[논문 리뷰] Specifying and Analyzing Virtual Network Services Using Queuing Petri Nets

Stefan Schneider, Arnab Sharma외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 서비스에서 가상 네트워크 기능(VNF)과 그 오케스트레이션을 공식적이고 명확하게 명세하기 위해 큐잉 페트리 네트워크(QPNs)를 사용하는 것을 제안한다. 이 방법은 대기열, 확률적 지연, 동기화 및 복잡한 구조(예: 루프 포함)를 포괄한다. 이 접근법은 자동화된 시뮬레이션과 성능 분석을 가능하게 하여 NFV 환경에서 보다 나은 배치 결정과 QoS 보장을 지원한다.

ABSTRACT

For optimal placement and orchestration of network services, it is crucial that their structure and semantics are specified clearly and comprehensively and are available to an orchestrator. Existing specification approaches are either ambiguous or miss important aspects regarding the behavior of virtual network functions (VNFs) forming a service. We propose to formally and unambiguously specify the behavior of these functions and services using Queuing Petri Nets (QPNs). QPNs are an established method that allows to express queuing, synchronization, stochastically distributed processing delays, and changing traffic volume and characteristics at each VNF. With QPNs, multiple VNFs can be connected to complete network services in any structure, even specifying bidirectional network services containing loops. We propose a tool-based workflow that supports the specification of network services and the automatic generation of corresponding simulation code to enable an in-depth analysis of their behavior and performance. In a case study, we show how developers can benefit from analysis insights, e.g., to anticipate the impact of different service configurations. We also discuss how management and orchestration systems can benefit from our clear and comprehensive specification approach and its extensive analysis possibilities, leading to better placement of VNFs and improved Quality of Service.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 서비스 내 가상 네트워크 기능(VNF)과 그 상호연결에 대한 공식적이고 명확하지 않은 명세 방법의 부족을 해결한다.
• 기존 표준(예: ETSI, IETF)의 한계를 극복한다. 이러한 표준들은 동기화, 가변적인 트래픽 특성, 이중 방향 또는 루프 구조를 가진 서비스 토폴로지 모델링에 실패한다.
• 각 VNF에서의 대기열, 확률적 처리 지연, 동적 트래픽 볼륨 변화를 정확하게 모델링할 수 있도록 한다.
• 최적의 VNF 배치 및 오케스트레이션을 안내하기 위해 종단 간 지연, 처리량, 큐 길이에 대한 자동화된 분석을 지원한다.
• 개발자와 MANO 시스템이 서비스 구성 및 배포 결정을 내리는 데 도움이 되는 도구 기반 워크플로우를 제공한다.

제안 방법

• 큐잉 페트리 네트워크(QPNs)를 사용하여 네트워크 서비스와 개별 VNF의 동작을 모델링한다. QPNs는 동시성, 동기화, 확률적 지연을 표현할 수 있는 형식적 방법이다.
• 각 VNF를 입력/출력 전이가 정의된 QPN 컴포넌트로 표현하여 트래픽 볼륨 변화와 요청 유형을 모델링할 수 있도록 한다.
• 페트리 네트워크의 표현력을 활용하여 이중 방향 흐름과 루프를 포함한 임의의 네트워크 서비스 토폴로지 지원을 가능하게 한다.
• 각 VNF에 대한 확률적 처리 지연을 통합하며, 분포는 알려져 있거나 기계 학습을 통해 추정 가능하다고 가정한다.
• QPN 명세에서 자동으로 시뮬레이션 코드를 생성하는 도구 기반 워크플로우를 구현하여 런타임 성능 분 析를 가능하게 한다.
• 다중 인스턴스 간 로드 밸런싱 및 동기화 행동을 공식적으로 명세함으로써 VNF 인스턴스의 동적 스케일링을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가상 네트워크 기능과 그 상호연결은 어떻게 공식적으로 명세할 수 있으며, 이로 인해 행동 및 구조에 대한 모호함을 제거할 수 있는가?
• RQ2 QPN은 다중 입력 스트림의 동기화, 확률적 지연, 동적 트래픽 특성과 같은 복잡한 행동을 어느 정도 모델링할 수 있는가?
• RQ3 QPN 기반 명세는 네트워크 서비스에서 종단 간 지연, 처리량, 큐 길이에 대해 정확한 성능 분 析를 가능하게 하는가?
• RQ4 MANO 시스템은 QPN 기반 명세를 어떻게 활용하여 VNF의 최적 배치를 도모하고 QoS 보장을 확보할 수 있는가?
• RQ5 QPN 기반 명세 및 분석을 자동화된 DevOps 파이프라인에 통합하는 데 실현 가능성이 있는가?

주요 결과

• QPNs는 동기화, 대기열, 확률적 처리 지연을 포괄하는 VNF 및 네트워크 서비스에 대해 공식적이고 명확한 명세 방법을 제공한다.
• 이 방법은 기존 ETSI 또는 IETF 표준으로는 모델링이 불가능한 복잡한 서비스 토폴로지(이중 방향 흐름 및 루프 포함)를 지원한다.
• 도구 기반 워크플로우를 통해 자동으로 시뮬레이션 코드를 생성할 수 있어 개발자가 다양한 서비스 구성에 대해 분석하고 성능 저하 요소를 탐지할 수 있다.
• 종단 간 지연, 처리량, 큐 길이와 같은 성능 메트릭은 QPN 시뮬레이션을 통해 정확하게 분석 가능하며, QoS 기반 오케스트레이션을 지원한다.
• MANO 시스템은 QPN 기반 분석을 활용하여 다양한 VNF 배치에 대한 QoS를 추정하고 비교함으로써 최적의 구성 선택을 가능하게 한다.
• 이 방법은 가상 및 물리적 네트워크 기능 모두에 확장 가능하며, 동적 인스턴스 스케일링 및 로드 밸런싱을 포함한 확장 가능한 서비스 템플릿 모델링에 사용될 수 있다.