[論文レビュー] Specifying and Analyzing Virtual Network Services Using Queuing Petri Nets

Stefan Schneider, Arnab Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ネットワーク関数仮想化（NFV）環境における仮想ネットワーク関数（VNF）およびそのオ케ストレーションを形式的かつ明確に指定するため、キューイングペトリネット（QPN）の使用を提案する。この手法により、キューイング、確率的遅延、同期、およびループを含む複雑なトポロジーを捉えることができる。本手法は自動シミュレーションと性能分析を可能とし、VNFの最適配置とQoS保証に貢献する。

ABSTRACT

For optimal placement and orchestration of network services, it is crucial that their structure and semantics are specified clearly and comprehensively and are available to an orchestrator. Existing specification approaches are either ambiguous or miss important aspects regarding the behavior of virtual network functions (VNFs) forming a service. We propose to formally and unambiguously specify the behavior of these functions and services using Queuing Petri Nets (QPNs). QPNs are an established method that allows to express queuing, synchronization, stochastically distributed processing delays, and changing traffic volume and characteristics at each VNF. With QPNs, multiple VNFs can be connected to complete network services in any structure, even specifying bidirectional network services containing loops. We propose a tool-based workflow that supports the specification of network services and the automatic generation of corresponding simulation code to enable an in-depth analysis of their behavior and performance. In a case study, we show how developers can benefit from analysis insights, e.g., to anticipate the impact of different service configurations. We also discuss how management and orchestration systems can benefit from our clear and comprehensive specification approach and its extensive analysis possibilities, leading to better placement of VNFs and improved Quality of Service.

研究の動機と目的

• ネットワークサービスにおける仮想ネットワーク関数（VNF）およびその相互接続の形式的かつ明確な指定手法の欠如に応える。
• 同期、可変なトラフィック特性、双方向またはループ構造を含むサービストポロジーをモデル化できない既存の規格（例：ETSI、IETF）の制限を克服する。
• 各VNFにおけるキューイング、確率的処理遅延、および動的トラフィック量の変化を正確にモデル化することを可能にする。
• エンドツーエンド遅延、スループット、キュー長の自動分析を支援し、最適なVNF配置とオーケストレーションを導く。
• 開発者およびMANOシステムがサービス構成とデプロイメント意思決定を支援できる、ツールベースのワークフロー（仕様作成、シミュレーション、性能評価）を提供する。

提案手法

• 並列処理、同期、確率的遅延を表現可能な形式的記法であるキューイングペトリネット（QPN）を用いて、ネットワークサービスおよび個々のVNFの動作をモデル化する。
• 入力／出力遷移を明確に定義したQPNコンポーネントとして各VNFを表現し、トラフィック量の変化とリクエストタイプのモデル化を可能にする。
• ペトリネットの表現力を利用することで、双方向フローおよびループを含む任意のネットワークサービストポロジーをサポートする。
• 各VNFに確率的処理遅延を統合し、分布は既知であるか、機械学習を用いて推定可能であると仮定する。
• QPN仕様から自動的にシミュレーションコードを生成するツールベースのワークフローを実装し、実行時における性能分析を可能にする。
• 複数のインスタンス間でのロードバランシングと同期動作を形式的に指定することで、VNFインスタンスの動的スケーリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 仮想ネットワーク関数およびその相互接続をどのように形式的に指定すれば、動作と構造に関する曖昧さを排除できるか？
• RQ2 QPNは、複数の入力ストリームの同期、確率的遅延、動的トラフィック特性といった複雑な動作をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 QPNベースの仕様は、ネットワークサービスにおけるエンドツーエンド遅延、スループット、キュー長の正確な性能分析を可能にするか？
• RQ4 MANOシステムはQPNベースの仕様をどのように活用し、VNFの配置を最適化し、QoS保証を強化できるか？
• RQ5 QPNベースの仕様と分析を、サービスデプロイメントの自動化されたDevOpsパイプラインに統合することは可能か？

主な発見

• QPNは、同期、キューイング、確率的処理遅延を捉える形式的かつ明確なVNFおよびネットワークサービスの指定手法を提供する。
• 本手法は、双方向フローおよびループを含む複雑なサービストポロジーをサポートするが、これはETSIやIETFの既存規格では実現不可能である。
• ツールベースのワークフローにより、シミュレーションコードの自動生成が可能となり、開発者はさまざまなサービス構成を分析し、性能ボトルネックを特定できる。
• エンドツーエンド遅延、スループット、キュー長といった性能指標は、QPNシミュレーションを用いて正確に分析可能であり、QoS指向のオーケストレーションを支援する。
• MANOシステムはQPNベースの分析を活用し、異なるVNF配置におけるQoSを推定・比較し、最適な構成の選定が可能になる。
• 本手法は仮想的および物理的ネットワーク関数の両方へ拡張可能であり、動的インスタンススケーリングとロードバランシングを備えたスケーラブルなサービステンプレートのモデル化にも利用可能である。