[论文解读] Specifying and Analyzing Virtual Network Services Using Queuing Petri Nets

Stefan Schneider, Arnab Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 25被引用 6

一句话总结

本文提出使用排队佩特里网（QPNs）对网络功能虚拟化（NFV）环境中的虚拟网络功能（VNFs）及其编排进行形式化且无歧义的规格说明，以捕捉排队、随机延迟、同步以及复杂拓扑（如环路）等特性。该方法支持自动化仿真与性能分析，有助于在NFV环境中做出更优的VNF部署决策并保障服务质量（QoS）。

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.

研究动机与目标

• 解决网络服务中虚拟网络功能（VNFs）及其互连缺乏形式化、无歧义规格说明方法的问题。
• 克服现有标准（如ETSI、IETF）的局限性，这些标准无法建模同步、可变的流量特性以及双向或环状的服务拓扑。
• 精确建模每个VNF处的排队、随机处理延迟以及动态流量变化。
• 支持对端到端延迟、吞吐量和队列长度的自动化分析，以指导最优VNF部署和编排。
• 提供基于工具的工作流，用于规格说明、仿真和性能评估，以协助开发人员和MANO系统在服务配置与部署决策中做出判断。

提出的方法

• 使用排队佩特里网（QPNs）对网络服务和单个VNF的行为进行建模，QPNs是一种能够表达并发性、同步和随机延迟的形式化方法。
• 将每个VNF表示为具有明确定义的输入/输出变迁的QPN组件，以支持对流量变化和请求类型的建模。
• 通过利用佩特里网的表达能力，支持任意网络服务拓扑，包括双向流和环路。
• 为每个VNF集成随机处理延迟，其分布假设已知或可通过机器学习估算。
• 实现基于工具的工作流，自动从QPN规格生成仿真代码，以支持运行时性能分析。
• 通过正式指定多个实例之间的负载均衡和同步行为，支持VNF实例的动态扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对虚拟网络功能及其互连进行形式化规格说明，以消除行为和结构上的歧义？
• RQ2 QPN在多大程度上能够建模复杂行为，如多路输入流的同步、随机延迟以及动态流量特性？
• RQ3 基于QPN的规格说明能否实现对网络服务中端到端延迟、吞吐量和队列长度的精确性能分析？
• RQ4 MANO系统如何利用基于QPN的规格说明来改进VNF部署并确保QoS保障？
• RQ5 将基于QPN的规格说明与分析集成到自动化DevOps流水线中用于服务部署的可行性如何？

主要发现

• QPN为VNF和网络服务提供了形式化且无歧义的规格说明方法，能够捕捉同步、排队和随机处理延迟等特性。
• 该方法支持复杂的服务拓扑，包括双向流和环路，而这是现有ETSI或IETF标准难以建模的。
• 基于工具的工作流可自动生成仿真代码，使开发人员能够分析不同服务配置并检测性能瓶颈。
• 通过QPN仿真，可对端到端延迟、吞吐量和队列长度等性能指标进行精确分析，支持QoS感知的编排。
• MANO系统可利用基于QPN的分析结果，估算并比较不同VNF部署方案的QoS，从而选择最优配置。
• 该方法可扩展至虚拟和物理网络功能，可用于建模支持动态实例扩展和负载均衡的可扩展服务模板。