Quality of service, security and trustworthiness for network slices

Abstract

(English) The telecommunications' systems are becoming much more intelligent and dynamic due to the expansion of the multiple network types (i.e., wired, wireless, Internet of Things (IoT) and cloud-based networks). Due to this network variety, the old model of designing a specific network for a single purpose and so, the coexistence of different and multiple control systems is evolving towards a new model in which the use of a more unified control system is able to offer a wide range of services for multiple purposes with different requirements and characteristics. To achieve this situation, the networks have become more digital and virtual thanks to the creation of the Software-Defined Networking (SDN) and the Network Function Virtualization (NFV).Network Slicing takes the strengths from these two technologies and allows the network control systems to improve their performance as the services may be deployed and their interconnection configured through multiple-transport domains by using NFV/SDN tools such as NFV-Orchestrators (NFV-O) and SDN Controllers. This thesis has the main objective to contribute to the state of the art of Network Slicing, with a special focus on security aspects towards the architectures and processes to deploy, monitor and enforce secured and trusted resources to compose network slices. Finally, this document is structured in eight chapters:

Chapter 1 provides the motivation and objectives of this thesis which describes to where this thesis contributes and what it was expected to study, evaluate and research. Chapter 2 presents the background necessary to understand the following chapters. This chapter presents a state of the art with three clear sections: 1) the key technologies necessary to create network slices, 2) an overview about the relationship between Service Level Agreements (SLAs) and network slices with a specific view on Security Service Level Agreements (SSLAs), and, 3) the literature related about distributed architectures and systems and the use of abstraction models to generate trust, security, and avoid management centralization. Chapter 3 introduces the research done associated to Network Slicing. First with the creation of network slices using resources placed multiple computing and transport domains. Then, this chapter illustrates how the use of multiple virtualization technologies allows to have more efficient network slices deployments and where each technology fits better to accomplish the performance improvements. Chapter 4 presents the research done about the management of network slices and the definition of SLAs and SSLAs to define the service and security requirements to accomplish the expected QoS and the right security level. Chapter 5 studies the possibility to change at certain level the trend to centralise the control and management architectures towards a distributed design. Chapter 6 follows focuses on the generation of trust among service resources providers. This chapter first describes how the concept of trust is mapped into an analytical system and then, how the trust management among providers and clients is done in a transparent and fair way. Chapter 7 is devoted to the dissemination results and presents the set of scientific publications produced in the format of journals, international conferences or collaborations. Chapter 8 concludes the work and outcomes previously presented and presents possible future research.

(Català) Els sistemes de telecomunicacions s'estan tornant molt més intel·ligents i dinàmics degut a l'expansió de les múltiples classes de xarxes (i.e., xarxes amb i sense fils, Internet of Things (IoT) i xarxes basades al núvol). Tenint en consideració aquesta varietat d'escenaris, el model antic de disseny d'una xarxa enfocada a una única finalitat i, per tant, la una coexistència de varis i diferents sistemes de control està evolucionant cap a un nou model en el qual es busca unificar el control cap a un sistema més unificat capaç d'oferir una amplia gama de serveis amb diferents finalitats, requeriments i característiques. Per assolir aquesta nova situació, les xarxes han hagut de canviar i convertir-se en un element més digitalitzat i virtualitzat degut a la creació de xarxes definides per software i la virtualització de les funcions de xarxa (amb anglès Software-Defined Networking (SDN) i Network Function Virtualization (NFV), respectivament). Network Slicing fa ús dels punts forts de les dues tecnologies anteriors (SDN i NFV) i permet als sistemes de control de xarxes millorar el seu rendiment ja que els serveis poden ser desaplegats i la seva interconnexió a través de múltiples dominis de transport configurada fent servir eines NFV/SDN com per exemple orquestradors NFV (NFV-O) i controladors SDN. Aquesta tesi té com a objectiu principal, contribuir en diferents aspectes a la literatura actual al voltant de les network slices. Més concretament, el focus és en aspectes de seguretat de cara a les arquitectures i processos necessaris per desplegar, monitoritzar i aplicar recursos segurs i fiables per generar network slices. Finalment, el document es divideix en 8 capítols: El Capítol 1correspon a la introducció de la temàtica principal, la motivació per estudiar-la i els objectius plantejats a l'inici dels estudis de doctorat. El Capítol 2 presenta un recull d'elements i exemples en la literatura actual per presentar els conceptes bàsics i necessaris en relació a les tecnologies NFV, SDN i Network Slicing. El Capítol 3 introdueix el lector a les tasques i resultats obtinguts per l'estudiant respecte l'ús de network slices enfocades en escenaris amb múltiples dominis de transport i posteriorment en la creació i gestió de network slices Híbrides que utilitzen diferents tecnologies de virtualització. El Capítol 4 s'enfoca en l'ús d’eines de monitorització tant en avaluar i assegurar que es compleixen els nivells esperats de qualitat del servei i sobretot de qualitat de seguretat de les network slices desplegades. Per fer-ho s'estudia l'ús de contractes de servei i de seguretat, en anglès: Service Level Agreements i Security Service Level Agreements. El Capítol 5 estudia la possibilitat de canviar el model d'arquitectura per tal de no seguir centralitzant la gestió de tots els dominis en un únic element, aquest capítol presenta la feina feta en l'ús del Blockchain com a eina per canviar el model de gestió de recursos de múltiples dominis cap a un punt de vista cooperatiu i transparent entre dominis. El Capítol 6 segueix el camí iniciat en el capítol anterior i presenta un escenari en el qual a part de tenir múltiples dominis, també tenim múltiples proveïdors oferint un mateix servei (multi-stakeholder). En aquest cas, l'objectiu del Blockchain passa a ser la generació, gestió i distribució de paràmetres de reputació que defineixin un nivell de fiabilitat associat a cada proveïdor. De manera que, quan un client vulgui demanar un servei, pugui veure quins proveïdors són més fiables i en quins aspectes tenen millor reputació. El Capítol 7 presenta les tasques de disseminació fetes al llarg de la tesi. El Capítol 8 finalitza la tesi amb les conclusions finals.