博士学位的论文雷恩第一大学COMUE UNIVERSITE BRETAGNEL'OireECOLE DOCTORALE N ° 601数学与信息与通信由约翰·佩莱确保网络配置更改期间的应用程序一致性软件定义的基础架构中的连接案例研究论文于2020年1月13日在雷恩发表并答辩研究单位：网络架构，b>com DiverSE，IRISA论文编号：答辩前的报告员：Chantal Taconet高级讲师- HDR，巴黎南部电信Pascal Lorenz上评审团组成：主席：Jean-Louis Pazat教授，INSA雷恩考官：Chantal Taconet高级讲师- HDR，巴黎南部电信Pascal Lorenz上Fabrice Guillemin研究总监Kevin Corre EXFO SolutionsDir.论文：Fabrice Guillemin研究总监REMERCIENTSiii这篇论文的完成我不会在这几行中感谢他们所有人，但有许多人为这篇论文的成功做出了贡献然而，我特别要感谢我的论文导师Olivier Barais和Fabrice Guillemin，他们在他们的建议、批评和想法滋养了我的工作和我对研究世界的发现。我还要感谢Chantal Taconet、Pascal Lorenz、Kevin Corre和Jean-Louis Pazat同意成为评审团成员，并感谢我们对我的工作的思考。我对在b >com的网络架构团队和IRISA的DiverSE团队工作的岁月有着美好的回忆我也很感激在我还要感谢我的朋友和家人，最后，如果没有弗朗索瓦丝·伊尔的仔细重读，这份手稿读起来会不那么愉快。T ABLE从材料v1引言11.1上下文。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11.1.1不可或缺的网络。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11.1.2减少材料限制。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21.2解决的。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...51.3文件的。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...62背景和挑战92.1软件定义的网络。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 92.2网络功能虚拟化132.3一个混乱的OSI2.4需要检查162.4.1在SDN16中，2.4.2在NFV16中，2.4.3在18个配器中2.4.4验证或基于意图的网络182.4.5检查广域网182.5贡献和出版物192.5.1FlowKat192.5.2网络行为合同19..............................................................................................2.5.3NFV MANO21架构中的验证3最新技术水平3.1方法233.2SDN23网络建模3.3检查网络规则25材料表3.3.1正式证据273.3.2模拟和测试323.4扩展配置说明333.5第三十四章结论4FlowKAT394.1导言394.2为广域网创建4.3使用FlowKAT45进行流程推理4.3.1分组流454.3.2流程的处理464.3.3流编程语言的要求4.4语言的概念484.4.1拓扑484.4.251网络规则4.5实验524.6语言的工具584.7结论595网络行为合同615.1导言615.2将VNF分解5.3vEPC 64的实施示例5.3.1vEPC 64的不同功能5.3.2连接和认证645.3.3与执行有关的问题655.4建议的解决方案675.4.1步骤1 -可重复使用的VNF685.4.2步骤2 -基于NetKAT70的扩展拓扑5.4.3步骤3 -VNF74部署模型5.4.4步骤4-检查部署模型的一致性来自VNF75T ABLE从材料vii5.5部署前测试775.5.1演示工具775.5.2Web服务的示例5.6结论84六材料表6在NFV MANO87体系结构中启用验证6.1导言876.2NFVMANO876.2.1NFV MANO89架构6.2.2NSD90型号6.3验证VNF部署的一致性6.3.1标准94的分析方案6.3.2讨论956.3.3有效期956.4NFV MANO96的扩展6.4.1拓扑信息交换6.4.2在编排器级别进行验证6.5执行情况986.5.1检索拓扑986.5.2内部或外部1006.5.3审计员的选择1006.6结论1017结论1037.1论文贡献1037.1.1WAN104中的配置验证7.1.2网络行为合同1047.1.3MANO1057.2前景106参考书目117T ABLE从数字ix2.1SDN控制器管理交换机的传输计划其网络102.2将DHCP功能分解为13个虚拟机2.3OSI15模型的层2.4创建和部署2.5论文贡献204.1使ADSL客户端能够连接到Internet的设备。.......................................................424.2摘自FlowKAT49元模型4.3由2个客户端组成的网络，通过2台交换机进行通信575.1无线电接入的数据和控制平面模块5.2欧盟成员国的呼叫流...............................................................................................665.3加入欧盟所需的微型服务.......................................................................................665.4检查网络跟踪与预期行为之间的对应关系。....................................................... 765.5演示的拓扑...............................................................................................................795.6在我们的演示环境中进行交流。806.1L’architecture NFV MANO6.2VNF91之间的通信6.3网络服务描述符93的元模型6.4包括NSD 97扩展的元模型L.Lossairexi* *EPC：演进分组核心：移动网络核心ETSI：欧洲电信ISP：互联网服务提供商KAT：带检验的Kleene代数MANO：开源NFV管理和编排：NFV编排器标准NPPD：网络转发路径描述符NFVO：NFV协调器：负责资源和服务的协调NFV：网络功能虚拟化：网络功能虚拟化的概念NSD：网络服务描述符：它是NS：网络服务提供完整的服务，它可以由多个VNF组成ONAP：开放式网络自动化平台：由OpenECOMP和Open-Orchestror合并而成的开源编排平台ONOS：开放网络操作系统：开源SDN控制器PEP：策略执行点SDN：软件定义的网络VIM：虚拟化基础架构管理器：它管理基础架构的物理资源VM：虚拟机VNFFGD：VNF转发图描述符图表VNFM：虚拟网络功能管理器：它提供并调整各种网络VNF：虚拟网络功能：将NFV的概念应用于功能WAN：广域网十二1C. Hapitre 1一、引言1.1上下文1.1.1不可或缺的网络自20世纪70年代互联网出现以来，用途和需求发生了很大变化。连接的设备数量继个人电脑、笔记本电脑和智能手机的到来之后这一增长远互联网的这种民主化伴随着因此，互联网在许多领域（例如：商业、媒体或运输）变得不可或缺，网络问题很快就会造成严重损害。2016年，达美航空的处理基础设施被关闭了5个小时，导致故障当天约1000个航班被取消该公司估计，这个问题使其损失了1.5亿美元。网络问题甚至发生在以网络为核心业务的公司。主导云计算市场的亚马逊网络服务被许多公司用来在互联网上托管他们的服务但套房1. http://www.huawei.com/minisite/giv/en/download/whitebook.pdf2. https://www.internetworldstats.com/emarketing.htm3. http://money.cnn.com/2016/09/07/technology/delta-computer-outage-cost/index.html2简介词汇表我们在这里使用的是最广泛意义上的术语网络配置它包括网络设备和使用它的服务的拓扑，在一次执行不力的网络改造中，托管服务在5到36小时内无法访问，切断了许多网站的互联网连接，包括Reddit、纽约时报和FourSquare等一些访问量最大的D’importantes évolutions matérielles des équipements composant le réseau et denouveaux但最近，两种管理网络基础架构和服务的新方法越来越受欢迎：软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）。它们赋予软件更大的重要性，并允许绕过某些硬件限制在本文中，我们对这种新的范式感兴趣，以确保在网络配置更改期间的应用一致性。1.1.2减少材料在具有SDN在传统网络中，每个设备都有自己的功能和硬件优化，使其能够有效地处理接收到的数据。它们可以修改接收到的数据包并根据某些规则重定向它们。它们的管理是通过连接到设备并使用根据设备、其制造商或其版本而变化的协议来完成的。SDN的主要思想是建立一个控制器来管理和监控所有这些设备。在非SDN设备中，这些功能由所谓的管理平面执行，SDN类型的设备仅根据它们接收到的规则对分组采取行动（这些是转发平面的功能）。此更改具有不同的优点：简介3词汇表术语NFV和VNF将根据上下文使用：当我们谈论网络功能虚拟化的概念时，使用术语网络功能虚拟化，而术语虚拟网络功能是将该概念应用于功能— 控制器有一个中央视图，它知道— L’administration— 该控制器是完全可编程的，因此许多任务可以自动化，这允许更复杂的交通管理。— 添加新功能更简单、更快、成本更低。它们不再依赖于制造商，只需更新控制器程序，而无需更改其他设备。— 对制造商的依赖大大减少：通用设备可以用作控制器和交换机，制造商的多样化不会使— 因此，购买设备和维护的成本也应该降低。使用NFVNFV将虚拟化技术应用于网络服务以创建VNF，从而网络服务由执行服务所需的各种功能的各种VNF组成。这可以这些网络功能的虚拟化有几个目的：简介4— 获得灵活性：VNF不需要专用硬件，它们可以在几秒钟内根据需求进行实例化，并根据负载调整其实例的容量和数量，这可以在不同公司之间管理的数据中心上进行。— 加快新服务的部署：通过避免冗长的硬件开发和测试阶段（这是确保可靠性所必需的，— 易于— 降低成本：由于所有服务都可以在相同类型的设备上实例化，因此此外，它还可以这种更灵活的管理通过减少功耗和所需空间以及简化管理来降低运营成本NFV的概念是在2012年的SDN会议上提出的由于这两种技术是互补的，因此将SDN与NFV集成以实现各种网络控制和管理目标的趋势NFV架构与SDN管理的网络相结合，有助于解决动态资源管理和智能服务编排的挑战。借助NFV，SDN能够动态创建针对特定网络服务量身定制的虚拟环境，从而避免了执行网络部署所需的专用硬件和复杂工作。例如，这些新的可能性可用于响应由于局部事件而导致的负载增加。在文化或体育赛事期间，如果简介5其操作所需的服务可以分布在多个站点上，1.2所解决的问题这些变化导致了围绕这些技术的许多研究问题，其中一些是新的，如D’autrescherchent à résoudre des problématiques pré- existantes grâce à ces nouvellespossibilités comme le calcul de chemin, la détection d’attaque ou l’utilisation optimaledes ressources本文将在软件定义的网络和网络功能虚拟化技术的到来的背景我们选择将重点放在验证对有效配置的更改上，以确定如何确保在发生更改的情况下，配置与受其影响的网络服务的需求保持一致我们主要关注需要频繁更改的情况，例如广域网或大型数据中心我们认为，有效的验证解决方案对于确保现有服务的连续性和新服务的部署至关重要为此，必须考虑由网络更改（例如添加新设备）引起的重新配置，以及由使用网络的网络服务直接引起的重新配置因此，这个问题并不局限于验证技术，我们的工作还涉及需求的形式化，因为如果验证标准不正确，形式证明就失去了兴趣。简介61.3文档的组织在第2章中，我们将详细讨论SDN、NFV以及我们工作中使用的然后，我们将在第3章中概述因此，我们可以继续讨论关于论文贡献的章节在我们的工作开始时，验证解决方案太慢，无法应用于大型网络我们试图解决这个广域网配置检查问题（第4章）。我们建议仅在网络中的战略点执行这些检查，特别是为了限制SDN和检查对我们用一种语言来实现这个概念，这种语言也被设计成便于在为这样的网络编写配置语言时，我们研究了如何检查网络服务所期望的网络行为与其部署网络的配置之间的一致性。这使我们在第5章中将这些需求形式化。为此，我们创建了网络行为契约，将功能及其各种组件的网络需求分组在一起我们使用模型检查工具，该工具使用此信息可以在NFV MANO中执行此网络配置检查似乎是一个有趣的挑战在这种环境下，我们在工作中遇到的许多限制（例如，非常频繁的变化、高反应性、参与者的多样性为了提供一种在管理部署在不同网络基础设施上的网络服务的NFV编排器中应用验证技术的方法，我们在第6章中研究了这使我们能够提出一个与标准中描述的实践相一致的验证解决方案。我们还提出了对标准中NS建模的扩展，以促进简介7并考虑其实施。我们将在第7章结束时讨论我们工作的可能后续行动。
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