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Das Internet ist zweifelsfrei eine der einflußreichsten Errungenschaften der letzten Jahrzehnte. Es eröffnete viele neue Möglichkeiten der Kommunikation und Kollaboration in einer globalisierten Welt, in der verteilte Systeme und Applikationen immer weiter an Bedeutung gewinnen. De facto sind viele Geschäftsmodelle und Prozesse ohne die stets wachsenden Kommunikationsnetze nur noch schwer vorstellbar. Im Rahmen der derzeitigen Tendenz, immer mehr Daten und Prozesse in global verfügbare Cloud-Infrastrukturen zu verlegen, erwarten wir, daß Kommunikationsnetze in der Zukunft eine immer zentralere Rolle spielen werden. Während sich das Internet immer größerer Beliebtheit erfreut, stellt aber eben jener Erfolg ein Problem für seine Fortentwicklung dar. De facto trägt seine Architektur vielen modernen Anforderungen keine Rechnung. Seine zentrale Rolle in moderner Ökonomie, sowie die Zahl der betroffenen Parteien, welche sich zu Änderungen verständigen müssen, erhöhen aber Risiken und Kosten für Innovationen in seinem Kernnetz. Bereits jetzt scheint nur noch ein unmittelbar bevorstehender Kollaps ausreichend Anreiz für die Umsetzung benötigter architekturaler Korrekturen zu bieten. Virtuelle Netze (VNetze) abstrahieren Dienste von Infrastruktur und isolieren Domänen verschiedener koexistierender Netze. Sie stellen somit einen vielversprechenden Ansatz zur Überwindung dieser 'Verknöcherung' dar. In einer Zukunft virtualisierter Cloud-Umgebungen ermöglichen sie spontanes Ausrollen von innovativen Diensten, in denen Daten und Prozesse durch angepaßte Protokolle im Kernnetz unterstützt werden. Allerdings teilen VNetze und das Internet Verwaltungsprobleme verteilter Systeme, in denen ökonomische Konflikte Auswirkungen auf technische Umsetzungen haben können. Eine besondere Herausforderung liegt dementsprechend in der Entwicklung umsetzbarer Verwaltungskonzepte, die den Interessen und Bedürfnissen der Vielzahl Beteiligter Rechnung tragen. Wir erwarten, daß sich der Wettbewerb nicht nur auf Fragen der Preisgestaltung beschränken wird, sondern daß er ebenfalls Ressourcenbeschreibungs- und Ressourcenallokationsaspekte einbeziehen wird. Konflikte in diesen Bereichen werden wahrscheinlich technische Lösungen beeinflussen und Probleme schaffen, wenn den Mechanismen zugrunde liegende Annahmen (z.B. bzgl. des Informationsaustausches und der Zusammenarbeit) zu wenig Flexibilität in den Schnittstellen lassen. Bislang beschränken sich Cloud-Umgebungen noch überwiegend auf Host-Ressourcen, und bestehende VNetz-Architekturen für Testumgebungen tragen den Anforderungen wirtschaftlicher Umgebungen ungenügend Rechnung. In dieser Arbeit betrachten wir die Frage der vereinheitlichten Verwaltung von Cloud-Ressourcen und VNetzen in Szenarien mit mehreren Anbietern. Wir identifizieren Aufgaben und Rollen in Hinblick auf die Verwaltung solcher Netze und entwerfen Schnittstellen, welche flexibel diversifizierte Umsetzungen unterstützen. Wir erstellen eine Resourcenbeschreibungssprache, welche sowohl in der Kommunikation von Anforderungen zwischen Kunden und Anbietern, als auch in der Kommunikation von Infrastrukturzuständen zwischen z.B. Abteilungen eines untergliederten großen Infrastrukturanbieters einsetzbar ist. Diesbezüglich ist wichtig, daß Kunden ein unterschiedliches Interesse bzgl. bestimmter Detailbeschreibungen haben können, und sich Überspezifikation auf Gewinne des Anbieters auswirken kann. Unsere Beschreibungssprache läßt daher sowohl spezifische, als auch vage Beschreibungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu. Wir stellen weiterhin die Frage der dynamischen Ressourcenplatzierung und Ressourcenverwaltung. Wir formalisieren das Problem der Abbildung virtueller auf Infrastrukturressourcen als mathematisches Programm, welches die Berechnung sowohl optimaler, als auch angenäherter Ergebnisse erlaubt. Diese Formalisierung ermöglicht sowohl einen leichten Austausch der Zielfunktionen, als auch die Nutzung optimierter mathematischer Problemlöser, die auch für approximative Lösungen Qualitätsgarantien geben können. Wir betrachten hierbei explizit auch Migrationen in Hinblick auf ihre Kosten. Desweiteren entwickeln wir einen kompetitiven online-algorithmischen Ansatz zur Migration eines Servers bei unzureichender Kenntnis einer zu erwartenden Nutzung. Zusammenfassend entwickeln wir einen strukturierten, flexiblen Ansatz zur VNetz-Verwaltung auf verschiedenen Abstraktionsebenen in verteilten Umgebungen mit mehreren Anbietern. Unsere Konzepte wurden in in einer verteilt angelegten Prototyp-Umgebung, in der sie tatsächliche Netzressourcen verwalten, umgesetzt und getestet. Sie erlauben Einsicht in die Fragestellung, wie zukünftige VNetze für diversifizierte Netzumgebungen verwaltet, und Ressourcen zur Erprobung oder schnellen Umsetzung innovativer Netze gebucht werden können.
The Internet has created many possibilities for communication and collaboration in a globalized world. Distributed systems have become widespread over the past decade, and are used for an ever growing set of applications and services. Many business models and economic processes are nowadays relying heavily on the continuously expanding set of operational networks. We expect this trend to continue, as data and processes move more and more out of localized infrastructure into globally accessible Cloud environments. At the same time, however, its success has become a major problem to the Internet. Its architecture fails to address today's challenges. Its central role in modern economics and the number of actors which need to agree raise the stakes and costs for changing its core. In fact, only the danger of an imminent collapse is expected to provide sufficient incentive to introduce architectural changes needed in the Internet. Virtual networks (VNets) are a promising approach to overcome this 'ossification' by abstracting services from infrastructure and isolating network domains. In a future of virtualized cloud environments, they can, e.g., support on-demand service deployment where data and services are accessed via custom protocol stacks. Still, like the Internet, VNets form a distributed system facing the problems of management in an environment with economic tussles which can impact on technical solutions. A major challenge lies thereby in developing feasible management concepts which capture the concerns and interests of a plethora of actors. We expect competition to go beyond pricing and to involve tussles over service level abstractions, and mechanisms which may influence control over virtual resource mappings and connected benefits. These are likely to affect the technical solution, if the set of underlying assumptions (e.g., on information exchange and collaboration) leave insufficient flexibility in the required interfaces. Yet, current Cloud environments still mainly focus on host resources and available VNet architectures for testbed environments fail to address such requirements of operational networks. In this thesis, we explore how to jointly manage production VNets and Cloud resources in multi-provider environments. Due to the importance of allowing for economic conflicts, we take a minimalistic approach on collaboration and information exchange assumptions. In the design of our solutions, we consider different realizations and contexts for their application. Our focus is on the applicability of our concepts to actual networks. We therefore implement them in a prototype both to gain insight into real world issues as well as to evaluate the feasibility of our design. We extend this to simulation whenever larger scales are required. We first develop an architecture framework to manage VNets in a distributed multi-provider context. We identify roles and tasks based on network management and design interfaces supporting a variety of realizations. We propose a resource description language (RDL), which enables communication both between providers and customers about requirements, and sites of, e.g., a substructured provider about current state of its infrastructure. Customers may or may not be interested in detailed properties of their VNets and over specification of such details can impact on a provider's benefits. Our RDL therefore supports different levels of abstractions and allows for both specific and vague descriptions. We ask the question on how to dynamically place and manage resources. We formalize the problem of mapping virtual to infrastructure resources as Mixed Integer Program (MIP) which allows to calculate both optimal and approximate embeddings. This facilitates both a low-effort exchange of optimization objectives and leverages the use of highly optimized mathematical solvers which can give quality guarantees even for approximate solutions. In this, we explicitly consider migrations with respect to their cost. Moreover, we also propose a competitive online algorithmic approach to manage server placement in a scenario where a new service without known usage patterns is deployed. In summary, we propose a structured, flexible approach to manage in a distributed environment across different abstraction levels and administrative domains. Our concepts have been implemented and tested in a distributed prototype environment, managing actual network resources. They can provide insights into and guidance for how future VNets can be managed to enable a diversified network environment, in which resources can be leased for experimentation and on-demand deployment of customized networks.
