[論文レビュー] Generalized and Resource-Efficient VNet Embeddings with Migrations

Gregor Schaffrath, Stefan Schmid+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2010

Software-Defined Networks and 5G参考文献 25被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、クラウドネットワークにおける仮想ネットワーク埋め込みを最適化する汎用的でコストを考慮した混合整数プログラミング（MIP）フレームワークを提案する。このフレームワークは、フルデュプレックス、ハーフデュプレックス、ブロードキャストリンクを含む異種の基盤ネットワークにおいて、ノードおよびリンクのマッピングを統合的に処理する。長期的なクラウドネットワークの最適化を実現する移行駆動型再構成を可能にし、負荷低減やエネルギー消費の削減を実現する。標準ソルバー（例：CPLEX）を用いることで、中規模ネットワークに対しても実行可能な性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper attends to the problem of embedding flexibly specified CloudNets, virtual networks connecting cloud resources (such as storage or computation). We attend to a scenario where customers can request CloudNets at short notice, and an infrastructure provider (or a potential itermediate broker or reseller) first embeds the CloudNet fast (e.g., using a simple heuristic). Later, however, long-lived CloudNets embeddings are optimized by migrating them to more suitable locations, whose precise definition depends on a given objective function. For instance, such migrations can be useful to reduce the peak resource loads in the network by spreading CloudNets across the infrastructure, to save energy by moving CloudNets together and switching off unused components, or for maintenance purposes. We present a very generic algorithm to compute optimal embeddings of CloudNets: It allows for different objective functions (such as load minimization or energy conservation), supports cost-aware migration, and can deal with all link types that arise in practice (e.g., full-duplex or even wireless or wired broadcast links with multiple endpoints). Our evaluation shows that such a rigorous optimization is even feasible in order to optimize a moderate-size CloudNet of full flexibility (e.g., a router site, a small physical infrastructure or virtual provider network).

研究の動機と目的

• 移行を駆動要因とする長期的最適化を用いて、動的クラウドインfra構造において柔軟かつ短期的なクラウドネットワークの効率的埋め込みを実現すること。
• 単一の統合埋め込みモデル内で、フルデュプレックス、ハーフデュプレックス、ブロードキャストを含む幅広い実世界のリンクタイプをサポートすること。
• 移行コストを最適化プロセスに明示的に統合し、利得（例：負荷低減、エネルギー消費の削減）と移行オーバーヘッドの間のトレードオフ分析を可能にすること。
• ノード負荷モデリング（例：パケットレートに基づく）とリソース優先順位付けをサポートする数学的に厳密な正確な解法手法を提供すること。
• 階層的でフェデレーテッドなクラウドアーキテクチャにおける中規模クラウドネットワークに対して、最適な埋め込みを計算可能であることを示すこと

提案手法

• 仮想ネットワーク埋め込み問題を混合整数プログラミング（MIP）として定式化し、ノードおよびリンクのマッピングを統合的に最適化可能にする。
• 仮想リンクを基盤リンクに柔軟にマッピングできるようにすることで、フルデュプレックス、ハーフデュプレックス、ブロードキャストのすべての実用的リンクタイプをサポートする。
• パケットレートに起因する計算負荷などのノードベースの負荷モデリングを目的関数に組み込む。
• 移行コスト（例：帯域幅、計算リソース）をMIPの制約または目的項として統合し、コストを考慮した移行を実現する。
• 最適化フレームワーク内にプロバイダ側の配置ポリシーとリソース優先順位付け（例：高収益割り当てを優先）を可能にする。
• 標準的かつ最適化されたMIPソルバー（例：CPLEX、lpsolve）を用いて問題を解き、カスタムヒューリスティクスを必要とせずに正確解および近似解の両方を達成できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合的かつ汎用的なMIPベースのフレームワークは、ブロードキャストや非対称リンクを含むすべての実用的リンクタイプをサポートするクラウドネットワークの最適な埋め込みを達成できるか？
• RQ2 コストを考慮した移行は、再構成による利得（例：負荷低減、エネルギー消費の削減）と移行オーバーヘッドのバランスを取るために効果的かつ実用的か？
• RQ3 標準MIPソルバーを用いて、中規模クラウドネットワーク（例：ルーターサイトや小規模仮想プロバイダーネットワーク）の最適な埋め込みを計算可能か？
• RQ4 ノードおよびリンクの配置を統合的に最適化することで、逐次的またはヒューリスティック手法に比べてリソース効率がどの程度向上するか？
• RQ5 本モデルは、分散型意思決定と各プロバイダーロールごとの局所的最適化を可能とする階層的でマルチティアのクラウド管理をどの程度サポートできるか？

主な発見

• 提案されたMIPフレームワークは、フルデュプレックス、ハーフデュプレックス、ブロードキャストリンクを含む多様な基盤タイプにおいて、クラウドネットワーク埋め込みの正確な最適化を可能にする。
• コストを考慮した移行は実行可能かつ効果的であり、運用者が性能向上と移行コストのトレードオフを評価できる。
• CPLEXなどの標準MIPソルバーを用いることで、中規模クラウドネットワーク（例：小規模な物理インfraや仮想プロバイダーネットワーク）の最適な埋め込みが計算可能である。
• パケットレートに起因する計算負荷などの現実的な負荷モデリングが可能であり、これは正確な性能予測に不可欠である。
• ノードとリンクのマッピングを統合的に最適化することで、分離された配置による非最適な意思決定を回避し、逐次的またはヒューリスティック手法に比べて優れた性能を発揮する。
• フレームワークは拡張可能である：目的関数を簡単に交換可能（例：負荷最小化、エネルギー消費の削減）、かつソルバーは正確解と近似解の両方を処理可能である。