[논문 리뷰] On Optimal Placement of Hybrid Service Function Chains (SFCs) of Virtual Machines and Containers in a Generic Edge-Cloud Continuum

Francisco Carpio, Wolfgang Bziuk외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ISP 중심의 엣지-클라우드 연속체에서 가상 머신(VMs)과 컨테이너를 조합한 하이브리드 서비스 기능 체인(SFCs)의 최적 배치를 위한 혼합정수선형계획법(MILP) 모델과 탐욕 휴리스틱을 제안한다. 운영 비용, 제3자 클라우드 사용료, SLA 위반 보상 비용을 종합적으로 최적화하며, 엣지 자원이 미사용 상태일 경우에 특히 하이브리드 VM-컨테이너 SFC가 순수 VM 또는 컨테이너 배치보다 총 비용을 낮춘다.

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.

연구 동기 및 목표

• 엣지-클라우드 환경에서 가상 머신과 컨테이너를 조합한 하이브리드 SFC에 대한 최적화 모델의 부족을 해결하기 위해.
• 엣지 서버 유지보수 비용, 제3자 클라우드 사용료, SLA 위반 보상 비용을 포함한 총 운영 비용을 최소화하기 위해.
• 동적 트래픽 환경에서 VNF 이동 및 복제가 비용과 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 운영자 네트워크 환경에서 기반 VNF 배치 방식으로 VM 기반과 컨테이너 기반 배치 간의 비용 트레이드오프를 평가하기 위해.
• 실제 SFC 재구성에 부합하는 저부하 및 고부하 상황을 모델링하는 이중 단계 최적화 프로세스를 개발하기 위해.

제안 방법

• 엣지 서버 운영 비용, 클라우드 제공자 요금, SLA 위반 보상 비용이라는 세 가지 비용 목표를 종합적으로 최적화하기 위한 혼합정수선형계획법(MILP) 모델을 수립한다.
• 이전 모델이 경로 간 평균화하거나 제한하는 것과 달리, 각 트래픽 흐름에 대해 개별적인 엔드 투 엔드 지연을 모델링한다.
• 이중 단계 최적화 프로세스를 제안한다: 저부하 조건에서의 초기 배치, 고부하 조건에서의 이동 및 복제 분석.
• 실시간 배치에 적합한 탐욕 휴리스틱 알고리즘을 도입하며, 엣지 자원이 확보되어 있을 경우 최적의 MILP 해와 거의 동일한 성능을 보인다.
• ISP가 엣지 인프라를 소유하지만 클라우드 자원을 임대할 수 있는 일반적인 ISP 중심 모델을 사용하여 비용 인식 기반의 배치 결정을 가능하게 한다.
• 동일한 SFC 내에서 VM-VNF와 CT-VNF를 모두 지원하여, 별도의 비용 모델을 가진 하이브리드 배포 전략을 허용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엣지-클라우드 연속체에서 SFC에 VM과 컨테이너를 하이브리드로 배치할 경우 총 운영 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 동적 트래픽 조건에서 VNF 이동 및 복제가 비용과 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 운영자 네트워크에서 VNF를 배치할 때 엣지 서버 비용과 제3자 클라우드 비용은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 실시간 SFC 배치에서 탐욕 휴리스틱이 최적의 MILP 해를 어느 정도 근사할 수 있는가?
• RQ5 비용 효율성 측면에서 어떤 상황에서 하이브리드 VM-컨테이너 SFC가 순수 VM 또는 순수 컨테이너 SFC를 능가하는가?

주요 결과

• 엔드포인트 간 거리가 4 이하인 SFC에 대해 탐욕 휴리스틱은 최적의 MILP 해와 거의 동일한 성능을 보이며, 특히 엣지 서버 자원이 미사용 상태일 경우에 유사도가 높다.
• 1순위 배치 및 무작위 배치 휴리스틱은 성능이 유사하며, 탐욕 방식보다 유의미하게 열 劣하므로 잘못된 배치 결정으로 인해 이동 및 복제 비용이 증가한다.
• VM과 컨테이너를 조합한 하이브리드 SFC는 순수 VM 또는 순수 컨테이너 배치보다 총 비용을 낮추며, 엣지 자원이 확보되어 있을 경우 尤히 유리하다.
• 엣지 배치의 총 비용은 클라우드 배치보다 낮으며, 특히 ISP가 인프라를 소유하고 있을 경우 운영 및 사용료가 낮아지므로 유리하다.
• 엣지 자원이 포화 상태에 이르면 클라우드 사용량이 증가하고, 사용료 기반 요금제에 따라 컨테이너 기반 VNF가 VM 기반 VNF보다 더 높은 비용을 유발할 수 있어 하이브리드 전략의 이점이 두드러진다.
• 초기 배치가 이후의 이동 및 복제 비용에 큰 영향을 미치며, 사전에 적절한 배치를 통해 장기적인 보상 비용을 감소시킬 수 있음을 보여준다.