Contribución a las arquitecturas de virtualización de funciones de red y redes definidas por software aplicadas a las redes residenciales con gestión centrada en el usuario

Resumen

La presente tesis doctoral aborda tres problemas puntuales de las redes residenciales. Por una parte, la usabilidad o capacidad de uso restringida que presentan las redes residenciales debido a que se requieren conocimientos técnicos para ejercer las tareas de gestión los cuales son inexistentes en la mayoría de usuarios. En segundo lugar, el alto grado de heterogeneidad en cuanto a perfiles de usuario, dispositivos finales y tecnologías de red presentes en el entorno residencial. En tercer lugar, la flexibilidad limitada para agregar nuevas funciones que permitan mejorar el servicio de conectividad que proporciona la red residencial y de esta manera cumplir con los requerimientos que imponen determinados servicios multimedia. De acuerdo con el estado del arte, los problemas antes descritos son el resultado de haber establecido en el entorno residencial un modelo de red al estilo de Internet en el cual es necesario garantizar el conocimiento y la experiencia técnica. A esto se suma la falta de libertad que presentan las redes de hoy en día para permitir que un servicio de red evolucione y se adapte a las necesidades dinámicas, exigentes y variadas tanto de aplicaciones multimedia como de usuarios de servicios de red. En este contexto, la principal contribución de esta tesis doctoral consiste en el diseño de una arquitectura de gestión para las redes residenciales que aprovecha los beneficios de los nuevos paradigmas de Virtualización de Funciones de Red (VNF) y Redes Definidas por Software (SDN) para permitir el uso del enfoque centrado en el usuario y facilitar su implementación. En este escenario, los usuarios participan activamente en las tareas de gestión de sus propias redes mediante el uso de aplicaciones para la Gestión de la Red Residencial, denominadas como “aplicaciones RENEMA”. Estas aplicaciones, las cuales están adaptadas a las habilidades de un usuario promedio, permiten personalizar la red con base en los requisitos del usuario con el objetivo de mejorar la usabilidad de la red y hacer frente al alto grado de heterogeneidad que el entorno residencial presenta. Por otra parte, para facilitar la implementación del enfoque centrado en el usuario, se proporcionan diferentes Servicios de Red Residencial (RENESEs) encargados de simplificar la configuración y monitoreo de red de bajo nivel a la cual deben enfrentarse los desarrolladores de aplicaciones RENEMA. La segunda contribución consiste en implementar un tratamiento de tráfico diferenciado con soporte de Calidad de Servicio (QoS) para enriquecer el servicio de conectividad que proporciona la red residencial. El tratamiento de tráfico diferenciado permite que la red residencial cumpla con los requerimientos divergentes de las aplicaciones o servicios que se ejecutan en la red, tales como el video bajo demanda o los juegos en línea, para que puedan lograr un rendimiento óptimo. Para este fin, se propone que desde la arquitectura de gestión se coordine el funcionamiento colaborativo de los componentes SDN y NFV de tal manera que sus aportaciones individuales sean complementadas entre sí. En este escenario, el componente SDN desplegado en las instalaciones del usuario, se encarga de diferenciar el tráfico mientras que el componente NFV se encarga de desplegar una Cadena de Función de Servicio (SFC) en la infraestructura de computación en la Nube del ISP para asociarla al tráfico previamente diferenciado. Para validar las propuestas presentadas, se ha planteado un caso de uso y se ha desarrollado una prueba de concepto la cual ha requerido la definición de un escenario de validación compuesto por diferentes redes residenciales, la red de acceso y la infraestructura de computación en la Nube del ISP. Para implementar el escenario de validación se han desarrollado dos bancos de prueba virtual en los cuales se ha llevado a cabo pruebas de desempeño y de provisión de QoS. Los resultados obtenidos han permitido verificar la factibilidad y los beneficios que proporciona la arquitectura de gestión propuesta. Adicionalmente, se ha explicado el proceso a seguir para implementar el Dominio de Gestión y Redes virtualizado (vMANDO) como un Servicio de Red (NS) en el contexto de NFV mediante plantillas de despliegue o descriptores y considerando el perfil de NFV desarrollado por TOSCA.