[論文レビュー] On Orchestrating Virtual Network Functions in NFV

Md. Faizul Bari, Shihabur Rahman Chowdhury+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2015

Software-Defined Networks and 5G参考文献 26被引用数 93

ひとこと要約

本稿では、仮想化ネットワーク機能オ케ストレーション問題（VNF-OP）に対する最適かつスケーラブルなソリューションを提案する。この問題を整数線形計画法（ILP）モデルとして定式化し、大規模ネットワーク向けに動的計画法に基づくヒューリスティクスを導入する。運用コストを最小化するとともに、サービスレベルアグリーメント（SLA）準拠を確保し、実際のトポロジを用いたトレース駆動シミュレーションにより、ネットワークのOPEXを最大4倍まで削減することに成功した。

ABSTRACT

Middleboxes or network appliances like firewalls, proxies and WAN optimizers have become an integral part of today's ISP and enterprise networks. Middlebox functionalities are usually deployed on expensive and proprietary hardware that require trained personnel for deployment and maintenance. Middleboxes contribute significantly to a network's capital and operational costs. In addition, organizations often require their traffic to pass through a specific sequence of middleboxes for compliance with security and performance policies. This makes the middlebox deployment and maintenance tasks even more complicated. Network Function Virtualization (NFV) is an emerging and promising technology that is envisioned to overcome these challenges. It proposes to move packet processing from dedicated hardware middleboxes to software running on commodity servers. In NFV terminology, software middleboxes are referred to as Virtualized Network Functions (VNFs). It is a challenging problem to determine the required number and placement of VNFs that optimizes network operational costs and utilization, without violating service level agreements. We call this the VNF Orchestration Problem (VNF-OP) and provide an Integer Linear Programming (ILP) formulation with implementation in CPLEX. We also provide a dynamic programming based heuristic to solve larger instances of VNF-OP. Trace driven simulations on real-world network topologies demonstrate that the heuristic can provide solutions that are within 1.3 times of the optimal solution. Our experiments suggest that a VNF based approach can provide more than 4x reduction in the operational cost of a network.

研究の動機と目的

• 企業およびISPネットワークにおけるプロpriエタリなハードウェアミドルボックスに起因する高い資本支出および運用支出を低減すること。
• 動的かつ最適な仮想ネットワーク機能（VNF）オーケストレーションを実現し、ネットワーク運用コストを最小化するとともに、サービスレベルアグリーメント（SLA）準拠を維持すること。
• 導入コスト、消費電力、転送パス効率のバランスをとった、スケーラブルなVNF配置ソリューションの開発。
• NFVおよびSDNの原則に従い、柔軟でコスト効率が良く、自動化されたネットワークサービス機能チェインの実現。

提案手法

• 運用コスト最小化を目的とした最適なVNF配置および数の決定を可能にする、VNFオーケストレーション問題（VNF-OP）を整数線形計画法（ILP）モデルとして定式化する。
• 小規模ネットワークインスタンスにおいて、最適解を取得するためにCPLEXを用いてILPソリューションを実装する。
• ILPが解けない大規模ネットワークインスタンスを効率的に解けるよう、動的計画法に基づくヒューリスティクスを提案する。
• SDNのグローバルネットワークビューを活用し、転送ルールをプログラム可能に設定することで、VNF経由の正しいサービス機能チェイン（SFC）を保証する。
• 実世界のネットワークトポロジ、特にInternet2研究ネットワークを用いて、性能およびコスト削減を評価するためのシミュレーションを実施する。
• SFCにおける正しい処理順序を維持するため、パケットタギングメカニズムを用いてトラフィックフローとVNFの順序を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サービスレベルアグリーメントを尊重しつつ、ネットワーク内に仮想ネットワーク機能（VNF）を最適に配置する方法は何か？
• RQ2 VNFオーケストレーションにおいて、VNFの導入コスト、消費電力、非最適な転送パスの間にはどのようなトレードオフが存在するか？
• RQ3 スケーラブルなヒューリスティクスアプローチは、大幅に短縮された計算時間で、近似的に最適な解を達成できるか？
• RQ4 従来のハードウェアミドルボックスと比較して、NFVベースのVNF展開は、運用支出をどの程度削減できるか？

主な発見

• 提案されたヒューリスティクス解法は、最適なILP解の1.3倍以内の解を達成しており、優れた近似最適性を示している。
• ヒューリスティクスは、CPLEXを用いた最適解法と比較して、計算時間を65〜3,500倍短縮しており、大規模ネットワークへのスケーラビリティを実現している。
• Internet2ネットワークトポロジを用いたトレース駆動シミュレーションでは、従来のハードウェアミドルボックスと比較して、ネットワーク運用支出（OPEX）が4倍以上削減された。
• VNFベースのアプローチにより、コンmodityサーバー上での柔軟なソフトウェアベースの展開によって、資本支出および運用支出の両方を大幅に削減できる。
• SDNとVNFオーケストレーションの統合により、トラフィック制御およびVNF配置の動的でプログラム可能かつ集中管理可能な制御が可能になった。