requirements/02-use_cases.rst

   1 Use cases and scenarios
   2 =======================
   3
   4 Telecom services often have very high requirements on service performance. As a
   5 consequence they often utilize redundancy and high availability (HA) mechanisms
   6 for both the service and the platform. The HA support may be built-in or
   7 provided by the platform. In any case, the HA support typically has a very fast
   8 detection and reaction time to minimize service impact. The main changes
   9 proposed in this document are about making a clear distinction between fault
  10 management and recovery a) within the VIM/NFVI and b) High Availability support
  11 for VNFs on the other, claiming that HA support within a VNF or as a service
  12 from the platform is outside the scope of Doctor and is discussed in the High
  13 Availability for OPNFV project. Doctor should focus on detecting and remediating
  14 faults in the NFVI. This will ensure that applications come back to a fully
  15 redundant configuration faster than before.
  16
  17 As an example, Telecom services can come with an Active-Standby (ACT-STBY)
  18 configuration which is a (1+1) redundancy scheme. ACT and STBY nodes (aka
  19 Physical Network Function (PNF) in ETSI NFV terminology) are in a hot standby
  20 configuration. If an ACT node is unable to function properly due to fault or any
  21 other reason, the STBY node is instantly made ACT, and affected services can be
  22 provided without any service interruption.
  23
  24 The ACT-STBY configuration needs to be maintained. This means, when a STBY node
  25 is made ACT, either the previously ACT node, after recovery, shall be made STBY,
  26 or, a new STBY node needs to be configured. The actual operations to
  27 instantiate/configure a new STBY are similar to instantiating a new VNF and
  28 therefore are outside the scope of this project.
  29
  30 The NFVI fault management and maintenance requirements aim at providing fast
  31 failure detection of physical and virtualized resources and remediation of the
  32 virtualized resources provided to Consumers according to their predefined
  33 request to enable applications to recover to a fully redundant mode of
  34 operation.
  35
  36 1. Fault management/recovery using ACT-STBY configuration (Triggered by critical
  37    error)
  38 2. Preventive actions based on fault prediction (Preventing service stop by
  39    handling warnings)
  40 3. VM Retirement (Managing service during NFVI maintenance, i.e. H/W,
  41    Hypervisor, Host OS, maintenance)
  42
  43 Faults
  44 ------
  45
  46 .. _uc-fault1:
  47
  48 Fault management using ACT-STBY configuration
  49 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
  50
  51 In :numref:`figure1`, a system-wide view of relevant functional blocks is
  52 presented. OpenStack is considered as the VIM implementation (aka Controller)
  53 which has interfaces with the NFVI and the Consumers. The VNF implementation is
  54 represented as different virtual resources marked by different colors. Consumers
  55 (VNFM or NFVO in ETSI NFV terminology) own/manage the respective virtual
  56 resources (VMs in this example) shown with the same colors.
  57
  58 The first requirement in this use case is that the Controller needs to detect
  59 faults in the NVFI ("1. Fault Notification" in :numref:`figure1`) affecting
  60 the proper functioning of the virtual resources (labelled as VM-x) running on
  61 top of it. It should be possible to configure which relevant fault items should
  62 be detected. The VIM (e.g. OpenStack) itself could be extended to detect such
  63 faults. Alternatively, a third party fault monitoring tool could be used which
  64 then informs the VIM about such faults; this third party fault monitoring
  65 element can be considered as a component of VIM from an architectural point of
  66 view.
  67
  68 Once such fault is detected, the VIM shall find out which virtual resources are
  69 affected by this fault. In the example in :numref:`figure1`, VM-4 is
  70 affected by a fault in the Hardware Server-3. Such mapping shall be maintained
  71 in the VIM, depicted as the "Server-VM info" table inside the VIM.
  72
  73 Once the VIM has identified which virtual resources are affected by the fault,
  74 it needs to find out who is the Consumer (i.e. the owner/manager) of the
  75 affected virtual resources (Step 2). In the example shown in :numref:`figure1`,
  76 the VIM knows that for the red VM-4, the manager is the red Consumer
  77 through an Ownership info table. The VIM then notifies (Step 3 "Fault
  78 Notification") the red Consumer about this fault, preferably with sufficient
  79 abstraction rather than detailed physical fault information.
  80
  81 .. figure:: images/figure1.png
  82    :name: figure1
  83    :width: 100%
  84
  85    Fault management/recovery use case
  86
  87 The Consumer then switches to STBY configuration by switching the STBY node to
  88 ACT state (Step 4). It further initiates a process to instantiate/configure a
  89 new STBY. However, switching to STBY mode and creating a new STBY machine is a
  90 VNFM/NFVO level operation and therefore outside the scope of this project.
  91 Doctor project does not create interfaces for such VNFM level configuration
  92 operations. Yet, since the total failover time of a consumer service depends on
  93 both the delay of such processes as well as the reaction time of Doctor
  94 components, minimizing Doctor's reaction time is a necessary basic ingredient to
  95 fast failover times in general.
  96
  97 Once the Consumer has switched to STBY configuration, it notifies (Step 5
  98 "Instruction" in :numref:`figure1`) the VIM. The VIM can then take
  99 necessary (e.g. pre-determined by the involved network operator) actions on how
 100 to clean up the fault affected VMs (Step 6 "Execute Instruction").
 101
 102 The key issue in this use case is that a VIM (OpenStack in this context) shall
 103 not take a standalone fault recovery action (e.g. migration of the affected VMs)
 104 before the ACT-STBY switching is complete, as that might violate the ACT-STBY
 105 configuration and render the node out of service.
 106
 107 As an extension of the 1+1 ACT-STBY resilience pattern, a STBY instance can act as
 108 backup to N ACT nodes (N+1). In this case, the basic information flow remains
 109 the same, i.e., the consumer is informed of a failure in order to activate the
 110 STBY node. However, in this case it might be useful for the failure notification
 111 to cover a number of failed instances due to the same fault (e.g., more than one
 112 instance might be affected by a switch failure). The reaction of the consumer
 113 might depend on whether only one active instance has failed (similar to the
 114 ACT-STBY case), or if more active instances are needed as well.
 115
 116 Preventive actions based on fault prediction
 117 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 118
 119 The fault management scenario explained in :ref:`uc-fault1` can also be
 120 performed based on fault prediction. In such cases, in VIM, there is an
 121 intelligent fault prediction module which, based on its NFVI monitoring
 122 information, can predict an imminent fault in the elements of NFVI.
 123 A simple example is raising temperature of a Hardware Server which might
 124 trigger a pre-emptive recovery action. The requirements of such fault
 125 prediction in the VIM are investigated in the OPNFV project "Data Collection
 126 for Failure Prediction" [PRED]_.
 127
 128 This use case is very similar to :ref:`uc-fault1`. Instead of a fault
 129 detection (Step 1 "Fault Notification in" :numref:`figure1`), the trigger
 130 comes from a fault prediction module in the VIM, or from a third party module
 131 which notifies the VIM about an imminent fault. From Step 2~5, the work flow is
 132 the same as in the "Fault management using ACT-STBY configuration" use case,
 133 except in this case, the Consumer of a VM/VNF switches to STBY configuration
 134 based on a predicted fault, rather than an occurred fault.
 135
 136 NVFI Maintenance
 137 ----------------
 138
 139 VM Retirement
 140 ^^^^^^^^^^^^^
 141
 142 All network operators perform maintenance of their network infrastructure, both
 143 regularly and irregularly. Besides the hardware, virtualization is expected to
 144 increase the number of elements subject to such maintenance as NFVI holds new
 145 elements like the hypervisor and host OS. Maintenance of a particular resource
 146 element e.g. hardware, hypervisor etc. may render a particular server hardware
 147 unusable until the maintenance procedure is complete.
 148
 149 However, the Consumer of VMs needs to know that such resources will be
 150 unavailable because of NFVI maintenance. The following use case is again to
 151 ensure that the ACT-STBY configuration is not violated. A stand-alone action
 152 (e.g. live migration) from VIM/OpenStack to empty a physical machine so that
 153 consequent maintenance procedure could be performed may not only violate the
 154 ACT-STBY configuration, but also have impact on real-time processing scenarios
 155 where dedicated resources to virtual resources (e.g. VMs) are necessary and a
 156 pause in operation (e.g. vCPU) is not allowed. The Consumer is in a position to
 157 safely perform the switch between ACT and STBY nodes, or switch to an
 158 alternative VNF forwarding graph so the hardware servers hosting the ACT nodes
 159 can be emptied for the upcoming maintenance operation. Once the target hardware
 160 servers are emptied (i.e. no virtual resources are running on top), the VIM can
 161 mark them with an appropriate flag (i.e. "maintenance" state) such that these
 162 servers are not considered for hosting of virtual machines until the maintenance
 163 flag is cleared (i.e. nodes are back in "normal" status).
 164
 165 A high-level view of the maintenance procedure is presented in :numref:`figure2`.
 166 VIM/OpenStack, through its northbound interface, receives a maintenance notification
 167 (Step 1 "Maintenance Request") from the Administrator (e.g. a network operator)
 168 including information about which hardware is subject to maintenance.
 169 Maintenance operations include replacement/upgrade of hardware,
 170 update/upgrade of the hypervisor/host OS, etc.
 171
 172 The consequent steps to enable the Consumer to perform ACT-STBY switching are
 173 very similar to the fault management scenario. From VIM/OpenStack's internal
 174 database, it finds out which virtual resources (VM-x) are running on those
 175 particular Hardware Servers and who are the managers of those virtual resources
 176 (Step 2). The VIM then informs the respective Consumer (VNFMs or NFVO) in Step 3
 177 "Maintenance Notification". Based on this, the Consumer takes necessary actions
 178 (Step 4, e.g. switch to STBY configuration or switch VNF forwarding graphs) and
 179 then notifies (Step 5 "Instruction") the VIM. Upon receiving such notification,
 180 the VIM takes necessary actions (Step 6 "Execute Instruction" to empty the
 181 Hardware Servers so that consequent maintenance operations could be performed.
 182 Due to the similarity for Steps 2~6, the maintenance procedure and the fault
 183 management procedure are investigated in the same project.
 184
 185 .. figure:: images/figure2.png
 186    :name: figure2
 187    :width: 100%
 188
 189    Maintenance use case
 190
 191 ..
 192  vim: set tabstop=4 expandtab textwidth=80: