[論文レビュー] On Optimal Placement of Hybrid Service Function Chains (SFCs) of Virtual Machines and Containers in a Generic Edge-Cloud Continuum

Francisco Carpio, Wolfgang Bziuk+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Software-Defined Networks and 5G被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ISP主導のエッジ・クラウド連携環境において、仮想マシン（VMs）とコンテナを組み合わせたハイブリッドサービス機能チェーン（SFC）の最適配置を実現するための混合整数線形プログラミング（MILP）モデルとグリーディヒューリスティックを提案する。運用コスト、サードパーティクラウド利用料、SLA違反ペナルティを統合最適化し、特にエッジリソースが未利用状態にある場合に、純粋なVMまたはコンテナデプロイメントと比較して、ハイブリッドVM-コンテナSFCが総コストを削減することを示している。

ABSTRACT

Traditionally, Network Function Virtualization (NFV) has been implemented to run on Virtual Machines (VMs) in form of Virtual Network Functions (VNFs). More recently, the so-called Serverless Computing has gained traction in cloud computing, offering Function-as-a-Service (FaaS) platforms that make use of containerization techniques to deploy services. In contrast to VM-based VNFs, where resources are usually reserved and continuously running, FaaS can just be subsets of code implementing small functions allowing for event-driven, on-demand instantiations. Thus, a hybrid VM-Container based Service Function Chains (SFCs) are a natural evolution of NFV architecture. We study a novel problem of optimal placement of hybrid SFCs from an Internet Service Provider (ISP) point of view, whereby VNFs can be instantiated either over VMs or containers in a generic edge and cloud continuum. To this end, we propose a Mixed-Integer Linear Programming model as well as a heuristic solution to solve this optimization problem that considers three objectives unique to the specific VM and container deployment in a carrier network: operational costs for maintaining servers in the edge, costs of placing VNFs in third-party cloud providers and penalty costs applied when SLA agreements are violated in terms of end-to-end delay. We also propose 2-phases optimization process to analyze the effect on performance as a result of replications and migrations of VNFs. The model can be used to highlight scenarios where a combination of VMs and containers can provide most benefits from the monetary costs point of view.

研究の動機と目的

• エッジ・クラウド環境における仮想マシン（VMs）とコンテナを統合したハイブリッドSFCの最適化モデルの不足に応えること。
• エッジサーバー保守コスト、サードパーティクラウド利用料、SLA違反ペナルティを含む総運用コストを最小化すること。
• 動的トラフィック環境下におけるVNFの移行およびレプリケーションがコストとパフォーマンスに与える影響を分析すること。
• キャリアネットワーク文脈におけるVMベースとコンテナベースのVNFデプロイメントの間のコストトレードオフを評価すること。
• 現実的なSFC再構成を想定した、低負荷および高負荷状態のシナリオをモデル化する二段階最適化プロセスを開発すること。

提案手法

• エッジサーバー運用コスト、クラウドプロバイダー料金、SLA違反ペナルティという3つのコスト目的を統合最適化するための混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築する。
• 従来のモデルがパス全体の平均化や制限を設けるのに対し、個々のトラフィックフローごとのエンドツーエンド遅延をモデル化する。
• 二段階最適化プロセスを提案：低負荷下での初期配置、その後に高負荷下での移行およびレプリケーションの分析。
• オンラインデプロイメントに適したグリーディヒューリスティックアルゴリズムを提案し、エッジリソースが利用可能である場合、最適MILP解に非常に近い性能を示す。
• ISP主導の汎用モデルを採用し、ISPがエッジインfraを所有するが、クラウドリソースをレンタル可能とする構成を想定し、コスト意識に基づいた配置意思決定を可能にする。
• 同じSFC内でVM-VNFとCT-VNFをサポートし、異なるコストモデルを持つハイブリッドデプロイメント戦略を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジ・クラウド連携環境におけるSFCにおけるVMとコンテナのハイブリッドデプロイメントは、総運用コストにどのように影響を与えるか？
• RQ2 動的トラフィック条件下で、VNFの移行およびレプリケーションはコストとパフォーマンスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 キャリアネットワークにおけるVNF配置において、エッジサーバーコストとサードパーティクラウドコストの比較はどのようになるか？
• RQ4 リアルタイムSFC配置において、グリーディヒューリスティックが最適MILP解をどの程度近似できるか？
• RQ5 どのような状況下で、ハイブリッドVM-コンテナSFCが純粋なVMまたは純粋なコンテナSFCよりもコスト効率に優れるか？

主な発見

• グリーディヒューリスティックは、SFC長が4以下の範囲では最適MILP解とほぼ同等の性能を示し、特にエッジサーバーが未利用状態にある場合に顕著である。
• ファーストフィットおよびランダムフィットヒューリスティックは類似した性能を示すが、配置意思決定の質が低いため、グリーディアプローチに比べて著しく劣り、移行およびレプリケーションコストが増加する。
• VMとコンテナを組み合わせたハイブリッドSFCは、純粋なVMまたはコンテナデプロイメントと比較して、特にエッジリソースが利用可能な場合に総コストを削減する。
• エッジデプロイメントはクラウドデプロイメントよりも低い総コストを発生させる。これは、運用および利用料金が低いためであり、特にISPがインfraを所有している場合に顕著である。
• エッジリソースが飽和状態に達するとクラウド利用量が増加し、利用量課金制のコンテナベースVNFはVMよりも高コストになる可能性がある。これはハイブリッド戦略の利点を強調する。
• 初期配置がその後の移行およびレプリケーションコストに顕著に影響を与えることが示され、事前配置により長期的なペナルティコストを低減できることを示している。