OBJECT-ORIENTED METHOD ANDARCHITECTURE FOR VIRTUAL PRIVATE NETWORK SERVICE MANAGEMENT

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1 OBJECT-ORIENTED METHOD ANDARCHITECTURE FOR VIRTUAL PRIVATE NETWORK SERVICE MANAGEMENT THÈSE No 1446 (1 995) PRÉSENTÉE À LA SECTION DE SYSTÈMES DE COMMUNICATION ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR Ès SCIENCES TECHNIQUES PAR Jean-Paul GASPOZ Ingénieur électricien diplômé EPF originaire de St-Martin (VS) acceptée sur proposition du jury: Prof. J.-P. Hubaux, directeur de thèse B. Liver, corapporteur Prof. C. Petitpiene, corapporteur Prof. T. Saydam, corapporteur Lausanne, EPFL 1996

2 ABSTRACT One of the major trends in the evolution of current corporate networking is an increasing need for high performance long distance communications. Provided as an aitemative to leased lines networks, virtuai private networks (VPNs) are gaining increasing acceptance among customers and network providers by providing corporate networking between geographically dispersed customer premises based on a shared public switched network infrastructure. As a contribution towards this evolution, the present thesis proposes a generic object-oriented architecture for open distributed VPN services integrating service and management issues all dong the modeling process. The aim of this VPN architecture is not only to provide a descriptive model of VPNs but aiso to illustrate possible ways of operating on that model to solve VPN related service or management issues. The architecture proposed is generic in the sense that, firstly, it is network technology independent and, secondly, that it captures the fundamental charactenstics common to ail VPNs. This latter aspect is very important as, due to the lack of standardization in this area, current VPNs are more marketable products than welldefined telecommunications services. The notion of distribution is aiso very important as telecommunications systerns in generai, and VPNs in particular, are intrinsicaily distributed. Indeed, a VPN can be seen as a distributed application mnning on the multiple nodes of telecommunications networks. To effectively deal with this de facto distribution and to exploit at best the benefits it can provide the VPN service and management services have been conceived from the very beginning as distributed applications. For this purpose, and due to the lack of satisfactory existing solutions in this area, an object-oriented method for the specification and design of open distributed telecommunications and management services has been developed. The proposed method combines the ODP (Open Distributecl Processing) concepts and stmcturing rules with the systematic development process advocated by an object-onented software engineering method cailed Fusion. This method provides an architectural framework and a seamless thread from problem defuiition to the realization of the distributed telecommunications system, based on hierarchically related abstraction levels. Mapping rules, guidelines and notations are proposed on how and when enterprise, information and computational models should be built, in particular based on models performed at a higher abstraction level. The method has then been applied to the specification of the generic VPN architecture itself. In the enterprise viewpoint the scope of the VPN service has been refmed and lirnited to the provision, within the public domain boundary, of internetworking services between customer premises networks. The main actors involved in using, providing and managing the VPN service have been descnbed as well as interactions between them. Based on their requirements, fundamentai VPN characteristics have been identified, among which the notions of virtud resource and of closed user group are the most relevant. In the information viewpoint, a generic object-oriented network information model has been developed based on standard network resources. This model has been recursively applied to specify the object models pertaining to the different layers of the VPN architecture. Based on this architecture, a management service allowing customers to dynamicaily configure the logicai comectivity of their VPN has been

3 specified down to the network elements level. The realization of this functionality in terms of application components suitable for distribution and interactions between them has been the purpose of the computational viewpoint. Finally, the generic VPN architecture has been refined and applied to the particular context of ATM-based VPNs. In addition to describing how VPNs can be built on ATM networks tius case study addresses a very important issue in such an environment, narnely bandwidth management. In this respect, an open distributed VPN bandwidth management service has been specified that aliows VPN customers to dynamically modify the bandwidth ailocated to the virtual path connections connecting the different sites of their organization. The final outcome of this specification process is the definition of a computational architecture for VPN bandwidth management extending from VPN level down to the physical network elements. This work has been canied out in the frame of the RACE (Research and Development in Advanced Communications Technologies in Europe) project R2041 PRISM (Pan-European Reference Configuration for IBC Services Management).

4 RESUME Une des principales tendances dans l'évolution actuelle des réseaux d'entreprise est un besoin croissant pour des communications à longue distance performantes. Créés comme une alternative aux réseaux privés à base de lignes louées, les réseaux privés virtuels (Virtual Private Network - VPN) connaissent un succès croissant auprès des opérateurs et des compagnies disposant d'un réseau d'entreprise car ils permettent d'interconnecter les différents sites d'une même société en utilisant uniquement l'infrastructure publique commutée. Dans le but de contribuer à cette évolution, ce travail de thèse propose une architecture de réseau privé virtuel orientée-objet et générique, intégrant les aspects service et gestion de ces services tout au long du processus de modélisation. Cette architecture vise non seulement à fournir un modèle descriptif de réseau privé virtuel mais également à montrer comment opérer sur ce modèle pour gérer le service VPN. L'architecture proposée est générique car, d'une part, elle est indépendante d'une technologie réseau particulière et, d'autre part, elle couvre les caractéristiques fondamentales communes à tout service VPN. Ce dernier aspect est d'ailleurs très important car, en raison d'un manque de standardisation dans le domaine, les réseaux privés virtuels actuels sont d'avantage des produits commerciaux que des services de télécommunication bien définis. La notion & distribution est également très importante car les systèmes de télécommunications en général et les réseaux privés virtuels en particulier sont intrinsèquement distribués. En effet, un VPN peut être considéré comme une application distribuée s'exécutant sur les différents noeuds d'un réseau de télécommunications. A h de prendre en compte au mieux cette distribution de fait et d'en exploiter les bénéfices, le service VPN, ainsi que les services de gestion qui lui sont associés, ont été spécifiés et conçus comme des applications distribuées. A cet effet, et vu le manque de solutions satisfaisantes dans le domaine, une méthode orientée-objet pour la spécification et la conception de services de télécommunications et de gestion a été développée dans le cadre de cette thèse. La méthode proposée combine les concepts et les règles de structuration des systèmes répartis ouverts (Open Distributed Processing - ODP) et l'approche systématique définie dans le cadre de la méthode de génie logiciel orientée-objet appelée Fusion. La méthode développée founiit un cadre architectural ainsi qu'un fil conducteur de la définition du problème à la réalisation du système de télécommunications distribué. Des lignes directrices, des règles de correspondance ainsi que des notations ont été proposées afin de faciliter le développement des points de vue d'entreprise, d'information et de calcul du modèle de référence ODP. La méthode a ensuite été appliquée à la spécification de l'architecture générique de réseau privé virtuel elle-même. Dans le cadre du modèle d'entreprise, le service VPN a été défini plus précisément comme un service permettant l'interconnexion de réseaux privés locaux mais construit sur des ressources publiques uniquement. Les différents acteurs intéressés à utiliser, founiir ou souscrire à un service VPN ont été identifiés. Sur la base de leurs attentes envers le service, les caractéristiques fondamentales communes à tout service VPN

5 ont été isolées, parmi lesquelles les notions de ressources virtuelles et de groupe fermé d'usager sont les plus significatives. Le principal objet du point de vue d'information a été le développement d'un modèle informationnel de réseau, orienté-objet et générique. L'application récursive de ce modèle à différents niveaux d'abstraction a permis l'élaboration d'une architecture informationnelle de réseau privé virtuel. Sur la base de cette architecture, un service de gestion permettant aux clients du service VPN de configurer dynamiquement la connectivité de leur réseau privé virtuel a été spécifié à tous les niveaux de l'architecture. La réalisation de ce service de gestion en termes de composants applicatifs susceptibles d'être distribués et conçus comme tel, et d'interaction entre ces derniers, a constitué l'objectif principal du point de vue de calcul. Finalement, l'architecture générique de réseau privé virtuel a été appliquée au contexte particulier des réseaux privés virtuels construits sur une infrastructure ATM (Mode de Tranfert Asynchrone - Asynchronous Transfer Mode). Dans un premier temps, différentes manières de construire un réseau privé virtuel sur ATM ont été proposées. Dans un deuxième temps, un aspect très important, inhérent à une telle infrastructure, a été considéré à savoir la gestion de la largeur de bande. A cet égards, une application distribuée permettant de gérer la largeur de bande dans un contexte VPN a été conçue. Le service de gestion offert par cette application permet aux clients du service VPN de modifier dynamiquement la largeur de bande ailouée aux chemins virtuels (Virtual Path) connectant les différents sites de leur organisation. Au terme de cette étude, une architecture de gestion de la largeur de bande pour réseaux privés virtuels a pu être proposée. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet de recherche européen pour des technologies de communications avancées (Research and Development in Advanced Communications Technologies in Europe - RACE) numéro R2041 et intitulé 'configuration de référence pour la gestion de services dans un contexte de communications intégrées à large bande (Pan- European Reference Configuration for IBC Services Management - PRISM).

6 1 INTRODUCTION MOTIVATIONS VPNS VIRTUAL PRIVATE NETWORKS AS DISTRIBUTED APPLICATIONS 1.3 BROADBAND 1.4 STRUCTURE OF THE DOCUMENT 2 SCOPE AND OBJECTIVES PROBLEM STATEMENT OBJECTIVES TECHNICAL APPROACH RELATED WOR K ~ ODOLOGICAL ASPECTS PRISM TTNA-C VPN MODELING ASPECTS PREPARE Approach to VPN Modeling NETWORKING CONCEPTS TMN INTRODUC~ON PRINCIPLES FOR A TEUKOMMUNICA~ONS MANAGEMENT NEIWORK TMN Functional Architecture TMN Information Architecture TMN Physical Architecture i

7 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management (JTHER TMN STANDARDS VIRTUAL PRIVATE NETWORKS: STATE OF THE ART I.ODUCïiûN BRIEF HISTORY OF VPNs CHARA~~CS OF THE VPN SERVICE... 2 O BUSINESS ARGUMENTS FOR VPNS Customer Point of View Network Provider Point of View VPN STANDARDIZATION MODELING BACKGROUND PRINCIPLES OF OBJECT-ORIENTED MODELING OBJECrS. CLASSES AND?kpES Ass'ïk4CI'ïo~ AND ENCAPSULA~ON BEHAVIOR AND STATE ~NHERITANCE, SUBQSSSING AM) SUBTYPING Co~~osmo~ AND DECOMPOSITION FUSION ANALYSIS PHASE Object Mode Interface Mode DESIGN PHASE IMPLEMENTATION PHASE LWKING THE MODELS Object Mode1 - Life-cycle Mode Object Mode1 - Operation Mode Life-cycle Mode1 - Operation Mode O Operation Mode1 - Object Interaction Graphs OPEN DISTRIBUTED PROCESSING bltroduci'ion E~RISEVEWPOINT INFORMATION VIEWPOINT COMPUTATIONAL V m w r ENGINEERING V ~ I N... T 3 3 ii

8 Object-Oriented Metbd and Architecture for VPN Service Management 5 METHODOLOGY INTRODUCTION MOTIVATIONS FUSION PHASES WITH RESPECT TO ODP VIEWPOINTS COMPAIUSON WITH SIMILAR MAPPING PROPOSED METHOD E ~ R I SVIEWPOINT E Introduction Scope and Objectives Requirements Organizational Mode Policies Refmement of the Policy Concept Policy Specification Template Life-cycle Mode N'FORMATION VIEWPOINT Object Mode Relationship Modeling Graphical Object Mode1 Notation Operation Mode Extensions to Fusion's Operation Mode1 Notations Relationships with ODP Schemata Static Schema Invariant Schema Dynamic Schema Conclusion Forma1 Notation Behavior of Individual Information Objects Alternative Notations GDMO 1 GRM

9 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management FUS" Formal Description Techniques VDWPOINT Introduction Computational Concepts COMPUTA~ONAL Objects and Interfaces Binding and Trading Computational Specification Reusing Information Specification Computational Object Interaction Graphs Computational Object Type Diagrams Notations for Computational Object Types Overall Computational Modeling Process ENGINEERING ISSUES CONCLUSION GENERIC VPN MODEL ENTERPRISE VIEWPOINT PURPOSE OF A G m c VPN MODEL VPN TERMs ANALYSIS VPN SCOPE CTN Definition VPN Definition in a CTN Context Scope of the Generic VPN Possible CTN Configurations and Outsourcing MODEL Actors and Interactions Actors and Roles Customers Requirements Functional Requirements Non-functional Requirements Management Requirements Security Requirements ORGANIZATIONAL GEN~~CREQVIREMENT~ iv

10 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management QoS Requirements Billing Requirements VASP Requirements Network Provider Requirements Ovewiew GENERICHARACTERISTICS VPN CONFIGURATION MANAGEMENT Organizational Mode Policies Life-cycle Mode LNFORMATION VIEWPOINT OVERVIEW VISIBIL~ LEVELS RELATED INFORMATION MODELS Prelirninary Work Related Standards M G GENERIC INFORMATION G m c NEIWORK INFORMATION MODEL Topology Fragment Connectivity Fragment Object-oriented Modeling of the Layering Principle inheritance Hierarchy of the Generic Mode VPN ~NFORMATION ARC HI TE^ Service Level Object Mode CTN Level Object Mode VPN Level Object Mode Public Network Level Object Mode Switching Element Level Object Mode Inheritance Hierarchy of the Overall VPN Information Architecture RELATIONSHIP ~WENTANCE MODEL ASSESSMENT AND APPLICABIL~ OPERATION MODEL

11 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management VPN CONFIGURATION MANAGEMENT SUB-SYSTEMSPECIFICATION ENTERF~ISE VIEWPOINT Organizational Mode Policies Life-cycle Mode INFORMATION V ~ I N... T Object Mode Operation Mode Route Selection QoS Parameters Cascading Route Segments Sequencing Identification of Objects Representing the Same Comection Forma1 Information Specification COMPUTA~ONAL VDWFOINT COMPUTATIONAL VIEWPOINT COMPV~A~ONALAR VPN CONFIGURATION MANAGEMENT IN A TMN ARC CONCLUSION OPEN DISTRIBUTED BANDWIDTH MANAGEMENT SERVICE FOR ATM- BASED VPNS ATM-BASED VPNS INTRODUCTION PHYSICAL ARCHITE= FOR A'ï"M-BASED VPNS LAYERED ARCHl'IEClWU2 FOR A'ïM-BASED VPNS ENTERPRISE VIEWPOINT SYSTD~ SCOPE AND OB System Environment Requirements Purpose and Scope of the System ORGANIZATIONAL MODEL POLICIES LIFE-CYCLE MODEL INFORMATION VIEWPOINT v i

12 Object-Otiented Method and Architecture for VPN Service Manugernent INFORMATION AR- FOR ATM-BASED BVPNS OBJEC~MODEL OPERA~ONMODEL BVPN BANDWIDTH MANAGEMENT SUB-SYSTEMS SPECIFICATION ENTERPRISE VIEWPOINT Organizational Mode Policies Life-cycle Mode INFORMATION VIEWP~INT Object Mode Operation Mode COMPUTA~ONAL V ~ I N... T COMPUTATIONAL VIEWPOINT CONCLUSION CONCLUSIONS VPN MODELING AREAS OFFURTHER WORK METHODOLOGICAL WOR K AREASOFFURTHERWORK BIBLIOGRAPHY ABBREVIATIONS 175 APPENDM A ASN.l TEMPLATES A -1 A.l OBJECT CLASS TEMPLATE A.2 ATTRIBUTE TEMPLAT A.3 RELATIONSHIP TEMPLATE A.4 ACTION TEMPLATE AS SUPPORTING DEFINITIONS... A- 1 E... A A A vii

13 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management APPENDIX B TYPES DEFINITIONS B-1 APPENDM C MODELS FOR VPN CONFIGURATION MANAGEMENT C-1 C.1 LIFE-CYCLE MODELS... C-1 C.1.1 LIFE-CYCLE MODEL FOR THE 'VPL-CGMSS' Sm-SYSTEM... C- 1 C.1.2 LIFE-CYCLE MODEL FOR THE 'SUBNW-CXMSS' Sm-SYSl'EM... C-2... C.1.3 LIFE-CYCLE MODEL FOR THE 'SWELT-CXMSS' Sm-SYSTEM C-2 C.2 OPERATION SCHEMATA... C-3 c.2.1 OPERATION SCHFMATA FOR THE 'VPL-CGMSS' Sm-SYSTEM... c-3 C.2.2 OPERATION SCHEMATA FOR THE 'SUBNW-CXMSS' SUB-SYSIEM... C-5 C.2.3 OPERATION SCHEMATA FOR THE 'SWELT-CXMSS' SUB-SYSTEM... c-8 C.3 COMPUTATIONAL MODELS... C-9 C.3.1 VIRTUAL FWVATE LINE MANAGER (VPLM)... c-9 C Computationd Object interaction Graph (COIG) for the 'rese~evpl' Operation... C-9 C COIG for the 'removevpl' operation... C- 10 C Computational Object Type Diagram for the VPLM... C-10 C.3.2 Sm-NEIWORK CONNECION MANAGER (SN0... C- 11 C COIG for the 'setupsnc' Operation... C- 11 C COIG for the 'releasesnc' Operation... C- 12 C Computationd Object Type Diagram for the SNCM... C-12 C.3.3 SWITCHING ELD~ENT CONNECION MANAGER (SECM)... C- 13 C COIG for the 'setupsnc' Operation... C-13 C COIG for the 'releasesnc' Operation... C-13 C Computational Object Type Diagram for the SECM... C- 14 APPENDM D MODELS FOR VPN BANDWIDTH MANAGEMENT D-1 D.l LIFE-CYCLE MODELS... D-1 D.1.1 Lm-CYCLE MODEL FOR THE VPL-BMSS' SUB-SYSTEM... D- 1 D. 1.2 Lm-CYCLE MODEL FOR THE 'VPATH-BMSS' Sm-SYSTEM... D-2 D. 1.3 Lm-CYCLE MODEL FOR THE 'VPCC-BMSS' SUB.SYSTEM... D-2 D.2 OPERATION SCHEMATA... D.3 viii

14 Object-Oriented Method and Architecture for VPN Service Management D.2.1 OPERATION SCHEMATA FOR THE 'VPL-BMSS' SUB-SYSTEM... D-3 D.2.2 OPERATION SCHEMATA FOR THE 'VPATH-BMSS' SUB-SYS'IEM... D-4 D.2.3 OPERATION SCHEMATA FOR THE 'VPCC-BMSS' SUB-SYSTEM... D-5 D.3 COMPUTATIONAL MODELS... D-7 D.3.1 VIRTUAL PRIVATE LINE BANDWIDTH MANAGER (VLBM)... D-7 D Computational Object Interaction Graph (COIG) for the 'incvplbw' Operation... D-7 D COIG for the 'decvplbw' operation... D-7 D Computational Object Type Diagram for the VLBM... D-7 D.3.2 VIRTUAL PATH BAND= MANAGER (VPBM)... D- 8 D COIG for the 'incbwreq' Operation... D-8 D COIG for the 'decbwreq' Operation... D-9 D COIG for the 'discardbwinc' Operation... D-9 D Computational Object Type Diagram for the VPBM... D D.3.3 VIRTUAL PATH CROSS-CONNECIION BANDWIDTH MANAGER (CCBM) D- 10 D COIG for the 'incbwreq' Operation... D- 10 D COIG for the 'decbwreq' Operation... D- 11 D COIG for the 'discarcbwinc' Operation... D- 1 D Computational Object Type Diagram for the CCBM... D-11 APPENDM E OVERVIEW OF PRISM E-1 E.l THE PRISM CONSORTIUM E.2 PROJECT OBJECTIVES E.3 TECHNICAL APPROACH... E-2... E-2... E-2 E.4 DOCUMENTS... E-3 ix