Managementtool
Datenerfassung
Das Managementtool befasst sich mit der kurzfristigen Verwaltung von Rechenressourcen in Cloud-Infrastrukturen und 5G-Funkressourcen in Campusnetzwerken. Es soll dabei unterstützen, die Verwaltungskomplexität in solchen dynamischen Umgebungen zu verringern und die Ressourcenzuweisung von Anwendungen zu optimieren.
In einer sich schnell verändernden IT-Landschaft ist es entscheidend, dass flexibel auf Lastspitzen und veränderte Anwendungsanforderungen reagiert werden kann. Cloud-Infrastrukturen bieten zwar eine nahezu unbegrenzte Skalierbarkeit, aber ohne eine effiziente Verwaltung der Ressourcen können Anwendungen und Dienste nicht optimal genutzt werden. Gleichzeitig eröffnet die Einführung von 5G-Technologien in Campusnetzwerken neue Möglichkeiten für die Umsetzung von Echtzeitanwendungen und IoT-Lösungen, stellt aber auch hohe Anforderungen an die Verwaltung von Funkressourcen und Netzwerk-QoS.
Die Datenerfassung durch das Managementtool schafft eine fundierte Grundlage für Managemententscheidungen sowohl auf kurzfristiger als auch auf mittel- bis langfristiger Ebene. Durch die kontinuierliche Überwachung und Aufzeichnung relevanter Node-Metriken wie CPU-, Speicherauslastung, Speicher- und Netzwerknutzung können kurzfristige Ressourcenengpässe erkannt und rechtzeitig behoben werden, um eine optimale Anwendungsleistung sicherzustellen.
Darüber hinaus spielt die langfristige Datenerfassung eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Ressourcenplanung und -optimierung. Die historischen Daten dienen als Grundlage für das Planungstool, welches die gesammelten Daten verwendet, um langfristige Trends und potenzielle Ressourcenengpässe in der Zukunft zu identifizieren und vorherzusagen. Dies ermöglicht es, proaktiv Ressourcen zu planen und Cloud-Kosten zu optimieren, um eine effiziente Nutzung der Infrastruktur zu gewährleisten.
Cloud-Management
Das Managementtool erhält eine Anwendungsbeschreibung (App-Deskriptor) als Input, die die Ressourcenanforderungen für einzelne Anwendungen beschreibt, einschließlich CPU, Speicher, Speicherbedarf für verteilte Dateien sowie Up- und Downlink-Bandbreiten. Es enthält auch den Namen des entsprechenden 5G-Endgeräts, das mit dem 5G-Funknetz verbunden ist und das andere Ende der Anwendung darstellt. Anschließend interagiert das MT mit der Kubernetes-API und erstellt einen Pod für die Anwendungen unter Verwendung der angegebenen Ressourcenanforderungen. Dadurch werden die erforderlichen Rechenkapazitäten über Kubernetes und die erforderlichen Kommunikationskapazitäten über die 5G-QoS-Profile Funktionen bereitgestellt. Alle Metriken werden historisch in der MongoDB protokolliert.
5G-Management
Das Managementtool interagiert mit den 5G-Core Networkfunctions (NFs) indem die Netzwerkanforderungen, die in dem App-Deskriptor spezifiziert sind, verwendet werden, um entsprechende QoS-Profile zu erstellen oder anzupassen. Diese Profile werden dann dem jeweiligen 5G-Endgerät im Funknetz zugewiesen. Die erstellten Pods mit den dazugehörigen Anwendungen verfügen anschließend über die erforderlichen Rechenkapazitäten von Kubernetes und die erforderlichen Kommunikationskapazitäten durch die zugewiesenen 5G-QoS-Profile.
Network Slicing und QoS-Profiling ist ein wesentlicher Bestandteil des 5G-Standards. Es ermöglicht Leistungsmerkmale für verschiedene Dienste und Anwendungen individuell festzulegen. Dabei werden die Qualitätsanforderungen (Quality of Service - QoS) jedes Dienstes spezifiziert, um eine optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen und eine zuverlässige Bereitstellung von Diensten zu gewährleisten.
Die QoS-Profiling-Funktion verwendet den sogenannten 5QI (5G-QoS-Identifier), der als numerischer Wert von 1 bis 255 repräsentiert wird. Jeder 5QI-Wert ist einer bestimmten QoS-Klasse zugeordnet, die spezifische Leistungsmerkmale wie Datenrate, Latenzzeit, Zuverlässigkeit und Priorität definiert. Durch die Zuweisung eines 5QI-Werts zu einem Dienst oder einer Anwendung werden die jeweiligen QoS-Anforderungen festgelegt und vom 5G-System erfüllt.
Technische Implementierung
Das Managementtool nutzt Kubernetes und GlusterFS mit Heketi und läuft in der Edge-Cloud. Es wurde als Docker-Container entwickelt und ist dafür konzipiert, innerhalb des Kubernetes-Clusters in einem Pod ausgeführt zu werden. Das Modul interagiert mit Prometheus, um relevante Node-Metriken wie CPU-, Arbeitsspeicherauslastung und Speichernutzung zu protokollieren. Historische Daten werden in einer MongoDB gespeichert. Die Integration mit dem 5G-Core erfolgt über eine REST-Schnittstelle, um QoS-Profile für die Anwendungen zu erstellen und den 5G-Endgeräten im Funknetz zuzuweisen. Zudem werden interne Grafana-Dashboards für administrative Zwecke verwendet, um protokollierte Daten zu visualisieren.
Schnittstelle zum Planungstool
Das Managementtool übermittelt Echtzeitdaten für CPU, Speicher und verteilten Dateispeicher sowie die Netzwerknutzung pro Kubernetes-Node und Pod über eine ZeroMQ-Schnittstelle an das Planungstool. Die Daten werden periodisch als JSON übertragen und enthalten Informationen zum aktuellen Systemstatus. Das Planungstool sammelt und verarbeitet diese historischen Daten, um potenzielle Ressourcenengpässe in der Zukunft zu identifizieren, Cloud-Kosten basierend auf bisherigen Nutzungsmustern zu berechnen und Empfehlungen zur langfristigen Ressourcenerweiterung oder Kostenoptimierung zu generieren.
