[论文解读] On Improving Service Chains Survivability through Efficient Backup Provisioning

Saifeddine Aidi, Mohamed Faten Zhani+1 more|Espace ÉTS (ETS)|Oct 15, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 18被引用 13

一句话总结

本文提出了一种面向NFV/SDN环境中服务功能链（SFCs）的主动可生存性框架，通过在所有链路中最优配置共享备份VNF，以最小化资源使用。该文将问题形式化为整数线性规划（ILP），并提出两种高效的启发式算法（BS-Push和BS-Pull），在显著降低计算时间的同时实现接近最优的备份部署，尤其在高基础设施利用率的大规模场景中表现优异。

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.

研究动机与目标

• 解决大规模NFV/SDN基础设施中因单节点故障可能导致多个服务链中断的SFC可生存性关键挑战。
• 通过配置最少数量的共享备份VNF，实现对整个基础设施中所有SFC的保护，从而最小化资源浪费。
• 设计可扩展的算法，高效解决大规模部署中的备份资源配置与部署问题，其中精确的ILP解法因计算复杂度而变得不可行。
• 通过限制备份与VNF之间的跳数以控制同步成本，从而在备份部署与带宽及延迟开销之间实现平衡。

提出的方法

• 将SFC可生存性问题形式化为整数线性规划（ILP），以确定所有服务链最优数量和位置的共享备份VNF。
• 提出两种启发式算法——BS-Push和BS-Pull——通过迭代方式基于故障风险和距离将备份分配给VNF，以实现低运行时间下的近似最优解。
• 通过限制VNF与其备份之间的最大跳数，集成同步成本约束，以减少带宽和延迟开销。
• 使用现有的VNF嵌入算法（Racheg et al.）固定VNF位置，从而将备份问题聚焦于备份资源配置与部署。
• 使用CPLEX求解ILP，并在8种不同基础设施利用率的仿真场景中验证启发式算法的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 为确保所有SFC在任一物理节点故障下均具备可生存性，所需共享备份VNF的最小数量是多少？
• RQ2 如何在物理基础设施中最优地部署备份VNF，以最小化资源使用量，同时保持低同步成本？
• RQ3 在大规模场景中，启发式算法是否能以显著降低的计算时间实现接近最优的备份资源配置，相较于精确的ILP解法？
• RQ4 基础设施利用率如何影响备份资源配置方案的可行性和性能？

主要发现

• 在低利用率场景（S1–S4）中，两种启发式算法（BS-Push和BS-Pull）的备份数量仅比CPLEX最优解略有增加，表明其接近最优。
• 在高利用率场景（S5–S8）中，CPLEX因资源限制无法找到可行解，而启发式算法仍能提供解，尽管部分VNF未获得备份。
• 在高利用率环境下，BS-Pull在备份数量方面始终优于BS-Push，表明其具有更好的负载均衡与部署效率。
• CPLEX的执行时间随基础设施利用率显著增加（从2秒增至7分钟），而启发式算法在所有场景中均保持稳定且低的执行时间。
• 所有方案的平均同步距离（跳数）均低于2跳的最大允许阈值，证实同步开销得到有效控制。