Pushing Prefix-Monotone Constraints into Sequential

Segundo o ETSI, network slices precisarão ser gerenciadas por sistemas automati- zados, autonômicos e autônomos, para atender a requisitos dinâmicos como flexibili- dade, escalabilidade, extensibilidade, elasticidade, dentre outros. Neste sentido, o ETSI define a elasticidade em network slices (NSE, do inglês Network Slice Elasticity) como sendo um mecanismo capaz de disparar o aumento ou decréscimo de todos os recur- sos, e/ou funções de rede e serviços conforme habilitado por um modelo de informa- ção comum que fornece políticas de elasticidade para o aumento ou redução de recursos (ALEX GALIS, KIRAN MAKHIJANI, DELEI YU AND BING LIU, 2018).

No contexto de network slicing, a elasticidade deve desempenhar um papel parecido com o exercido em ambientes de nuvens, no entanto, as operações de elasticidade não podem sofrer interrupções. Em redes, as flutuações temporais e espaciais do tráfego exi- gem que a rede dimensione recursos de forma eficiente, de modo que, no caso de picos

de altas demandas, a rede adapte sua operação e redistribua os recursos disponíveis con- forme necessário, dimensionando adequadamente a operação da rede. Essa flexibilidade pode ser aplicada através de recursos computacionais e recursos de comunicação dando origem ao termo elasticidade de recursos (resource elasticity) no cenário do network slicing (GUTIERREZ-ESTEVEZ et al., 2018).

Da mesma forma, de acordo com Afolabi et al. (2018), a elasticidade é uma opera- ção essencial relacionada com os recursos alocados para uma network slice específica, no intuito de assegurar os acordos de níveis de serviço (SLA, do inglês Service Level Agre- ement ) desejado sob condições variadas de (i) rádio e rede, (ii) quantidade de usuários que atendem ou (iii) área geográfica de mobilidade do usuário. Logo, a elasticidade de recursos pode ser realizada através da reformulação do uso dos recursos alocados para uma network slice por intermédio de ações de scaling up/down, realocação de VNFs ou ajustando as políticas aplicadas aos recursos de uma network slice e reprogramando as funcionalidades de certos elementos nos planos de dados e controle.

2.3.4.1 Requisitos para Elasticidade de Recursos

A elasticidade de uma slice de rede pode ser definida como sua capacidade de se adap- tar às mudanças de diferentes cargas de maneira automática e autônoma, de modo que, a cada momento, os recursos disponíveis correspondam à demanda da forma mais pró- xima e eficiente possível (GUTIERREZ-ESTEVEZ et al., 2018). Neste sentido, existem alguns conceitos chaves que devem ser endereçados quando estamos lidando com a elasticidade em ambientes de network slicing: (i) a network slice em estudo; (ii) um ou mais recursos, suportando a network slice; (iii) uma ou mais saídas, resultantes da execução da slice (MUMFORD, 2017).

Conforme Mumford (2017), a elasticidade dos recursos, em ambientes do network slicing, pode ser explorada a partir de diferentes perspectivas(dimensões de elasticidade). Para tal, existem diferentes requisitos para aplicabilidade da elasticidade em ambientes de network slicing. Esses novos requisitos são tratados nas próximas subseções.

2.3.4.2 Elasticidade no nível de VNF

Eficiência e elasticidade estão diretamente relacionadas, pois melhores decisões de elasticidade resultam em maior eficiência, porém, esta proposição nem sempre é verdadeira na outra direção, uma vez que a eficiência pode ser influenciada por diversos outros fatores

não relacionados à elasticidade (HERBST; KOUNEV; REUSSNER, 2013).

A execução de VNFs é suportada tanto por recursos de computação (CPU, arma- zenamento, memória RAM) quanto por recursos de rede e comunicação (transporte da rede, espectro). Neste cenário, para que VNFs sejam elásticas, devem ser capazes de lida- rem com variações acerca da disponibilidade destes recursos, sem causar uma degradação abrupta nos serviços providos por uma função. Dependendo da relação entre a falta de recursos e a redução de performance obtida, uma graceful degradation de uma função pode ser definida como o decréscimo do percentual de recursos que é limitado por uma redução percentual de desempenho similar ou menor. Além disso, uma função requer um conjunto mínimo de recursos para poder fornecer qualquer saída. Da mesma forma, quando a carga no sistema é baixa, VNFs elásticas devem se comportar de maneira elástica, evitando o provisionamento excessivo de recursos desnecessários.

A capacidade de uma função de se adaptar a variações nos recursos disponíveis pode resultar em uma operação mais eficiente, que pode ser interpretada em termos de dois con- ceitos relacionados: por um lado, para atender ao mesmo conjunto de VNFs, um sistema elástico requer menos recursos de computação, ou seja, pode ser melhor dimensionado e operado, levando a um ganho de eficiência de custos. Por outro lado, com o mesmo con- junto de recursos, pode suportar um número maior de VNFs, melhorando a eficiência da utilização de recursos, explorando ganhos de multiplexação ou implantando VNFs onde os recursos estão disponíveis.

Com base no exposto, existem diferentes eixos para avaliar a elasticidade de uma função de rede: (i) em termos de sua saída: confiabilidade; (ii) em termos de seu conjunto mínimo de recursos necessários: pegada mínima (minimum footprint ); (iii) em termos do impacto da falta de recursos no seu resultado: degradação; (iv) em termos de perspectiva de todo o sistema: os ganhos de eficiência de custo-benefício ou utilização de recursos.

2.3.4.3 Elasticidade no nível de Network Slicing

O projeto elástico de uma VNF, descrito anteriormente, desempenha um papel fun- damental no impacto da elasticidade de uma network slice, que são definidas como um encadeamento de VNFs para prover um determinado serviço de telecomunicação. Efe- tivamente, o encadeamento de uma sequencia de VNFs com diferentes indicadores de performance de elasticidade irá resultar em uma elasticidade geral associada a um inqui- linos executando um ou mais serviços usando uma network slice. Isso acaba afetando a QoE ou QoS percebida pelos usuários, que podem experimentar diferentes degradações

de desempenho de acordo com o nível de elasticidade fornecido pelo inquilino da slice.

2.3.4.4 Elasticidade no nível de Infraestrutura

A infraestrutura desempenha um papel fundamental para que VNFs possam exercer suas características de elasticidade. Diante disso, o provedor da infraestrutura deve utilizar mecanismos para prover elasticidade em alto nível, como por exemplo, escolher quantas network slices devem ser hospedadas em uma mesma infraestrutura. Estas escolhas do provedor de infraestrutura são feitas com base, por exemplo, em algoritmos de controle de admissão para garantir que o SLA com os vários inquilinos de slices seja sempre cumprido.

Para a elasticidade em nível de infraestrutura são usados KPIs que fornecem informa- ções sobre os efeitos de melhores capacidades para prover network slices, ou seja, a perda média de desempenho em comparação com os ganhos monetários que um maior número de network slices pode fornecer ou números específicos sobre quantas network slices pode ser hospedado por uma determinada implantação numa infraestrutura.

2.3.4.5 Indicadores de Performance

De acordo com o projeto EU H2020 5G-MoNArch, a implementação de abordagens elásticas no projeto de redes necessita quantificar seu comportamento, avaliar seu projeto e servir como entrada para orquestração de elasticidade, sendo este responsável por decidir onde alocar as VNFs tendo como um de seus princípios o grau de elasticidade requerida por cada slice (MUMFORD, 2017). Nesta perspectiva, alguns indicadores de performance chaves (do inglês, Key Performance Indicator – KPI ) são elencados para serem usados na elasticidade aplicada em ambientes definidos por network slicing. Estes KPIs são descritos a seguir.

• Disponibilidade: Valor percentual da quantidade de tempo que um sistema está em condições de fornecer serviços dividido pelo tempo esperado para entregar serviços em uma área específica, ou seja, a quantidade relativa de tempo que a função em estudo(função específica para produzir elasticidade baseada em algum mecanismo) produz a saída que teria produzido sob condições ideais.

• Ganho de custo de eficiência: Essa métrica mede o custo médio de implantação e operação da infraestrutura de rede para suportar os serviços previstos. Um sis- tema elástico deve ser dimensionado de forma ideal, de modo que menos recursos

sejam necessários para suportar os mesmos serviços; Além disso, em cenários pouco carregados, o sistema elástico deve evitar o uso de recursos desnecessários e reduzir o consumo de energia. Está também diretamente ligada ao aumento do número de slices a serem hospedadas na mesma infraestrutura. onde tal custo de eficiência deve ser conhecido pelo mecanismo de elasticidade.

• Sobrecarga de orquestração de elasticidade: A quantidade de recursos neces- sária para para executar funções de orquestração de elasticidade – funções para habilitar a elasticidade em funções de rede, tais como a realocação e uma VNF – não faz parte das arquiteturas tradicionais. Um exemplo pode ser a granularidade de recursos que inclui a quantidade de CPU, RAM e a quantidade de recursos de rede (por exemplo, a largura de banda mínima necessária para os links de saída em uma VNF), consumidos pela função de orquestração de elasticidade. Este KPI está diretamente ligado a quantidade de recursos necessários para que uma função de elasticidade possa ser executada.

• Conjunto mínimo de recursos (minimum footprint ): VNFs são compostas por uma heterogeneidade de recursos(CPU, memória, armazenamento, largura de banda) e caracterizadas pelo uso da combinação mínimaminimum footprint des- tes recursos.

• Confiabilidade: Em circunstâncias normais, abordagens de elasticidade tradicio- nais devem fornecer serviços confiáveis para VNFs, proporcionando a disponibilidade de recursos necessárias para aplicação da elasticidade. Neste caso específico, a confi- abilidade pode ser definida como a porcentagem de tempo em que um VNF fornece operação "satisfatórias".

• Degradação elegante (graceful degradation): A degradação dos recursos ca- racteriza a maneira como o desempenho se degrada à medida que os recursos fal- tam, assim sendo, os KPI minimum footprint e confiabilidade devem proporcionar diferentes comportamentos quantitativos, dando origem a denominada graceful de- gradation, que pode ser definida como a porcentagem de decréscimo dos recursos, causando a menor proporção possível na redução do desempenho. Esse KPI carac- teriza a relação entre uma redução nos recursos disponíveis (de 100 por cento até o mínimo necessário) e a redução no desempenho de uma função. Neste caso, uma NF elástica deve alcançar uma degradação de desempenho elegante, evitando quebras abruptas sob picos.

• Resgatabilidade (Rescuability ): Existem cenários nos quais não é possível pro- porcionar elasticidade devido a insuficiência de recursos, logo, nem todas as VNFs podem obter a elasticidade necessária. Portanto, VNFs devem ter a capacidade de superar uma interrupção (rescuability ) de elasticidade fornecendo uma degradação limitada, até que novos recursos estejam disponíveis.

• Ganhos de multiplexação: Está relacionado ao número e tipo de funções de elasticidade que podem ser executadas em paralelo sobre o mesmo conjunto de recursos com um determinado nível de desempenho.

• Consumo de recursos: Dado um recurso (CPU, RAM, largura de banda), seu consumo é definido como a porcentagem de tempo que este recursos é ocupado por causa da execução de uma função de elasticidade.

• Economia de recursos: É a quantidade e o tipo de recursos consumidos por uma função elástica para executar uma operação bem sucedida em comparação com sua contraparte inelástica.

• Tempo de resposta: Tempo requerido para que os recursos sejam provisionados diante de uma nova demanda. Quanto menor o tempo de resposta, melhor a elasti- cidade.

• Eficiência no uso de recursos: É uma maneira de medir como os recursos são utilizados eficientemente para fornecer a saída desejada. Um sistema elástico deve ser capaz de levar a uma maior eficiência de utilização de recursos, uma vez que pode implantar um número maior de VNFs na mesma infraestrutura física.

• Tempo para criação de serviços: Este parâmetro é definido como o tempo de chegada de uma requisição para configurar uma network slice – em um sistema de gerenciamento de um operador de rede – até que a slice esteja totalmente operaci- onal.

• Tempo para realocação de um serviço em outra slice: Esse KPI é definido como a duração da solicitação para conectar um dispositivo final a uma determinada network slice até que esse dispositivo possa iniciar a comunicação. Por exemplo, no caso de uso de emergência, uma lista dedicada de telefones ou sensores pode ser colocada para uma slice privilegiada objetivando garantir uma comunicação mais rápida. O tempo até que esses dispositivos possam começar a se comunicar na slice privilegiada deve ser medido por este KPI.