονικοποίησης εφαρμόζεται μία προσέγγιση όπου ο τελικός χρήστης δεν αντιλαμβάνεται τις λεπτομέρειες της υποκείμενης φυσικής υποδομής. Αυτή η προσέγγιση υιοθετήθηκε από πολλούς κλάδους της Πληροφορικής, συμπεριλαμβανομένων και των Δικτύων Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Το Διαδίκτυο έχει γνωρίσει τα τελευταία χρόνια τεράστια ανάπτυξη, τόσο ποσοτική (αριθμός συνδέσεων και χρηστών) όσο και ποιοτική (προσφερόμενες υπηρεσίες, αποδοχή από το κοινό, διείσδυση στο πληθυσμό) και αποτελεί το κύριο παράδειγμα υλοποίησης δικτύου μεγάλης κλίμακας. Το Διαδίκτυο έχει αποτελέσει την κινητήρια δύναμη για την αποδοχή και εφαρμογή της τεχνολογίας εικονικοποίησης δικτύου ως μίας εκ των κύριων εμπλεκόμενων τεχνολογιών. Σε μία παράλληλη εξέλιξη, η σύγκλιση των πεδίων των δικτύων ηλεκτρονικών υπολογιστών και των εφαρμογών Πληροφορικής (πεδία τα οποία παλαιότερα ήταν διακριτά) εισήγαγε τη χρήση διακομιστών ως ενεργών στοιχείων του δικτύου (π.χ. δρομολογητές). Η κύρια δικτυακή υποστήριξη σε αυτά τα Περιβάλλοντα Εικονικού Δικτύου (ΠΕΔ) βασίζεται στην εφαρμογή του προτύπου IEEE 802.1Q VLAN, όπου μέρη του δικτύου υλοποιούνται με τη χρήση φυσικών μεταγωγέων – οι τελευταίοι παρέχονται μέσω διακομιστών. Εξειδικευμένο λογισμικό (ο Επόπτης) λειτουργεί ως εικονικός μεταγωγέας Ethernet και υποστηρίζει τα απαραίτητα VLAN μέσω της φυσικής μνήμης του διακομιστή. Ως αποτέλεσμα, το τελευταίο σημείο του δικτύου έχει μετατοπιστεί από τις αποκλειστικές δικτυακές συσκευές και αποτελεί πλέον χαρακτηριστικό του υλικού του φυσικού διακομιστή. Τα παραπάνω γεγονότα, σε συνδυασμό με την εφαρμογή νέων τεχνολογιών, οι οποίες οδηγούν σε απαίτηση καινοτόμων εφαρμογών (ασύρματη καθώς και εν-κινήσει δικτύωση, νεφο-υπολογιστική, δικτύωση ως υπηρεσία κ.α.), έχουν αυξήσει σημαντικά την πολυπλοκότητα των ΠΕΔ.Η αποτελεσματική και αποδοτική διαχείριση τέτοιων αρχιτεκτονικών και υποδομών προϋποθέτει την εφαρμογή κατάλληλων πληροφοριακών μοντέλων. Αυτά παρέχουν την απαιτούμενη τυποποίηση και αφαίρεση των συστατικών μερών και χαρακτηριστικών των ΠΕΔ, και επιτρέπουν τη δημιουργία και διάθεση κατάλληλων μεθόδων διαχείρισης. Παρόλη τη διαθεσιμότητα καθώς και τα πλεονεκτήματα των διαφόρων υφιστάμενων λύσεων, ελάχιστες προτάσεις αντιμετωπίζουν το πρόβλημα και τα χαρακτηριστικά της εισαγωγής διακομιστών στις αρχιτεκτονικές δικτύου, καθώς και του Επόπτη ως μία υπό-διαχείριση οντότητα. Επιπλέον, οι υφιστάμενες λύσεις δεν αντιμετωπίζουν τον Επόπτη διακριτά ως ενιαία οντότητα αλλά μόνο έμμεσα, μέσω αφαιρέσεων της χρήσης του σε λειτουργίες εικονικών μηχανών. Αυτό έχει οδηγήσει σε εμπόδια στη διαχείριση των μοντέρνων ΠΕΔ, άρα και στη διασφάλιση της συνολικά προσφερόμενης υπηρεσίας.Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε ένα νέο πληροφοριακό μοντέλο το οποίο μπορεί εννοιολογικά να περιγράψει φυσικά ή λογικά στοιχεία υποδομών ΠΕΔ που βασίζονται σε Επόπτες. Περιληπτικά, η συνεισφορά της διατριβής είναι πολυδιάστατη: αρχικά παρουσιάζουμε μία αναλυτική επισκόπηση καθώς και συγκριτική μελέτη των υφιστάμενων προτάσεων/λύσεων στο πεδίο. Παρουσιάζουμε τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε πρότασης και παραθέτουμε τη συνολική κατηγοριοποίηση των προτάσεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε την καινοτόμο πρότασή μας: ένα νέο πληροφοριακό μοντέλο που εντάσσεται άψογα στη λογική και στα χαρακτηριστικά των ΠΕΔ, όπως αυτά συναντώνται σήμερα στα μοντέρνα μηχανογραφικά κέντρα νεφο-υπολογιστικής. Έπειτα εφαρμόζουμε μία μέθοδο διακρίβωσης της καταλληλότητας του νέο-παραχθέντος πληροφοριακού μοντέλου ώστε να διαπιστώσουμε την επάρκεια της πρότασής μας. Συγκεκριμένα, επιλέξαμε ένα εκ των βασικών προβλημάτων στο πεδίο της νεφο-υπολογιστικής, αυτό της δυναμικής διάθεσης πόρων, και επεκτείναμε το μοντέλο ώστε να συμπεριλάβει μεθόδους Στατιστικού Ελέγχου Διεργασίας, προκειμένου για τη δυναμική διαχείριση των πόρων που παρέχονται από τον Επόπτη προς εξυπηρέτηση της δικτυακής υποδομής. Τέλος, δοκιμάζουμε και ελέγχουμε διεξοδικά την πρότασή μας εφαρμόζοντάς τη σε πραγματική υποδομή ΠΕΔ. Αυτή η διαδικασία διακρίβωσης παρείχε μία επιτυχημένη μελέτη εφαρμογής της πρότασης. Το προτεινόμενο πληροφοριακό μοντέλο επιτρέπει την περιγραφή των συστατικών μερών και πόρων του ΠΕΔ (ανεξαρτήτως είδους: δικτύου, διακομιστή κ.α.) και, συνεπώς, τη δημιουργία λύσεων διαχείρισης αυτών. Οι όποιες εφαρμογές διαχείρισης δεν αντιλαμβάνονται, ούτε αυτό απαιτείται, το υποκείμενο επίπεδο εικονικοποίησης καθώς και τα χαρακτηριστικά αυτού.