Uma arquitetura orientada a serviços com suporte ao fatiamento na borda da rede para a internet de veículos

Abstract

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.