[論文レビュー] Improving Reliability of Service Function Chains with Combined VNF Migrations and Replications

Francisco Carpio, Admela Jukan|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 6被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、NFVベースのサービス機能チェーンにおけるVNFのリプリケーションとマイグレーションの共同最適化を提案し、リソースの過剰な消費を抑える一方で信頼性を向上させる。線形計画法（LP）フレームワークを用いて問題をモデル化することで、アクティブ・アクティブ型リプリケーションと戦略的VNFマイグレーションを組み合わせることで、信頼性と負荷分散が著しく向上し、過剰なリプリケーションの必要性が低減することを示している。特に、信頼性とリソース効率のバランス（α = 0.5）をとると、ネットワークおよびサーバーのリソース利用率が最適化される。

ABSTRACT

The Network Function Virtualization (NFV) paradigm is enabling flexibility, programmability and implementation of traditional network functions into generic hardware, in form of Virtual Network Functions (VNFs). To provide services, the VNFs are commonly concatenated in a certain ordered sequence, known as Service Function Chains (SFCs). SFCs are usually required to meeting a certain level of reliability. This creates the need to place the VNFs while optimizing reliability jointly with other objectives, such as network and server load balancing. Traditional migration and replication mechanisms, commonly used for Virtual Machines (VM) in data centers, can be used to improve SFC reliability. We study how to improve service reliability using jointly replications and migrations, considering the chaining problem inherent in NFV. While replications provide reliability, performing migrations to more reliable servers decreases the resource overhead. A Linear Programming (LP) model is presented to study the impact of active-active configurations on the network and server resources. Additionally, to provide a fast recovery from server failures, we consider N-to-N configurations in NFV networks and study its impact on server resources. The results show that replications do not only improve reliability, but can also be used to achieving a better server and network load balancing, and when used jointly with migrations can improve resource utilization without degrading reliability.

研究の動機と目的

• NFV環境における動的障害下でも高い信頼性を確保する課題に対処すること。
• より信頼性の高いサーバーへのプロアクティブなVNFマイグレーションを統合することで、過剰なVNFリプリケーションに起因するリソースの過剰消費を低減すること。
• 従来のアクティブ・スタンバイモデルと比較して、N対N（アクティブ・アクティブ）構成がサーバーおよびネットワークリソース利用率に与える影響を評価すること。
• 統一されたLPベースのフレームワークを用いて、信頼性、サーバー負荷のバランス、ネットワークリンク利用率を同時に最適化すること。
• リプリケーションとマイグレーションを組み合わせることで、信頼性を低下させることなくリソース利用率を向上させられることを実証すること。

提案手法

• VNF配置、リプリケーション（アクティブ・アクティブ／N対N）およびマイグレーション意思決定を同時に最適化する線形計画法（LP）モデルを構築する。
• 信頼性（α=1）とネットワーク・サーバーのリソース最小化（α=0.1）のバランスを取るために、重み付き目的関数を導入し、パrameter α を用いる。
• N対N構成としてVNFリプリケーションをモデル化することで、トラフィックのリプリケーションなしに高速フェイルオーバーを実現し、事前にリソースを予約する。
• SNDLib（janos-us、26ノード、84リンク）のネットワークトポロジーを用い、195のサービスクエーン（各3VNF、最大5リプリケート）に合計1950のVNFを配置する。
• Gurobi Optimizerを用いてLPモデルを実装し、信頼性、サーバー利用率、リンク利用率のトレードオフを評価する。
• 異なるα値がリプリケーション数、マイグレーション頻度、サーバーおよびリンクへのリソース配分に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VNFリプリケーションとマイグレーションを併用することで、単独で使用する場合と比較して、SFCの信頼性はどのように向上するか？
• RQ2 重み付き目的関数（α）を用いて信頼性とリソース利用率を最適化する際のトレードオフは何か？
• RQ3 N対N（アクティブ・アクティブ）リプリケーションモデルは、アクティブ・スタンバイ構成と比較して、サーバーおよびリンクの利用率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 戦略的VNFマイグレーションを用いることで、信頼性を維持したまま必要なリプリケート数をどれだけ削減できるか？
• RQ5 サーバーおよびリンクの負荷バランスという観点から、信頼性とリソース効率の最適なバランス（例：α = 0.5）はどこにあるか？

主な発見

• α = 1.0（信頼性最適化）の場合、470のリプリケートと1198回のマイグレーションが使用され、最高の信頼性を達成するが、サーバーおよびリンクの負荷に著しい不均衡が生じる。
• α = 0.9の場合、リプリケーションのみが有効（472リプリケート）であるが、リプリケーションとマイグレーションを組み合わせることで（1098～1193回のマイグレーション）、顕著な信頼性向上と負荷分布の改善が得られる。
• α = 0.5の場合、バランスの取れた最適なトレードオフが達成され、15のリプリケートと1425～54回のマイグレーションが実現され、サーバーの過負荷が顕著に低減されつつ高い信頼性を維持する。
• N対N構成はアクティブ・アクティブ構成と比較して平均的なサーバー利用率を向上させるが、より迅速な回復が可能であるため、リソース消費の増加を正当化する。
• リプリケーションとマイグレーションの両方がリンク利用率を上昇させ、特にαが大きい場合（例：α=1）にボトルネックを引き起こす。最適なバランスはα=0.5で達成される。
• マイグレーションにより、過負荷のノードのリソースが解放され、リプリケートのより効率的な割り当てが可能になり、全体的なリソース圧力を軽減する。