[論文レビュー] On Improving Service Chains Survivability through Efficient Backup Provisioning

Saifeddine Aidi, Mohamed Faten Zhani+1 more|Espace ÉTS (ETS)|Oct 15, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 18被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、NFV/SDN環境におけるサービス機能チェーン（SFC）のプロアクティブな耐障害性フレームワークを提案し、すべてのチェーンにわたって共有バックアップVNFを最適にプロビジョニングすることでリソース使用量を最小化する。問題を整数線形計画法（ILP）として定式化し、近似最適解を著しく短時間で得られる2つの効率的ヒューリスティックアルゴリズム（BS-PushおよびBS-Pull）を導入する。特に、インfra構成の利用率が高い大規模なシナリオにおいて顕著な計算時間の短縮効果を示す。

ABSTRACT

With the growing adoption of Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV), large-scale NFV infrastructure deployments are gaining momentum. Such infrastructures are home to thousands of network Service Function Chains (SFCs), each composed of a chain of virtual network functions (VNFs) that are processing incoming traffic flows. Unfortunately, in such environments, the failure of a single node may break down several VNFs and thereby breaking many service chains at the same time. In this paper, we address this particular problem and investigate possible solutions to ensure the survivability of the affected service chains by provisioning backup VNFs that can take over in case of failure. Specifically, we propose a survivability management framework to efficiently manage SFCs and the backup VNFs. We formulate the SFC survivability problem as an integer linear program that determines the minimum number of required backups to protect all the SFCs in the system and identifies their optimal placement in the infrastructure. We also propose two heuristic algorithms to cope with the large-scale instances of the problem. Through extensive simulations of different deployment scenarios, we show that these algorithms provide near-optimal solutions with minimal computation time.

研究の動機と目的

• 単一ノード障害が複数のサービスチェーンに影響を及ぼす可能性がある大規模なNFV/SDNインfra構造において、SFCの耐障害性という重要な課題に取り組むこと。
• すべてのSFCを保護できる最小限の共有バックアップVNFの数をプロビジョニングすることで、リソースの無駄遣いを最小限に抑えること。
• 正確なILP解が計算的に非現実的になる大規模な展開においても、バックアッププロビジョニングおよび配置問題を効率的に解けるスケーラブルなアルゴリズムを開発すること。
• バックアップ配置と同期コストのバランスを取るために、VNFからバックアップまでのホップ距離を制限し、帯域幅および遅延のオーバーヘッドを低減すること。

提案手法

• すべてのサービスチェーンに対して最適な共有バックアップVNFの数と配置を決定するため、SFC耐障害性問題を整数線形計画法（ILP）として定式化する。
• 失敗リスクと近接性に基づいて反復的にバックアップをVNFに割り当てる2つのヒューリスティックアルゴリズム（BS-PushおよびBS-Pull）を提案し、低実行時間で近似最適解を達成することを目的とする。
• 帯域幅および遅延のオーバーヘッドを低減するために、VNFとそのバックアップ間の最大ホップ数を制限することで、同期コスト制約を統合する。
• VNFの配置を固定するために、先行研究のVNF埋め込みアルゴリズム（Racheg et al.）を採用し、バックアップ問題に焦点を絞ってバックアッププロビジョニングと配置に集中する。
• ILPの解法とヒューリスティックの性能評価のため、8つのシミュレーションシナリオ（インフラ構成の利用率が異なる）でCPLEXを用いて実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 いかなる単一物理ノード障害に対しても、すべてのSFCの耐障害性を保証するために必要な共有バックアップVNFの最小数は何か？
• RQ2 物理インfra構造全体にわたって、リソース使用量を最小限に抑えつつ同期コストを低く保てるように、バックアップVNFを最適に配置する方法は何か？
• RQ3 大規模なシナリオにおいて、正確なILP解に比べて著しく計算時間を短縮できるヒューリスティックアルゴリズムは、近似最適なバックアッププロビジョニングを達成できるか？
• RQ4 インフラ構成の利用率は、バックアッププロビジョニングソリューションの実現可能性と性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 低利用率シナリオ（S1–S4）では、BS-PushおよびBS-Pullの両ヒューリスティックが、最適解（CPLEX）と比較してバックアップ数の増加がわずかであり、近似最適性が裏付けられる。
• 高利用率シナリオ（S5–S8）では、CPLEXがリソース制約により妥当な解を発見できなかったが、ヒューリスティックは依然として解を提供した（一部のVNFにはバックアップが割り当てられなかった）。
• BS-Pullは、特に高利用率環境において、BS-Pushよりも一貫してバックアップ数が少ないことが示され、より優れた負荷分散と配置効率を示している。
• CPLEXの実行時間は、インフラ構成利用率の上昇に伴い著しく増加（2秒から7分まで）したが、ヒューリスティックはすべてのシナリオで安定的かつ短時間の実行時間を維持した。
• すべての解において、平均同期距離（ホップ数）は最大許容値の2ホップを下回り続け、同期のオーバーヘッドが効果的に制御されていることが確認された。