Analysis of virtual network functions for 5G networks through a fault injection approach

The fifth generation (5G) mobile network is on its way to change the future connectivity. Rather than an evolution, 5G networks will be a revolution in the telecommunication world, due to the increasingly high number of requirements and challenges that the next generation mobile network must address. Ultra high speed radio access, greatly enhanced responsiveness and reliability, massive number of new connected IoT devices with very different network requirements, are only some the challenges that future networks need to face. The next generation mobile network relies on a number of technologies to achieve such an accomplishment. Virtualization is, rightfully, considered a an enabling technology for the 5G vision as it allows to properly meet many of new, challenging 5G requirements. Instead of leveraging proprietary, monolithic hardware appliances, network functions, that power up today telecommunication, will be software implemented and run on top of commodity hardware inside virtual machines. They will be managed by an orchestrator, which will chain them together to form more complex virtual network services (VNS). A lot of effort is already being spent on the virtualization of core mobile network components like the Evolved Packet Core. Virtualization will enable scalability, flexibility when it comes to provide new network services, a significant cost reduction and it will enable network slicing to better be able to meet the greatly varying network requirements that IoT devices expose. This thesis work is focused on analyzing virtual network services (VNS) through a fault injection based approach, which can be defined as the process of stressing and injecting faults to components of a VM, hosting a virtual network function (VNF), and even limiting or disabling some of its functionalities in order to test its functioning under challenging conditions, that mimic real world high pressure scenarios. The Fault Injection Approach allows us to draw conclusions and spot weaknesses of virtual network functions (VNF) in order to provide reports to developers. It also allows us to evaluate how well the orchestrator and the underlying platform are able to scale VNFs, to manage their faults, to restore their state before failure. Fault Injection is carried through a fault injection tool, developed on purpose using the java language. Such a tool connects through SSH to VMs hosting a VNF and inject a number of different faults to test their behaviour under challenging conditions. Tests will be run on two different VNSs: Iperf-VNS and the SIP-VNS.

La quinta generazione delle reti mobili è destinata a cambiare drasticamente la connettività del futuro. Più che un’evoluzione, le nuove reti 5G saranno una rivoluzione nel mondo delle telecomunicazioni, a causa del crescente numero di requisiti e sfide che la prossima generazione di reti mobile dovrà affrontare. Una nuova, superveloce rete wireless di accesso, grandi miglioramenti dell’affidabilità e della latenza, un enorme numero di nuovi dispositivi e sensori con requisiti di rete molto diversi fra loro, sono solo alcune delle sfide che le nuove reti 5G dovranno affrontare nei prossimi anni. Il raggiungimento degli obiettivi fissati sarà possibile grazie all’utilizzo e allo sfruttamento di un gran numero di tecnologie, siano esse evoluzioni di soluzioni tecniche già esistenti o nuove introduzioni nel mondo delle telecomunicazioni. La virtualizzazione è, giustamente, considerata una tecnologia chiave per le reti di nuova generazione, in quanto facilita l’adempimento di diversi requisiti fondamentali delle reti 5G. Invece di utilizzare hardware proprietario e monolitico, le funzioni di rete saranno implementate in software eseguite come macchine virtuali su server general purpose. Un orchestrator si occuperà della gestione di ogni singola funzione di rete virtuale (Virtual Network Function, VNF), e le connetterà tra loro per formare più complessi servizi di rete virtuali (Virtual Network Services, VNS). Molto lavoro è già stato dedicato alla virtualizzazione di alcuni componenti fondamentali delle reti mobili come Evolved Packet Core. Tra i vantaggi portati dalla tecnologia di virtualizzazione i più importanti nell’ottica 5G sono sicuramente la scalabilità dei VNSs, una significativa riduzione dei costi, grande flessibilità nell’offrire all’utente nuovi servizi di rete. Il lavoro di tesi in questione si focalizza sull’analisi di VNSs e VNFs tramite un approccio basato sul concetto di fault injection. Tale approccio può essere definito come il processo tramite cui si stressano vari componenti di una macchine virtuale che ospita una VNF, o si generano artificialmente delle condizioni di errore all’interno della stessa, con l’obiettivo di testarne il comportamento e il funzionamento in condizioni simili a quelle in cui si troverebbe nel mondo reale quando sottoposta a grandi volumi di traffico. L’analisi tramite fault injection consente di ottenere un duplice vantaggio. Da la possibilità di valutare le vulnerabilità e le debolezze dell’implementazione di una VNF e, allo stesso tempo, da la possibilità di valutare quanto efficacemente la piattaforma software di gestione dei VNSs è in grado di scalarli, di reagire a condizioni di errore che essi generano, di ripristinare il loro stato prima del verificarsi di un errore. In questo lavoro di tesi, l’analisi basata su fault injection è stata condotta tramite un fault injection tool (FIT) scritto nel linguaggio Java. Il FIT si connette tramite il protocollo SSH alle macchine virtuali che ospitano VNFs, genera diverse condizioni di stress ed errori per poi poter analizzare il comportamento delle stesse e il comportamento complessivo di tutto il VNS. Test di questo tipo sono stati eseguiti su servizi di rete virtuali quali Iperf-VNS e SIP-VNS.