Deployment and Orchestration in Cloud Native 5G Networks With Kubernetes

Software Defined Networking along with Network Function Virtualisation have brought an evolution in the telecommunications laying out the bases for 5G networks and its softwarisation. The separation between the data plane and the control plane, along with having a decentralisation of the latter, have allowed to have a better scalability and reliability while reducing the latency. A lot of effort has been put into creating a distributed controller, but most of the solutions provided by now have a monolithic approach that reduces the benefits of having a software defined network. Disaggregating the controller and handling it as microservices is the solution to problems faced when working with a monolithic approach. Microservices enable the cloud native approach which is essential to benefit from the architecture of the 5G Core defined by the 3GPP standards development organisation. Applying the concept of NFV allows to have a softwarised version of the entire network structure. The expectation is that the 5G Core will be deployed on an orchestrated cloud infrastructure and in this thesis work we aim to provide an application of this concept by using Kubernetes as an implementation of the MANO standard. This means Kubernetes acts as a Network Function Virtualisation Orchestrator (NFVO), Virtualised Network Function Manager (VNFM) and Virtualised Infrastructure Manager (VIM) rather than just a Network Function Virtualisation Infrastructure. While OSM has been adopted for this purpose in various scenarios, this work proposes Kubernetes opposed to OSM as the MANO standard implementation.

Implementazione di un sistema di Continuous Integration e Continuous Deployment per il rilascio di microservizi Cloud Native su piattaforma Kubernetes

Il processo di sviluppo di un’applicazione comprende più fasi, ognuna strettamente correlata alle altre. Una delle fasi di questo processo è il rilascio del software, che consiste nel rendere disponibile agli utenti l’applicazione caricandone l’eseguibile su un server, sul quale verrà poi eseguita. Per un’azienda di sviluppo software è particolarmente importante automatizzare e standardizzare il processo di rilascio del software, allo scopo di renderlo più veloce e di diminuire il tempo che intercorre fra una modifica e il momento in cui questa viene effettivamente resa disponibile per gli utenti, ottimizzando infine l’impegno degli sviluppatori. La presente tesi descrive l’implementazione di un sistema di Continuous Integration e Continuous Deliveliry scalabile su una software house con più di 900 dipendenti suddivisi in decine di team, ognuno dei quali ha in carico lo sviluppo di vari software. Le applicazioni realizzate dai team sono generalmente microservizi in esecuzione all’interno di container su piattaforma Kubernetes. Sono state quindi valutate le varie alternative per la realizzazione di questo sistema, analizzandone pro e contro, scegliendo infine GitLab per la parte di Continuous Integration e ArgoCD per la parte di Continuous Deployment. Nei vari capitoli viene quindi analizzata l’infrastruttura esistente e vengono illustrati i vantaggi e svantaggi delle varie soluzioni considerate. Per i due software selezionati viene invece descritto il lavoro svolto, con dettagli sul funzionamento del sistema e la configurazione necessaria per il corretto funzionamento dell’intero processo. La soluzione realizzata effettua build, test, code validation e deploy delle applicazioni seguendo un pattern GitOps, con un repository git contenente la configurazione attuale delle applicazioni, permettendo rollback in caso di problematiche e garantendo un alto livello di sicurezza attraverso il mantenimento dello storico della configurazione e della versione delle applicazioni.

Virtualizzazione di funzioni di rete su piattaforme per cloud computing

Questo documento affronta le novità ed i vantaggi introdotti nel mondo delle reti di telecomunicazioni dai paradigmi di Software Defined Networking e Network Functions Virtualization, affrontandone prima gli aspetti teorici, per poi applicarne i concetti nella pratica, tramite casi di studio gradualmente più complessi. Tali innovazioni rappresentano un'evoluzione dell'architettura delle reti predisposte alla presenza di più utenti connessi alle risorse da esse offerte, trovando quindi applicazione soprattutto nell'emergente ambiente di Cloud Computing e realizzando in questo modo reti altamente dinamiche e programmabili, tramite la virtualizzazione dei servizi di rete richiesti per l'ottimizzazione dell'utilizzo di risorse. Motivo di tale lavoro è la ricerca di soluzioni ai problemi di staticità e dipendenza, dai fornitori dei nodi intermedi, della rete Internet, i maggiori ostacoli per lo sviluppo delle architetture Cloud. L'obiettivo principale dello studio presentato in questo documento è quello di valutare l'effettiva convenienza dell'applicazione di tali paradigmi nella creazione di reti, controllando in questo modo che le promesse di aumento di autonomia e dinamismo vengano rispettate. Tale scopo viene perseguito attraverso l'implementazione di entrambi i paradigmi SDN e NFV nelle sperimentazioni effettuate sulle reti di livello L2 ed L3 del modello OSI. Il risultato ottenuto da tali casi di studio è infine un'interessante conferma dei vantaggi presentati durante lo studio teorico delle innovazioni in analisi, rendendo esse una possibile soluzione futura alle problematiche attuali delle reti.

SDN e sperimentazioni di VM migration

Le nuove teorie di rete come Software Defined Networking Network Function Virtualization, insieme alle teorie Cognitive/Autonomics consentono di abilitare scenari futuri “disruptive” di rete. Lo scopo di questa tesi è quello di esplorare questi scenari futuri e di capire il ruolo della migrazione di funzioni di rete, sotto forma di Virtual Machine. Si vuole affrontare la migrazione di Virtual Machine dal punto di vista delle performance, ma anche come strumento di gestione delle risorse in uno scenario di rete d'accesso autonomica.

Piano di controllo SDN per la composizione dinamica di funzioni di rete virtuali

Il documento analizza i vantaggi introdotti nel mondo delle telecomunicazioni dai paradigmi di Software Defined Networking e Network Functions Virtualization: questi nuovi approcci permettono di creare reti programmabili e dinamiche, mantenendo alte le prestazioni. L’obiettivo finale è quello di capire se tramite la generalizzazione del codice del controller SDN , il dispositivo programmabile che permette di gestire gli switch OpenFlow, e la virtualizzazione delle reti, si possa risolvere il problema dell’ossificazione della rete Internet.

Challenges for the comprehensive management of cloud services in a PaaS framework

The 4CaaSt project aims at developing a PaaS framework that enables flexible definition, marketing, deployment and management of Cloud-based services and applications. The major innovations proposed by 4CaaSt are the blueprint and its lifecycle management, a one stop shop for Cloud services and a PaaS level resource management featuring elasticity. 4CaaSt also provides a portfolio of ready to use Cloud native services and Cloud-aware immigrant technologies.

4CaaSt: Comprehensive management of Cloud services through a PaaS

The 4CaaSt project aims at developing a PaaS framework that enables flexible definition, marketing, deployment and management of Cloud-based services and applications. The major innovations proposed by 4CaaSt are the blueprint and its management and lifecycle, a one stop shop for Cloud services and the management of resources in the PaaS level (including elasticity). 4CaaSt also provides a portfolio of ready to use Cloud native services and Cloud- aware immigrant technologies.

Il linguaggio Ballerina

Ballerina è un linguaggio open-source, cloud-native, progettato, quindi, con l'intento di alleggerire il carico dello sviluppo e dell'integrazione associato alle applicazioni aziendali. Questo linguaggio semplifica il modo in cui un programma comunica con la rete, che di solito avviene tramite un API (Application Program Interface). Ballerina tenta di creare un sistema integrato, riunendo i concetti, le idee e gli strumenti essenziali di integrazione di un sistema distribuito e offrendo un ambiente concorrente e sicuro per supportare lo sviluppo di API.

Sistema para a monitorização ativa com recurso ao cloud computing

O desenvolvimento de aplicações para dispositivos móveis já não é uma área recente, contudo continua a crescer a um ritmo veloz. É notório o avanço tecnológico dos últimos anos e a crescente popularidade destes dispositivos. Este avanço deve-se não só à grande evolução no que diz respeito às características destes dispositivos, mas também à possibilidade de criar aplicações inovadoras, práticas e passíveis de solucionar os problemas dos utilizadores em geral. Nesse sentido, as necessidades do quotidiano obrigam à implementação de soluções que satisfaçam os utilizadores, e nos dias de hoje, essa satisfação muitas vezes passa pelos dispositivos móveis, que já tem um papel fundamental na vida das pessoas. Atendendo ao aumento do número de raptos de crianças e à insegurança que se verifica nos dias de hoje, as quais dificultam a tarefa de todos os pais/cuidadores que procuraram manter as suas crianças a salvo, é relevante criar uma nova ferramenta capaz de os auxiliar nesta árdua tarefa. A partir desta realidade, e com vista a cumprir os aspetos acima mencionados, surge assim esta dissertação de mestrado. Esta aborda o estudo e implementação efetuados no sentido de desenvolver um sistema de monitorização de crianças. Assim, o objetivo deste projeto passa por desenvolver uma aplicação nativa para Android e um back-end, utilizando um servidor de base de dados NoSQL para o armazenamento da informação, aplicando os conceitos estudados e as tecnologias existentes. A solução tem como principais premissas: ser o mais user-friendly possível, a otimização, a escalabilidade para outras situações (outros tipos de monitorizações) e a aplicação das mais recentes tecnologias. Assim sendo, um dos estudos mais aprofundados nesta dissertação de mestrado está relacionado com as bases de dados NoSQL, dada a sua importância no projeto.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.

A QoS Controller Framework Compliant with the ETSI Network Function Virtualization Specification

The 5th generation of mobile networking introduces the concept of “Network slicing”, the network will be “sliced” horizontally, each slice will be compliant with different requirements in terms of network parameters such as bandwidth, latency. This technology is built on logical instead of physical resources, relies on virtual network as main concept to retrieve a logical resource. The Network Function Virtualisation provides the concept of logical resources for a virtual network function, enabling the concept virtual network; it relies on the Software Defined Networking as main technology to realize the virtual network as resource, it also define the concept of virtual network infrastructure with all components needed to enable the network slicing requirements. SDN itself uses cloud computing technology to realize the virtual network infrastructure, NFV uses also the virtual computing resources to enable the deployment of virtual network function instead of having custom hardware and software for each network function. The key of network slicing is the differentiation of slice in terms of Quality of Services parameters, which relies on the possibility to enable QoS management in cloud computing environment. The QoS in cloud computing denotes level of performances, reliability and availability offered. QoS is fundamental for cloud users, who expect providers to deliver the advertised quality characteristics, and for cloud providers, who need to find the right tradeoff between QoS levels that has possible to offer and operational costs. While QoS properties has received constant attention before the advent of cloud computing, performance heterogeneity and resource isolation mechanisms of cloud platforms have significantly complicated QoS analysis and deploying, prediction, and assurance. This is prompting several researchers to investigate automated QoS management methods that can leverage the high programmability of hardware and software resources in the cloud.

Assessing success of forest restoration efforts in degraded montane cloud forests in southern Mexico

Montane cloud forests are home to great biodiversity. However, non-sustainable anthropogenic activities have led to the loss of forest cover in southern Mexico. Increasing conservation, restoration and sustainable use of forest resources prevents the loss of cloud forests. In this study, success of forest restoration was evaluated in a degraded forest of Highlands Chiapas. The goal of this study was to assess the structure and composition of native tree species. We evaluated vegetation composition at three sites that had undergone enrichment plantings. Floristic composition and structure of the herbaceous, seedling, sapling, and overstory layers were measured. A total of sixty-six native tree species were recorded. Enrichment planting was found to have increased tree diversity. Moreover, 54% of the planted species were found in the understory, indicating that they were successfully recruiting. In conclusion, enrichment planting can aid in the conservation of forest cover in degraded areas.

Network Store: Exploring Slicing in Future 5G Networks

In this paper, we present a revolutionary vision of 5G networks, in which SDN programs wireless network functions, and where Mobile Network Operators (MNO), Enterprises, and Over-The-Top (OTT) third parties are provided with NFV-ready Network Store. The proposed Network Store serves as a digital distribution platform of programmable Virtualized Network Functions (VNFs) that enable 5G application use-cases. Currently existing application stores, such as Apple's App Store for iOS applications, Google's Play Store for Android, or Ubuntu's Software Center, deliver applications to user specific software platforms. Our vision is to provide a digital marketplace, gathering 5G enabling Network Applications and Network Functions, written to run on top of commodity cloud infrastructures, connected to remote radio heads (RRH). The 5G Network Store will be the same to the cloud as the application store is currently to a software platform.

SDN: os novos desafios na gestão de redes de comunicação

Com a evolução da Informática e com o aparecimento de novos dispositivos com acesso à Internet, o número destes dispositivos subiu acentuadamente, logo, o fluxo de tráfego na rede também. Apesar deste aumento de fluxo, os utilizadores desejam, cada vez mais, que o seu acesso à Internet e os conteúdos que utilizam sejam rápidos e que haja inovações nos serviços das operadoras a que estão associados. Por isso, é importante simplificar a rede tradicional. Esta simplificação leva à programação de redes que, por sua vez, está diretamente relacionada com o SDN. Também a virtualização de redes está relacionada com este tema da programação de redes, visto terem surgido duas abordagens que são convergentes e que se podem complementar: SDN e NFV. Tendo em conta a vantagem e o potencial do SDN, a sua utilização na gestão de serviços de comunicação veio a revelar-se muito útil para colmatar alguns dos problemas até aí encontrados. Por isso propõe-se a criação de uma solução de apoio ao desenvolvimento e teste de redes e serviços de comunicação antes de estes serem colocados em produção. A automatização de processos ou utilização de ferramentas de apoio à evolução e otimização da rede fazem com que a mesma se torne mais rápida, intuitiva e menos suscetível a falhas. Estes fatores levam a que novos serviços possam ser criados e colocados mais rapidamente em produção, como é desejo de consumidores e operadoras de telecomunicação. Assim, tanto os recursos humanos como os recursos materiais serão muito mais bem aproveitados. Tudo isto, tendencialmente, levará a uma melhoria dos resultados financeiros das operadoras.

Radio over fiber enabling PON fronthaul in a two-tiered cloud

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé).