L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris
et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services répartis, Architectures, MOdélisation, Validation, Administration des Réseaux

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Madame SAVITA STHAWARMATH

Autorisée à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, préparé à Télécom SudParis en :

Informatique

« Conception du nouveau plan de contrôle virtuel universel de gestion dynamique ‘sans état’ »

le mardi 13décembre 2022 à 13h30

2C07/Amphi 7
Télécom SudParis 19 place Marguerite Perey 91120 Palaiseau France

Membres du jury :

M. Eric RENAULT, Professeur, Télécom SudParis, FRANCE – Directeur de thèse
M. Jalel BEN-OTHMAN, Professeur, Univ. Paris 13, FRANCE – Rapporteur
M. Hassine MOUNGLA, Maître de conférences, Univ. Paris 5 Descartes, FRANCE – Rapporteur
Mme Véronique VEQUE, Professeure, CentraleSupelec, FRANCE – Examinatrice
Mme Françoise SAILHAN, Professeure, IMT Atlantique, FRANCE – Examinatrice
Mme Selma BOUMERDASSI, Maîtresse de conférences, CNAM, FRANCE – Examinatrice
M. Thierry LEJKIN, Senior Project Architect , Orange Innovation Networks, FRANCE – Encadrant de thèse

Résumé :

Une augmentation sans précédent des capacités de communication avec les objets, en général, et leur adoption par le marché a conduit à une estimation de 29 milliards de connexions d’appareils IoT d’ici 2030 par le rapport de prévision d’Ericsson. Cette estimation défie non seulement les fournisseurs de services Internet traditionnels, mais impose également l’évolution aux architectures actuelles. Les opérateurs de télécommunications ont joué un rôle majeur dans la connexion des personnes à Internet et sont désormais obligés de s’adapter aux objets communicants avec des demandes de trafic diverses et imprévisibles. À cette fin, la softwarisation et la virtualisation des entités de réseau ont largement contribué à atteindre un haut degré de flexibilité et de scalabilité, aidant ainsi les opérateurs de télécommunications à mieux optimiser leurs CAPEX et OPEX face aux tendances actuelles du marché. Cependant, les indicateurs de performance clés rigoureux ou des propriétés telles que la fiabilité des réseaux 5G et au-delà dépendent fortement de la disponibilité. Pour assurer la disponibilité, nous avons traditionnellement des solutions actives-actives ou veille-active qui sont des solutions coûteuses. Cela dit, les fonctions réseau nécessitent un deuxième degré de découplage – séparer l’informatique du stockage pour rendre les fonctions réseau hautement résilientes et donc fiables. L’objectif de cette thèse est d’évaluer si le concept de “sans-état”peut être appliqué aux fonctions des réseaux de télécommunications. Compte tenu de l’importance de cette étude, nous collectons d’abord les données de trafic réelles du réseau de télécommunications et analysons les métriques de trafic qui sont gérées par les fonctions de réseau d’aujourd’hui. Bien que le trafic de télécommunications actuel soit en grande partie généré par une communication de type humain, il suffit d’évaluer l’impact de l’intégration du concept de “sans-état” sur les fonctions actuelles du réseau. Avec ces métriques analysées, nous choisissons le schéma approprié pour conserver les données utilisateur en dehors de la fonction réseau, ainsi que les aspects temporels du stockage et de la récupération conformément à la définition des normes 3GPP d’un service de stockage idéal pour le cœur de réseaux télécommunications. Les opérations du plan de contrôle sont d’une importance significative pour permettre la fourniture de services de télécommunications. Nous proposons le modèle sans état pour les fonctions du plan de contrôle où les données utilisateur sont conservées après chaque message échangé entre les entités du réseau. Compte tenu de la nature séquentielle de l’exécution de la procédure du plan de contrôle des télécommunications, ce modèle assure la transparence des pannes en évitant de répéter la demande de service. En plus d’atteindre la résilience, nous présentons l’importance des fonctions de plan de contrôle sans état dans la réduction de la latence globale principalement induite lors de la procédure de handover. Un modèle sans état quasi-local est proposé pour les opérations du plan utilisateur, où les données utilisateur sont extraites et mises en cache à la demande. Nous justifions le modèle proposé par l’analyse d’état, la conception et la dérivation de métriques d’état. En outre, nous évaluons diverses architectures de réseau adaptées aux futures fonctions de réseau sans état afin de maintenir le budget de retard de bout en bout de divers cas d’utilisation des télécommunications.

Abstract : « Design of the new ‘stateless’ dynamically-managed universal control plane »

An unprecedented surge in communication capabilities to things, in general and their market adoption has lead to an estimation of 29 billion IoT device connections by 2030 by Ericsson forecast report. This estimate is not only challenging the traditional internet service providers but also mandating the evolution to the current architectures. Telecommunication operators played a major role in connecting people to the internet and are now compelled to accommodate communicating things with traffic demands that are diverse and unpredictable in nature. To that end, softwarization and virtualization of network entities have extensively helped to achieve a high degree of flexibility and scalability thereby helping telecom operators to better optimise their CAPEX and OPEX in the face of current market trends. However, the stringent key performance indicators or properties like reliability for 5G and beyond networks highly rely on the availability. To ensure availability, traditionally we have active-active or active-standby which are expensive solutions. Having said that, the network functions requires a second degree of decoupling -separating the computing from the storage to make the network functions highly resilient and hence reliable. The goal of this thesis is to evaluate if the concept of statelessness to be applied to telecom network functions. Given the significance of this study, we first collect the real traffic data from the telecom network and analyse the traffic metrics that are managed by today’€™s network functions. Though current telecom traffic is largely generated by human-type communication, it is sufficient to evaluate the impact of incorporating statelessness concept to current network functions. With these analysed metrics, we choose the appropriate schema to persist the user data outside of the network function, along with the temporal aspects of store and fetch adhering to the 3GPP standards definition of an ideal storage service for telecom core network scenario. Control-plane operations are of significant importance in enabling telecom service delivery. We propose the stateless model for control-plane functions where user data is persisted after every message being exchanged between network entities. Given the sequential nature of telecom control-plane procedure execution, this model provides failure transparency by avoiding reiterating service request. In addition to achieving resiliency, we present the importance of stateless control-plane functions in reducing overall latency mainly induced during handover procedure. A Quasi-Local stateless model, is proposed for user-plane operations, where the user data is fetched and cached on-demand basis. We justify the proposed model with the state analysis, design, and derivation of state metrics. Furthermore, we assess various network architectures suitable for future stateless network functions to maintain the End-to-End delay budget of diverse telecom use cases.