[논문 리뷰] On Orchestrating Virtual Network Functions in NFV

Md. Faizul Bari, Shihabur Rahman Chowdhury외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 22.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 26인용 수 93

한 줄 요약

이 논문은 가상화된 네트워크 기능 오케스트레이션 문제(VNF-OP)에 대한 최적이고 확장 가능한 솔루션을 제안하며, 정수선형계획법(ILP) 모델로 공식화하고 대규모 네트워크를 대상으로 동적 프로그래밍 기반 휴리스틱을 도입한다. 이는 운영 비용을 최소화하면서 서비스 수준 합의(SLA) 준수를 보장하며, 실제 토폴로지에서 트레이스 기반 시뮬레이션을 통해 네트워크 OPEX를 최대 4배까지 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기업 및 ISP 네트워크에서 고정형 하드웨어 미들박스로 인한 높은 자본 및 운영 지출 문제를 해결하기 위해.
• 가상 네트워크 기능(VNFs)을 동적으로 오케스트레이션하여 네트워크 운영 비용을 최소화하면서도 서비스 수준 합의(SLA) 준수를 유지하기 위해.
• 배치 비용, 에너지 소비, 전달 경로 효율성 간의 균형을 고려한 확장 가능한 VNF 배치 솔루션을 개발하기 위해.
• NFV 및 SDN 원칙을 활용하여 유연하고 비용 효율적이며 자동화된 네트워크 서비스 기능 체인을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 비용 최소화를 위해 최적의 VNF 배치 및 수량을 도출하기 위해 VNF 오케스트레이션 문제(VNF-OP)를 정수선형계획법(ILP) 모델로 공식화하기 위해.
• 소규모 네트워크 인스턴스에서 최적 결과를 확보하기 위해 CPLEX를 사용하여 ILP 솔루션을 구현하기 위해.
• ILP가 비현실적이게 되는 더 큰 네트워크 인스턴스를 효율적으로 해결하기 위해 동적 프로그래밍 기반 휴리스틱을 제안하기 위해.
• SDN의 글로벌 네트워크 뷰를 활용하여 전달 규칙을 프로그래밍 방식으로 구성하고, VNF들을 통해 정확한 서비스 기능 체인(SFC)을 보장하기 위해.
• 성능 및 비용 절감 효과를 평가하기 위해 실제 세계의 네트워크 토폴로지, 특히 Internet2 연구 네트워크를 대상으로 제안된 방법을 시뮬레이션하기 위해.
• SFC에서 정확한 처리 순서를 유지하기 위해 패킷 태깅 메커니즘을 사용하여 트래픽 흐름과 VNF 순서를 추적하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서비스 수준 합의를 준수하면서 운영 비용을 최소화하기 위해 가상 네트워크 기능(VNFs)을 네트워크에 최적으로 배치하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 VNF 오케스트레이션에서 VNF 배치 비용, 에너지 소비, 비최적의 전달 경로 간의 상호 상충 관계는 무엇인가?
• RQ3 확장 가능한 휴리스틱 접근 방식이 계산 시간을 크게 단축하면서도 대규모 VNF 오케스트레이션에서 거의 최적의 해를 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 하드웨어 미들박스 대비 NFV 기반 VNF 배치가 운영 지출을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 휴리스틱 솔루션은 최적의 ILP 솔루션의 1.3배 이내의 해를 달성하여 뛰어난 근사 최적성( near-optimality )을 입증한다.
• 휴리스틱은 CPLEX 기반 최적 솔루션 대비 계산 시간을 65배에서 3,500배까지 감소시켜 더 큰 네트워크에 대한 확장성을 가능하게 한다.
• Internet2 네트워크 토폴로지에서 트레이스 기반 시뮬레이션 결과, 기존 하드웨어 미들박스 대비 VNF를 사용할 경우 네트워크 운영 지출(OPEX)가 4배 이상 감소함을 확인하였다.
• VNF 기반 접근 방식은 일반 서버에 소프트웨어 기반으로 배치할 수 있어 자본 지출과 운영 지출을 모두 줄여 상당한 비용 절감 효과를 제공한다.
• SDN과 VNF 오케스트레이션의 통합은 트래픽 조정 및 VNF 배치에 대한 동적이고 프로그래밍 가능한 중앙 집중식 제어를 가능하게 한다.