Contribución al diseño y despliegue de gemelos digitales de red
Authors:   , Sanz Rodrigo Mario 
Published: August 2024

Although the concept of Digital Twins has been present in the literature for more than two decades, it is only in recent years, thanks to technological advancements, that its implementation in multidisciplinary fields such as Industry 4.0, cybersecurity, healthcare, and next-generation communication networks has become feasible. However, it is still far from being a consolidated and regulated paradigm, primarily due to the presence of numerous unaddressed challenges, such as security, deployment, management, and standardization.

This doctoral thesis focuses on the applicability of the digital twin paradigm to the specific context of communication networks, known as Network Digital Twins. This approach combines the characteristics and inherent requirements of the general paradigm with the specific challenges related to modeling communication networks. While technological advancements are facilitating the use and development of digital twin-based solutions, they are also reshaping the way networks are designed and deployed, thereby complicating the attainment of global solutions due to factors such as heterogeneity in network equipment or virtualization technologies.

Although there are currently various approaches of the paradigm applied in areas such as the Internet of Things, augmented reality, healthcare, or unmanned autonomous vehicles, these cannot be directly extrapolated to the realm of communication networks due to the high dependence of modeling on the specific application context. Therefore, the main objective of this doctoral thesis is to contribute to the development of a methodology enabling the creation and deployment of network digital twins, considering the limitations and inherent challenges within this field.

Through the analysis of the state of the art, the characteristics and requirements associated with Digital Twins (DT) are initially identified, followed by a review of the specific case of Network Digital Twins (NDT), focusing on the identification of unresolved needs and issues. As a result of this study, a methodology is proposed that seeks to standardize the creation and deployment of Network Digital Twins, as well as their integration with Physical Twins, through various phases.

After formally defining the methodology, the first phase leads to the second contribution, which focuses on the problem associated with acquiring the necessary data for modeling both the topology and the behavior of network devices. This issue stems from the heterogeneity of equipment and virtualization technologies, as well as the various network topologies. In response to this, the design and development of the DANA system (Digital Agent for Network Data Acquisition) is proposed, capable of collecting data regardless of the type of end device or network in the physical twin. This system is a key component of the NDT ecosystem, present in both the physical twin environment and the digital twin environment after its creation. This allows, in subsequent phases, intervention on the twins to facilitate the joint coevolution of the ecosystem, a fundamental characteristic of the paradigm.

In relation to the need to carry out the implementation of the proposed methodology and based on the enabling technologies reviewed during the study of the state of the art, the design and development of a platform capable is performe, allowing both the creation and deployment of the complete NDT ecosystem, such as the implementation of a bidirectional communication channel capable of guaranteeing both data collection and information exchange, in order to enable the joint co-evolution of both environments.

RESUMEN

Pese a que el concepto de Gemelos Digitales lleva presente en la literatura desde hace más de dos décadas, es en los últimos años, cuando gracias a los avances tecnológicos se está pudiendo llevar a cabo su implementación en campos multidisciplinares como la industria 4.0, ciberseguridad, salud o redes de comunicación de nueva generación. No obstante, aún está lejos de ser un paradigma consolidado y regulado, debido a la existencia de múltiples desafíos sin abordar, como la seguridad, el despliegue, la gestión o la estandarización.

Esta tesis doctoral se enfoca en la aplicabilidad del paradigma de gemelos digitales al contexto específico de las redes de comunicación, conocido como Network Digital Twins. Este enfoque combina las características y requisitos inherentes al paradigma general con los desafíos específicos relacionados con el modelado de las redes de comunicación. Si bien los avances tecnológicos están facilitando el uso y desarrollo de soluciones basadas en gemelos digitales, también están transformando la forma en que se diseñan y despliegan las redes, lo que dificulta la obtención de soluciones globales debido a factores como la heterogeneidad en el equipamiento o en tecnologías de virtualización de red.

Aunque actualmente existen diversas aproximaciones del paradigma aplicadas en áreas como el Internet de las Cosas, realidad aumentada, salud o vehículos autónomos no tripulados, estas no pueden extrapolarse directamente al ámbito de las redes de comunicación debido a la alta dependencia del modelado con el contexto específico de aplicación. Por tanto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es contribuir al desarrollo de una metodología que permita la creación y despliegue de gemelos digitales de redes, considerando las limitaciones y desafíos inherentes a este campo.

A través del análisis del estado del arte se identifican inicialmente las características y requisitos asociados a los Gemelos Digitales (DT), seguido por una revisión del caso específico de Gemelos Digitales de Red (NDT), con un enfoque en la identificación de necesidades y problemáticas no resueltas. Como resultado de este estudio, se propone una metodología cuyo objetivo es tratar de estandarizar, a través de diversas fases, la creación y despliegue de los gemelos digitales de red, así como su integración con los gemelos físicos.

Tras definir formalmente la metodología, la primera fase conduce a la segunda contribución, centrada en la problemática asociada a la adquisición de los datos necesarios para el modelado tanto de la topología como del comportamiento de los equipos de la red. Esta problemática radica de la heterogeneidad de equipos y tecnologías de virtualización, así como las diversas topologías de red. En respuesta a esto, se propone el diseño y desarrollo del sistema DANA (Digital Agent for Network Data Acquisition), capaz de recolectar datos independientemente del tipo de dispositivo final o red del gemelo físico. Este sistema es un componente clave del ecosistema NDT, presente tanto en el entorno del gemelo físico como en el del gemelo digital tras su creación. Esto permite, en fases posteriores, la actuación sobre los gemelos para facilitar la coevolución conjunta del ecosistema, una característica fundamental del paradigma.

En relación con la necesidad de llevar a cabo la implementación de la metodología propuesta y basado en las tecnologías habilitadoras revisadas durante el estudio del estado del arte, se realiza el diseño y desarrollo de una plataforma capaz de llevarla a cabo, permitiendo tanto la creación y despliegue del ecosistema NDT completo, como la implementación de un canal de comunicación bidireccional capaz de garantizar, tanto la recolección de datos como el intercambio de información, con el fin de posibilitar la coevolución conjunta de ambos entornos.