[논문 리뷰] On Improving Service Chains Survivability through Efficient Backup Provisioning

Saifeddine Aidi, Mohamed Faten Zhani외 1명|Espace ÉTS (ETS)|2018. 10. 15.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 18인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 자원 사용을 최소화하기 위해 모든 서비스 기능 체인(SFCs)에 걸쳐 공유 백업 VNF를 최적의 방법으로 할당하는 프로액티브 생존성 프레임워크를 제안한다. 문제를 정수선형계획법(ILP)으로 수식화하고, 계산 시간을 크게 줄인 두 가지 효율적인 휴리스틱 알고리즘(BS-Push 및 BS-Pull)을 제안하여, 특히 고도로 활용된 대규모 환경에서 근사 최적의 백업 배치를 달성한다.

ABSTRACT

With the growing adoption of Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV), large-scale NFV infrastructure deployments are gaining momentum. Such infrastructures are home to thousands of network Service Function Chains (SFCs), each composed of a chain of virtual network functions (VNFs) that are processing incoming traffic flows. Unfortunately, in such environments, the failure of a single node may break down several VNFs and thereby breaking many service chains at the same time. In this paper, we address this particular problem and investigate possible solutions to ensure the survivability of the affected service chains by provisioning backup VNFs that can take over in case of failure. Specifically, we propose a survivability management framework to efficiently manage SFCs and the backup VNFs. We formulate the SFC survivability problem as an integer linear program that determines the minimum number of required backups to protect all the SFCs in the system and identifies their optimal placement in the infrastructure. We also propose two heuristic algorithms to cope with the large-scale instances of the problem. Through extensive simulations of different deployment scenarios, we show that these algorithms provide near-optimal solutions with minimal computation time.

연구 동기 및 목표

• 단일 노드 장애로 인해 여러 서비스 체인이 영향을 받을 수 있는 대규모 NFV/SDN 인fra에서 SFC 생존성 문제를 해결하기 위해.
• 모든 SFC를 보호할 수 있는 최소한의 공유 백업 VNF를 할당하여 자원 낭비를 최소화하기 위해.
• 정확한 ILP 해법이 계산적으로 비가능해지는 대규모 환경에서 백업 할당 및 배치 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 확장 가능한 알고리즘 개발을 위해.
• 백업 배치와 동기화 비용을 균형 잡기 위해 백업과 VNF 간의 홉 수를 제한하여 대역폭 및 지연 오버헤드를 줄이기 위해.

제안 방법

• 모든 서비스 체인에 대한 최적의 공유 백업 VNF 수와 위치를 결정하기 위해 SFC 생존성 문제를 정수선형계획법(ILP)으로 수식화한다.
• 실패 위험도와 가까운 거리 기반으로 반복적으로 백업을 VNF에 할당하는 두 가지 휴리스틱 알고리즘(BS-Push 및 BS-Pull)을 제안하여 낮은 런타임으로 근사 최적의 해를 도출한다.
• 대역폭 및 지연 오버헤드를 줄이기 위해 VNF와 백업 간 최대 홉 수를 제한함으로써 동기화 비용 제약 조건을 통합한다.
• 백업 문제에 집중하기 위해 VNF 배치는 기존의 VNF 임베딩 알고리즘(Racheg et al.)을 사용하여 고정한다.
• CPLEX를 사용하여 ILP를 해결하고, 다양한 인프라 활용도를 가진 8개의 시뮬레이션 시나리오에서 휴리스틱의 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 SFC가 어떤 단일 물리 노드 장애에도 생존할 수 있도록 보장하기 위해 필요한 최소한의 공유 백업 VNF 수는 얼마인가?
• RQ2 물리 인프라 전반에 걸쳐 백업 VNF를 최적의 위치에 배치하여 자원 사용을 최소화하면서도 낮은 동기화 비용을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 대규모 환경에서 정확한 ILP 해법에 비해 휴리스틱 알고리즘이 유의미하게 감소된 계산 시간으로 근사 최적의 백업 할당을 달성할 수 있는가?
• RQ4 인프라 활용도는 백업 할당 솔루션의 타당성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저활용도 시나리오(S1–S4)에서는 BS-Push 및 BS-Pull 휴리스틱이 최적의 CPLEX 해에 비해 백업 수가 약간 증가하는 것으로 나타나, 근사 최적성을 입증한다.
• 고활용도 시나리오(S5–S8)에서는 CPLEX가 자원 제약으로 인해 타당한 해를 찾지 못하지만, 휴리스틱은 여전히 해를 제공하나 일부 VNF는 백업이 없는 경우가 있다.
• BS-Pull은 고활용도 설정에서 특히 BS-Push보다 백업 수 측면에서 뚜렷이 우수한 성능을 보이며, 더 나은 로드 밸런싱과 배치 효율성을 나타낸다.
• CPLEX의 실행 시간은 인프라 활용도 증가에 따라 급격히 증가(2초에서 7분으로)하지만, 휴리스틱은 모든 시나리오에서 안정적이고 낮은 실행 시간을 유지한다.
• 모든 솔루션의 평균 동기화 거리(화살표 수)는 최대 허용 허용치인 2화살표 이내로 유지되어, 동기화 오버헤드가 효과적으로 제어됨을 확인한다.