[논문 리뷰] Multi-Criteria Virtual Machine Placement in Cloud Computing Environments: A literature Review

Wissal Attaoui, Essaïd Sabir|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 05.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 54인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 클라우드 컴퓨팅에서 다기준 가상 머신 배치(VMP)에 대한 종합적인 문헌 리뷰를 제시하며, 에너지 소비, 비용, 네트워크 트래픽, 자원 활용도, 서비스 품질의 다섯 가지 목적 함수에 따라 기존 솔루션을 분류한다. 히우리스틱, 메타히우리스틱, 결정론적, 근사 알고리즘을 분석하고, NFV와 SDN을 활용한 5G 네트워크에서의 VNF 배치를 통해 다양한 서비스 요구사항을 충족하는 네트워크 슬라이싱을 논의한다.

ABSTRACT

Cloud computing is a revolutionary process that has impacted the manner of using networks. It allows a high level of flexibility as Virtual Machines (VMs) run elastically workloads on physical machines in data centers. The issue of placing virtual machines (VMP) in cloud environments is an important challenge that has been thoroughly addressed, although not yet completely resolved. This article discusses the different problems that may disrupt the placement of VMs and Virtual Network Functions (VNFs), and classifies the existing solutions into five major objective functions based on multiple performance metrics such as energy consumption, Quality of Service, Service Level Agreement, and incurred cost. The existing solutions are also classified based on whether they adopt heuristic, deterministic, meta-heuristic or approximation algorithms. The VNF placement in 5G network is also discussed to highlight the convergence toward optimal usage of mobile services by including NFV/Software-Defined-Network technologies.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 컴퓨팅 환경 내에서 가상 머신 배치(VMP)의 핵심 과제를 식별하고 분류하는 것.
• 에너지, 비용, 성능, 자원 활용도 등의 주요 최적화 목표에 따라 기존 VMP 솔루션을 분류하는 것.
• VMP에서 사용되는 알고리즘적 접근 방식을 분석하여 히우리스틱, 메타히우리스틱, 결정론적, 근사 방법 간의 차이를 구분하는 것.
• 네트워크 기능 가상화(NFV)와 5G 네트워크에서의 네트워크 슬라이싱을 통합하여 서비스 유연성과 성능을 향상시키는 VMP의 통합을 탐색하는 것.
• 특히 5G 기반 클라우드 인fra에서 동적이고 다기준 제약 조건 하에서 최적의 배치를 달성하는 데 있어 열려 있는 연구 문제와 향후 방향성을 부각하는 것.

제안 방법

• 클라우드 및 5G 환경에서의 VMP와 VNF 배치에 관한 180篇 이상의 연구 논문과 종합 검토를 체계적으로 검토하였다.
• VMP 솔루션을 다섯 가지 목적 함수로 분류: 에너지 소비 최소화, 비용 최적화, 네트워크 트래픽 감소, 자원 균형 조절, QoS 최대화.
• 해결 기법을 네 가지 알고리즘 유형으로 분류: 히우리스틱, 메타히우리스틱, 결정론적, 근사 알고리즘.
• 가상화 및 동적 마이그레이션의 역할을 분석하여 성능 영향을 최소화하면서도 융통성 있는 VM 배치를 가능하게 하는 요소를 규명하였다.
• NFV와 SDN의 융합이 5G 네트워크에서 어떻게 이루어지는지 탐색하였으며, 특히 네트워크 슬라이싱이 다양한 서비스 요구사항(예: 낮은 지연 시간 또는 높은 대역폭)에 맞게 맞춤형으로 고립된 가상 네트워크를 구현하는 방식을 분석하였다.
• 상태 기반 및 상태 비기반 워크로드의 영향과 SLA 준수 여부가 배치 결정과 시스템 안정성에 미치는 영향을 평가하였다.

Figure 1: Resource wastage

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 및 5G 네트워크 환경에서 가상 머신 배치에 영향을 미치는 주요 과제는 무엇인가요?
• RQ2 에너지 효율성, 비용, QoS와 같은 다양한 최적화 목표는 VMP 솔루션 설계에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 히우리스틱, 메타히우리스틱, 결정론적, 근사 알고리즘의 강점과 한계는 다기준 VMP 문제 해결에 있어 무엇인가요?
• RQ4 네트워크 기능 가상화(NFV)와 네트워크 슬라이싱은 5G 모바일 네트워크에서 VMP를 어떻게 향상시키나요?
• RQ5 동적 워크로드와 다기준 제약 조건 하에서 최적의, 안정적인, 확장 가능한 VM 및 VNF 배치를 달성하기 위한 열려 있는 연구 과제는 무엇인가요?

주요 결과

• 기존 VMP 솔루션의 대부분은 시간 제약 내에서 고성능 솔루션을 제공할 수 있는 능력 덕분에 히우리스틱 및 메타히우리스틱 알고리즘에 의존한다.
• 에너지 소비 최소화는 데이터센터의 높은 탄소 배출량과 지속 가능한 클라우드 운영의 필요성으로 인해 가장 널리 연구된 목표이다.
• 비용 최적화와 SLA 준수는 상용 클라우드 제공업체에게 핵심적이며, 많은 솔루션이 재정적 및 성능 제약 조건을 모델에 통합하고 있다.
• 자원 활용도 균형 조절과 네트워크 트래픽 감소는 자원 경쟁을 줄이고 전체 시스템 효율성을 향상시키기 위해 점점 더 중요해지고 있다.
• 5G에서의 네트워크 슬라이싱은 하나의 물리적 인프라 위에 다수의 고립되고 맞춤형 가상 네트워크를 공존시켜, 낮은 지연 시간이나 높은 대역폭과 같은 특정 서비스 요구사항에 맞게 설계할 수 있도록 한다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 동적 워크로드와 상태 기반 및 상태 비기반 서비스의 동시 배치 문제는 여전히 주요 과제이며, 적절히 모델링되지 않으면 최적 또는 불안정한 구성이 초래될 수 있다.

Figure 2: 5G crosshaul physical architecture