Resource provisioning for inter-domain IoT services in edge-cloud SDN-based networks

Nguyen, Duong Tuan (2022). Resource provisioning for inter-domain IoT services in edge-cloud SDN-based networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The introduction of IoT networks with a large number of devices and diversity of smart IoT applications aims to improve the quality of human life. The heterogeneity of control and communication technologies from device to device, the fluctuating workload and low latency requirements of IoT applications pose a great pressure onto core network resource that traditional networks’ solutions are insufficient to handle while there are still obstacles that must be overcome before novel paradigms like SDN/NFV, edge-cloud computing paradigm can advance to be widely deployed. In particular, SDN controllers will face resource scalable challenges to deal with numerous queries from SDN forwarding elements for appropriate forwarding actions for traffic flows of IoT services that they encounter. On the other hand, in edge-cloud architecture, it is important to define a strategy to optimally allocate the virtual resources either at remote clouds for computation-intensive tasks or close to end-users at edge cloud on equipment within their premises to reduce E2E service latency. No prior work has taken into account the problem of virtual resource placement and chaining for edge-cloud SDN-based networks. Thus, the goal of this dissertation is to design efficient computing and networking resource placement and chaining strategy over both SDN control and forwarding planes. We present an E2E latency model for interworking services deployed over multiple domains that minimizes the total cost of resource usage and service operations while meeting QoS and QoE requirements as well as maintaining the system’s queue stability given dynamic service demand.

In order to meet this goal, three key problems are to be addressed in our framework and are summarized as follows: i) how to optimize VNF resource placement and chaining in edge-cloud networks? ii) how to model and optimize resource placement and chaining solution in a heterogeneous network with a large number of nodes operated by SDN? iii) how to improve the QoS in terms of E2E service latency for multi-domain interworking services according to the availability of physical resources?

Our first contribution is to model the VNF placement and chaining problem regarding aggregated input traffic from IoT devices. The E2E latency of service chains, the links connecting clouds, IoT gateways, and edges. To solve the formulated non-convex optimization problem, we design a Markov approximation-based solution that adopts multistart and batching techniques (MBMAP) to solve the combinatorial optimization problem. Our solution runs distributedly and consequently accelerates convergent rate.

To address the second problem, we present a comprehensive model of resource allocation for both SDN controlling and forwarding planes and formulate it as a joint optimization problem. We adopt the Lyapunov queueing optimization framework to transform this long-term optimization problem into a series of real-time problems and employ the exponentiated gradient ascent method on the transformed problems to find a near-optimal solution. In addition, an implementation architecture for the orchestration of heterogeneous resource controllers is also designed.

Finally, to address the third problem, we present an NFV-based interworking architecture enabling multi-domain orchestration, i.e. IMS and WebRTC domains, and provide the message exchanges required for service chains. Our E2E service latency model represents the real-time resource allocation objective. A real-time algorithm based on the Markov approximation framework is designed to allocate VNF resources with optimal cost and minimize impact from QoS violation during scaling periods. Experimental results reveal that our algorithm effectively responds to fluctuating service demands with a service cost reduced by 19% with respect to QoS requirements.

Titre traduit

Provisionnement des ressources pour les services IdO inter-domaines dans les réseaux infonuagique-périphérique programmable

Résumé traduit

L’Internet des objets (IdO) se caractérisant par un grand nombre des objets connectés et une multitude d’applications intelligentes a été introduit pour améliorer la qualité de la vie humaine. L’hétérogénéité des technologies de contrôle et de communication des objets, la charge de travail fluctuante et l’exigence de faible latence des applications IdO imposent une grande pression sur les ressources de réseau que les solutions traditionnelles ne sont pas capable de gérer alors qu’il reste encore des obstacles pour les nouveaux paradigmes de gestion tels que SDN/NFV. En particulier, les contrôleurs SDN font face à des défis d’insuffisance des ressources pour prendre de décision de transfert pour plusieurs requêtes provenant simultanément des équipements de communication SDN servant des services IdO. De l’autre côté, dans l’architecture infonuagique-périphérique, il est important de définir une stratégie pour optimiser l’allocation des ressources virtuelles requises soit sur l’infonuagique à distance pour les tâches de calcul intensif, soit à proximité des utilisateurs finaux sur des équipements locaux pour réduire la latence de bout-en-bout. Dans la littérature, aucun des travaux antérieurs n’a pris en compte le problème con-joint du placement et du chaînage des ressources virtuelles pour les réseaux SDN d’infonuagique-périphérique. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de concevoir une stratégie efficace pour le placement et le chaînage des ressources de calcul de réseau en même temps sur les plans de contrôle et de transfert SDN. Nous présentons un modèle de latence de bout-en-bout pour les services d’interfonctionnement déployés sur plusieurs domaines différents, tels que IMS et WebRTC, qui minimise le coût total de l’utilisation des ressources et des opérations de service tout en répondant aux exigences de QdS et QdE ainsi qu’en maintenant la stabilité du système en fonction des demandes dynamiques.

Afin d’atteindre cet objectif, trois problèmes clés doivent être étudiés dans notre cadre de travail comme les suivants: i) comment optimiser le placement et le chaînage des ressources VNF dans le réseau infonuagique-périphérique? ii) comment modéliser et mettre en oeuvre une solution optimisée de placement et de chaînage des ressources dans un réseau hétérogène avec un grand nombre de noeuds opéré par SDN? iii) comment améliorer la QoS en termes de latence du service de bout-en-bout pour les services d’interfonctionnement multi-domaines selon la disponibilité des ressources physiques?

Pour le premier problème, nous modélisons le placement et le chaînage des VNF en tenant en compte le trafic agrégé des appareils IdO, la latence de bout-en-bout des chaînes de services, et les liens entre l’infonuagique, les passerelles IdO, et les nuages péréphériques. Pour résoudre le problème d’optimisation non-convexe formulé, nous concevons une solution basée sur l’approximation de Markov qui adopte des techniques multistart et batching (MBMAP) pour résoudre le problème d’optimisation combinatoire. Notre solution est exécutée de manière distribuée et par conséquent accélère le taux de convergence.

Pour résoudre le deuxième problème, nous présentons un modèle d’allocation de ressources pour les plans de contrôle et de transfert SDN et le formulons comme un problème d’optimisation conjointe. Nous adoptons le cadre d’optimisation des files d’attente de Lyapunov pour transformer ce problème d’optimisation à long terme en une série de problèmes en temps réel et utilisons la méthode de remontée de gradient exponentielle sur les problèmes transformés pour trouver une solution quasi-optimale. De plus, une architecture d’implémentation pour l’orchestration de contrôleurs de ressources hétérogènes est également conçue.

Enfin, pour résoudre le troisième problème, nous présentons une architecture d’interfonctionnement basée sur NFV permettant l’orchestration multi-domaines, e.g., les domaines IMS et WebRTC, et définissons les échanges de messages requis pour le chaînage de services. Notre modèle de latence du service de bout-en-bout représente l’objectif d’allocation des ressources en temps réel. Un algorithme en temps réel basé sur le cadre d’approximation de Markov est conçu pour allouer des ressources VNF avec un coût optimal et minimiser l’impact de la violation de QoS pendant la période de mise à l’échelle. Les résultats expérimentaux montrent que notre algorithme répond efficacement aux demandes de service fluctuantes avec un coût de service réduit de 19% tout en respectant la QdS.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 153-175).
Mots-clés libres:	service IdO, SDN/NFV, calcul périphérique, placement et chaînage VNF, placement du contrôleur SDN, approximation de Markov, optimisation de la file d’attente Lyapunov, IMS, WebRTC
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cheriet, Mohamed
Codirecteur:	Codirecteur Nguyen, Kim Khoa
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 mai 2022 17:50
Dernière modification:	24 mai 2022 17:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2990

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