Uma arquitetura orientada a serviços com suporte ao fatiamento na borda da rede para a internet de veículos
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFPE |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/41372 |
Resumo: | As redes veiculares são fundamentais para as atuais e futuras cidades inteligentes. Espera-se que o consumo de streaming de vídeo, bem como de mapas de alta definição atualizados em tempo real para o suporte aos carros autônomos, aumentem significativamente o tráfego de dados nos sistemas de transporte inteligentes (ITS - Intelligent Transportation System). Para este fim, a infraestrutura de comunicação e computação tem que lidar com a natureza dinâmica das redes veiculares. Os serviços virtualizados, já bem conhecidos de plataformas tradicionais baseadas em nuvem, devem estar alinhados aos requisitos veiculares, como suporte à baixa latência, QoS e mobilidade. Dois componentes-chave das redes 5G auxiliam no atendimento de tais requisitos: fatiamento de rede (Network Slicing) e MEC (Multi-access Edge Computing). Enquanto o fatiamento de rede permite que diferentes serviços compartilhem o mesmo substrato de rede física por meio de redes virtuais, a MEC fornece aplicações e serviços próximos ao usuário final, isto é, na borda da rede, evitando atrasos devido ao acesso a nuvens remotas. Apesar de seus benefícios, a MEC e o fatiamento de rede são, geralmente, aplicados de forma independente como soluções para requisitos de redes veiculares. Com o objetivo de fornecer uma solução conjunta que compreenda o fatiamento de rede e MEC para a Internet de veículos, esta dissertação desenvolveu uma arquitetura orientada a serviços chamada OPENS-IoV (On-demand Provisioning of Edge-based Network Slicing for IoV ). A dissertação concebeu um middleware orientado a mensagens com base no modelo publish/subscribe. As camadas da arquitetura do middleware estão alinhadas com 5G SBA (Service Based Architecture) e incluem o componente MANO (Management and Network Orchestration). A proposta consiste em uma estratégia de cache parcialmente inspirada nos princípios de NDN (Named Data Networking) para reduzir a latência. Além disso, mecanismos de elasticidade são propostos no contexto do gerenciamento do ciclo de vida e alocação dinâmica de VNFs (Virtualized Network Function) e SFCs (Service Function Chaining) para lidar com as flutuações do tráfego veicular. Para demonstrar a eficácia da proposta, foi desenvolvido um testbed para avaliar a transmissão de vídeos em SD e 4K em um cenário de rede veicular. Os compromissos entre o provisionamento reativo e proativo de fatias de rede e os benefícios da estratégia de cache realizada na MEC foram discutidos e demonstrados por meio de métricas como utilização de CPU, uso de memória, latência de provisionamento de fatias de rede e latência total para a entrega do serviço. Com base nos resultados obtidos, foram identificados ganhos significativos com a alocação proativa e em cenários utilizando cache. Através da estratégia de cache adotada foi possível obter uma redução de até 96,56% no tempo de resposta mínimo e até 39,84% no tempo de resposta máximo. Também foi possível constatar que o uso de mecanismos de cache pode impactar diretamente no gerenciamento dos recursos computacionais. |
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BARBOSA, Roseli da Rochahttp://lattes.cnpq.br/7517028268889889http://lattes.cnpq.br/8664169441117482DIAS, Kelvin Lopes2021-10-18T18:04:02Z2021-10-18T18:04:02Z2021-03-05BARBOSA, Roseli da Rocha. Uma arquitetura orientada a serviços com suporte ao fatiamento na borda da rede para a internet de veículos. 2021. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2021.https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/41372As redes veiculares são fundamentais para as atuais e futuras cidades inteligentes. Espera-se que o consumo de streaming de vídeo, bem como de mapas de alta definição atualizados em tempo real para o suporte aos carros autônomos, aumentem significativamente o tráfego de dados nos sistemas de transporte inteligentes (ITS - Intelligent Transportation System). Para este fim, a infraestrutura de comunicação e computação tem que lidar com a natureza dinâmica das redes veiculares. Os serviços virtualizados, já bem conhecidos de plataformas tradicionais baseadas em nuvem, devem estar alinhados aos requisitos veiculares, como suporte à baixa latência, QoS e mobilidade. Dois componentes-chave das redes 5G auxiliam no atendimento de tais requisitos: fatiamento de rede (Network Slicing) e MEC (Multi-access Edge Computing). Enquanto o fatiamento de rede permite que diferentes serviços compartilhem o mesmo substrato de rede física por meio de redes virtuais, a MEC fornece aplicações e serviços próximos ao usuário final, isto é, na borda da rede, evitando atrasos devido ao acesso a nuvens remotas. Apesar de seus benefícios, a MEC e o fatiamento de rede são, geralmente, aplicados de forma independente como soluções para requisitos de redes veiculares. Com o objetivo de fornecer uma solução conjunta que compreenda o fatiamento de rede e MEC para a Internet de veículos, esta dissertação desenvolveu uma arquitetura orientada a serviços chamada OPENS-IoV (On-demand Provisioning of Edge-based Network Slicing for IoV ). A dissertação concebeu um middleware orientado a mensagens com base no modelo publish/subscribe. As camadas da arquitetura do middleware estão alinhadas com 5G SBA (Service Based Architecture) e incluem o componente MANO (Management and Network Orchestration). A proposta consiste em uma estratégia de cache parcialmente inspirada nos princípios de NDN (Named Data Networking) para reduzir a latência. Além disso, mecanismos de elasticidade são propostos no contexto do gerenciamento do ciclo de vida e alocação dinâmica de VNFs (Virtualized Network Function) e SFCs (Service Function Chaining) para lidar com as flutuações do tráfego veicular. Para demonstrar a eficácia da proposta, foi desenvolvido um testbed para avaliar a transmissão de vídeos em SD e 4K em um cenário de rede veicular. Os compromissos entre o provisionamento reativo e proativo de fatias de rede e os benefícios da estratégia de cache realizada na MEC foram discutidos e demonstrados por meio de métricas como utilização de CPU, uso de memória, latência de provisionamento de fatias de rede e latência total para a entrega do serviço. Com base nos resultados obtidos, foram identificados ganhos significativos com a alocação proativa e em cenários utilizando cache. Através da estratégia de cache adotada foi possível obter uma redução de até 96,56% no tempo de resposta mínimo e até 39,84% no tempo de resposta máximo. Também foi possível constatar que o uso de mecanismos de cache pode impactar diretamente no gerenciamento dos recursos computacionais.CAPESVehicular networks are critical for current and future smart cities. The consumption of video streaming, as the real time delivery of high-definition maps to support autonomous cars, it is expected to significantly increase data traffic in Intelligent Transportation System (ITS). For this purpose, the communication and computing infrastructure has to deal with the dynamic nature of vehicular networks. Virtualized services, already well-known for traditional cloud-based platforms, must be aligned with vehicle requirements, such as support for low latency, QoS and mobility. Two key components of 5G networks aid such requirements: Network Slicing and MEC (Multi-access Edge Computing). While network slicing allows different services to share the same physical network substrate through virtual networks, MEC provides applications and services close to the end user, that is, at the edge of the network, avoiding delays due to cloud-based remote access. Despite their benefits, MEC and network slicing are generally applied independently as solutions for vehicle network requirements. In order to provide a joint solution that comprises network slicing and MEC for the Internet of Vehicles, this dissertation developed a service-oriented architecture called OPENS-IoV (On-demand Provisioning of Edge-based Network Slicing for IoV). This dissertation implemented a message-oriented middleware based on the publish/subscribe model. The middleware architecture layers are aligned with 5G SBA (Service Based Architecture) and include the MANO (Management and Network Orchestration) component. The proposal consists of a cache strategy partially inspired by the principles of NDN (Named Data Networking) to reduce latency. Besides, elasticity mechanisms are proposed in the context of life cycle management and dynamic allocation of VNFs (Virtual Network Functions) and SFCs (Service Function Chains) to deal with vehicular traffic fluctuations. To demonstrate the effectiveness of the proposal, a testbed was developed to evaluate the transmission of videos in SD and 4K in a vehicular network scenario. The tradeoffs between reactive and proactive provisioning of network slices and the benefits of the cache strategy performed at MEC were discussed and demonstrated using metrics such as CPU utilization, memory usage, network slice provisioning latency, and total latency for service delivery. Based on the results obtained, we identified significative gains with proactive allocation and scenarios using cache. By means of the cache strategy it was possible to obtain a reduction of 96.56% in the minimum response time and 39.84% in the maximum response time. In addition, it was also possible to determine that the use of cache mechanisms can directly impact the management of computational resources.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Ciencia da ComputacaoUFPEBrasilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/embargoedAccessRedes de computadoresInternet de veículosUma arquitetura orientada a serviços com suporte ao fatiamento na borda da rede para a internet de veículosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesismestradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALDISSERTAÇÃO Roseli da Rocha Barbosa.pdfDISSERTAÇÃO Roseli da Rocha Barbosa.pdfapplication/pdf2661952https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/41372/1/DISSERTA%c3%87%c3%83O%20Roseli%20da%20Rocha%20Barbosa.pdfebea71d36a00a0c291b8b67b0cc095c8MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/41372/2/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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As redes veiculares são fundamentais para as atuais e futuras cidades inteligentes. Espera-se que o consumo de streaming de vídeo, bem como de mapas de alta definição atualizados em tempo real para o suporte aos carros autônomos, aumentem significativamente o tráfego de dados nos sistemas de transporte inteligentes (ITS - Intelligent Transportation System). Para este fim, a infraestrutura de comunicação e computação tem que lidar com a natureza dinâmica das redes veiculares. Os serviços virtualizados, já bem conhecidos de plataformas tradicionais baseadas em nuvem, devem estar alinhados aos requisitos veiculares, como suporte à baixa latência, QoS e mobilidade. Dois componentes-chave das redes 5G auxiliam no atendimento de tais requisitos: fatiamento de rede (Network Slicing) e MEC (Multi-access Edge Computing). Enquanto o fatiamento de rede permite que diferentes serviços compartilhem o mesmo substrato de rede física por meio de redes virtuais, a MEC fornece aplicações e serviços próximos ao usuário final, isto é, na borda da rede, evitando atrasos devido ao acesso a nuvens remotas. Apesar de seus benefícios, a MEC e o fatiamento de rede são, geralmente, aplicados de forma independente como soluções para requisitos de redes veiculares. Com o objetivo de fornecer uma solução conjunta que compreenda o fatiamento de rede e MEC para a Internet de veículos, esta dissertação desenvolveu uma arquitetura orientada a serviços chamada OPENS-IoV (On-demand Provisioning of Edge-based Network Slicing for IoV ). A dissertação concebeu um middleware orientado a mensagens com base no modelo publish/subscribe. As camadas da arquitetura do middleware estão alinhadas com 5G SBA (Service Based Architecture) e incluem o componente MANO (Management and Network Orchestration). A proposta consiste em uma estratégia de cache parcialmente inspirada nos princípios de NDN (Named Data Networking) para reduzir a latência. Além disso, mecanismos de elasticidade são propostos no contexto do gerenciamento do ciclo de vida e alocação dinâmica de VNFs (Virtualized Network Function) e SFCs (Service Function Chaining) para lidar com as flutuações do tráfego veicular. Para demonstrar a eficácia da proposta, foi desenvolvido um testbed para avaliar a transmissão de vídeos em SD e 4K em um cenário de rede veicular. Os compromissos entre o provisionamento reativo e proativo de fatias de rede e os benefícios da estratégia de cache realizada na MEC foram discutidos e demonstrados por meio de métricas como utilização de CPU, uso de memória, latência de provisionamento de fatias de rede e latência total para a entrega do serviço. Com base nos resultados obtidos, foram identificados ganhos significativos com a alocação proativa e em cenários utilizando cache. Através da estratégia de cache adotada foi possível obter uma redução de até 96,56% no tempo de resposta mínimo e até 39,84% no tempo de resposta máximo. Também foi possível constatar que o uso de mecanismos de cache pode impactar diretamente no gerenciamento dos recursos computacionais. |
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